Die erfolgreiche Optimierung der Leistung von thermoelektrischen Materialien, die durch zT beschrieben wird, ist entscheidend für ihre Anwendung für das Wärmemanagement und die Kühlung von Leistungselektronik. Im Gegensatz zu Bulk-Proben bleibt die vollständige zT-Charakterisierung von Dünn- und Dickfilmmaterialien eine große Herausforderung. Dies ist insbesondere relevant für Filme, die durch elektrochemische Abscheidung synthetisiert werden, wo das Material auf eine elektrisch leitende Schicht abgeschieden wird. In dieser Dissertation habe ich ein Transport-Device für eine vollständige zTCharakterisierung von elektrochemisch abgeschiedenen Materialien entwickelt, während der Einfluss der elektrisch leitenden Schicht, sowie des Substrats beseitigt wird. Die zT-Charakterisierung erfolgt unter Verwendung eines auf einer freistehenden Membran suspendierten thermoelektrischen Materials innerhalb des entwickelten Transport-Devices, die durch eine Kombination von Fotolithografie und Mikrostrukturierungstechnik zusammen mit Ätzprozessen hergestellt wurde. Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit habe ich eine eindimensionale, analytische, stationäre Methode eingesetzt, welche mit Hilfe von dreidimensionalen Finite-Elemente-Simulationen bestätigt wurde. Darüber hinaus habe ich die temperaturabhängigen thermoelektrischen Eigenschaften von zwei Dickschichten mit Hilfe des entwickelten Devices untersucht und mit Bulk-Proben und Dünnfilmen verglichen. Auf diese Weise konnte die Validität des Transport-Devices nachgewiesen werden. Neben der Optimierung von mikro-thermoelektrischen Materialien, die mit dem Transport- Device charakterisiert werden, ist die Leistung von thermoelektrischen Devices von den Faktoren Design, Geometrie und Konstruktion beeinflusst. Daher habe ich den Einfluss der Geometrie auf die Leistung eines elektrochemisch hergestellten mikrothermoelektrischen Generators mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation untersucht.

Die Visualisierung und Quantifizierung von Flüssigwasseransammlungen in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen konnte mittels Neutronenradiographie erreicht werden. Dank dieser neuartigen diagnostischen Methode konnte erstmals die Flüssigwasseransammlung in den porösen Gasdiffusionsschichten direkt nachgewiesen und quantifiziert werden. Die Kombination von Neutronenradiographie mit ortsaufgelösten Stromdichtemessungen bzw. lokaler Impedanzspektroskopie erlaubte die Korrelation des inhomogenen Flüssigwasseranfalls mit dem lokalen elektrochemischen Leistungsverhalten. Systematische Untersuchungen an Polymerelektrolyt- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen verdeutlichen sowohl den Einfluss von Betriebsbedingungen als auch die Auswirkung von Materialeigenschaften auf die Ausbildung zweiphasiger Strömungen.

Heutzutage werden riesige Datenmengen zwischen Endgeräten und Cloud-Servern verschoben. Cloud-Computing war nach Bloomberg bereits für 1% des weltweiten Stromverbrauchs im Jahr 2021 verantwortlich. Darüber hinaus kann die monopolartige Speicherung personenbezogener Daten schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesellschaften unserer Welt haben. Um persönlichen Datenschutz und einen nachhaltigen Energieverbrauch zu gewährleisten, bedarf es einer Datenverarbeitung direkt am Endgerät; bezeichnet als Edge Computing. In diesem Zuge wird die Nachfrage nach individuell gestalteten Edge-Geräten rapide ansteigen. Der neu entstehende Markt bietet der organischen elektrochemischen Elektronik eine große Chance, vor allem für bioelektronische Anwendungen; allerdings muss die Chipintegration verbessert werden. In dieser Arbeit habe ich elektrochemische organische Elektronik für die Integration in Computersysteme untersucht. Insbesondere habe ich einen festen, photostrukturierbaren Elektrolyten entwickelt, der die Integration von OECTs ohne Kreuzkommunikation zwischen Bauteilen ermöglicht. Die OECTs arbeiten bei Spannungen unter 1V und schalten mit einem großen An/Aus-Verhältnis von 5 Größenordnungen und einer Unterschwellenschwingung nahe des thermodynamischen Minimums von 60mV/Dekade. Darüber hinaus wurden bei der Untersuchung der Hysterese des Bauelements drei verschiedene Hystereseregime identifiziert. Anschließend untersuchte ich die Schaltdynamik des OECTs und demonstrierte ein Top-Gate-OECT mit einer maximalen Betriebsfrequenz von 1 kHz. Beim Versuch, die komplexe Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen in integrierten OECTs zu verstehen, habe ich einen grundlegenden elektrochemischen Mechanismus identifiziert. Die Abhängigkeit dieses Mechanismus’ von der Gate-Größe und der Drain-Überlapplänge wurde aufgezeigt und dieses Wissen zur Optimierung elektrochemischer Inverter genutzt. Zur Darstellung von OECT-basierten Schaltungskomponenten habe ich verschiedene Halbleiter verwendet und entsprechende Inverter hergestellt. Schließlich wurde die Hysterese eines einzigen ambipolaren Inverters zur Demonstration eines dynamischen Klinkenschalters genutzt. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die OECT-Technologie von den Anfängen bis hin zu integrierten Schaltkreiskomponenten entwickelt. Ich glaube, dass diese Arbeit ein Startschuss für Wissenschaftler und Ingenieure sein wird, um die OECT-Technologie in der realen Welt des Edge Computing einzusetzen. / Nowadays, vast amounts of data are shuttled between end-user devices and cloud servers. This cloud computing paradigm was, according to Bloomberg, already responsible for 1% of the world’s electricity usage in 2021. Moreover, the monopoly-like storage of personal data can have a severe impact on the world’s societies. To guarantee data privacy and sustainable energy consumption in future, data computation directly at the end-user site is mandatory. This computing paradigm is called edge computing. Owing to the vast amount of end-user-specific applications, the demand for individually designed edge devices will rapidly increase. In this newly approaching market, organic electrochemical electronics offer a great opportunity, especially for bioelectronic applications; however, the integration into low-power-consuming systems has to be improved. In this work, I investigated electrochemical organic electronics for their integration into computational systems. In particular, I developed a solid photopatternable electrolyte that allows integrating organic electrochemical transistors (OECTs) without cross-talk between adjacent devices. The OECTs operate at voltages below 1 V, and exhibit a large on/off ratio of 5 orders of magnitude and a subthreshold-swing close to the thermodynamic minimum of 60mV/dec. Moreover, investigating the device’s hysteresis, three distinct hysteresis regimes were identified; the RC-time-dominated regime I, the retention time governed regime II, and the time-independent stable regime III. I then examined the OECT’s switching dynamics and, subsequently, demonstrated a top-gate device with a maximum operating frequency of 1 kHz. Trying to understand the complex interaction between ions and electrons in integrated OECTs, I disclosed a fundamental electrochemical mechanism and named it the electrochemical electrode coupling (EEC). The EEC’s dependence on gate size and drain overlap length was rigorously shown, and this knowledge was used to optimize electrochemical inverters. Yet, to exemplify OECT-based circuit components, I employed various semiconductors and fabricated five inverters, each with its unique advantage. Finally, the ambipolar inverter’s hysteresis was used to demonstrate a single-device dynamic latch, a basic in-memory computational element. In this thesis, I developed the OECT technology from an infancy stage to integrated circuit components. I believe that this work will be a starting signal for scientists and engineers to bring the OECT technology into real-world edge computing.

Die Dissertation untersucht unternehmenspolitische Entscheidungen eines Chemie-Konzerns im 20. Jahrhunderts aus der Perspektive der Mikroebene. / The historical study analyzes the corporate policy of an electrochemical company on the micro level. She chooses one location of the "Dr. Alexander Wacker Gesellschaft" to show the effects of economic and political framework conditions on corporate decisions.

In this work, well-defined and stable thin films based on polythiophene and its derivative, are employed as the hole-injection contact of organic light-emitting diodes (OLED). The polymer films are obtained by the electropolymerization or the electrochemical doping/dedoping of a spin-coated layer. Their electrical properties and energetics are tailored by electrochemical adjustment of their doping levels in order to improve the hole-injection from the anode as well as the performance of small molecular OLEDs. By using dimeric thiophene and optimizing the electrodeposition parameters, a thin polybithiophene (PbT) layer is fabricated with well-defined morphology and a high degree of smoothness by electro-polymerization. The introduction of the semiconducting PbT contact layer improves remarkably the hole injection between ITO anode and the hole- transport layer (NPB) due to its favourable energetic feature (HOMO level of 5.1 eV). The vapor-deposited NPB/Alq3 bilayer OLEDs with a thin PbT interlayer, show a remarkable reduction of the operating voltage as well as enhanced luminous efficiency compared to the devices without PbT. Investigations have also been made on the influence of PbT thickness on the efficiency and I-V feature as well as device stability of the OLED. It is demonstrated that the use of an electropolymerization step into the production of vapor deposited molecular OLED is a viable approach to obtain high performance OLEDs. The study on the PbT has been extended to poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDT) and the highly homogenous poly(styrenesulfonate) (PSS) doped PEDT layer from a spin-coating process has been applied. The doping level of PEDT:PSS was adjusted quantitatively by an electrochemical doping/dedoping process using a p-tuoluenesulfonic acid containing solution, and the redox mechanism was elucidated. The higher oxidation state can remain stable in the dry state. The work function of PEDT:PSS increases with the doping level after adjusting at an electrode potential higher than the value of the electrochemical equilibrium potential (Eeq) of an untreated film. This leads to a further reduction of the hole-injection barrier at the contact of the polymeric anode/hole transport layer and an ideal ohmic behavoir is almost achieved at the anode/NPB interface for a PEDT:PSS anode with very high doping level. Molecular Alq3-based OLEDs were fabricated using the electrochemically treated PEDT:PSS/ITO anode, and the device performance is shown to depend on the doping level of polymeric anode. The devices on the polymer anode with a higher Eeq than that for the unmodified anode, show a reduction of operating voltage as well as a remarkable enhancement of the luminance. Furthermore, it is found that the operating stability of such devices is also improved remarkably. This originates from the removal of mobile ions such as sodium ions inside the PEDT:PSS by electrochemical treatment as well as the planarization of the ITO surface by the polymer film. By utilizing an Al/LiF cathode with an enhanced electron injection and together with a high Eeq- anode, a balanced injection and recombination of hole and electron is achieved. It leads to a further reduction of the operating voltage and to a drastic improvement of EL efficiency of the device as high as 5.0 cd/A. The results demonstrate unambiguously that the electrochemical treatment of a cast polymer anode is an effective method to improve and optimize the performance of OLEDs. The method can be extended to other polythiophene systems and other conjugated polymers in the fabrication of the OLEDs as well as organic transistors and solar cells.

In dieser Arbeit wurde das elektrochemische Korrosionsverhalten von zwei Nietverbindungen in Hybridbauweise untersucht. Auf der Grundlage von elektrochemischen Polarisationsversuchen der Nietkomponenten sowie durch Simulation mit der Methode der Finiten Elemente konnte das Korrosionsverhalten für den gefügten Zustand abgeleitet werden. Das Korrosionsverhalten für den gefügten Zustand wurde aus der grafischen Analyse der erhaltenen Stromdichte-Potential-Kurven abgeleitet. Zudem wurde in der Simulation ein kritischer Abstand für galvanisch induzierte Lochkorrosion auf der Aluminiumlegierung berechnet. Das grafisch abgeleitete sowie das berechnete Korrosionsverhalten wurden für beide Nietverbindungen im Experiment bestätigt. Weiterhin wurde ein systemspezifischer Werkstoffparameter mit einer neuentwickelten Analysemethode extrahiert und dessen Abhängigkeit von der Expositionszeit der Nietverbindungen in dem Klimawechseltest nach VDA 621-415 und dem VDA 621-414 Freibewitterungstest untersucht.

Für die Wasserstoffnutzung in der Mobilität ist eine Verdichtung des Wasserstoffes nötig. Mechanische Verdichter haben verschiedene Nachteile und sind insbesondere für Anwendungen mit kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen schwierig darzustellen. Der elektrochemische Wasserstoffkompressor (EHC), der auf der PEM-Technologie basiert, bringt in dieser Anwendung deutliche Vorteile mit sich. Dank ihm könnte auch eine Home-Fueling-Lösung für Einfamilienhäuser technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein. In der vorliegenden Untersuchung wird hierfür eine energetische Analyse durchgeführt, um zu zeigen, dass aus energetischer Sicht die regenerative Wasserstoffbetankung zu Hause möglich ist. Anschließend werden noch der EHC und erste Messergebnisse zu ihm vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Home-Fueling-Konzept mit dem EHC grundsätzlich technisch möglich und sinnvoll ist. / For the use of hydrogen in mobility, a compression of the hydrogen is necessary. Mechanical compressors have various disadvantages and are difficult to produce, especially for applications with small volume flows and high-pressure ratios. The electrochemical hydrogen compressor (EHC), which is based on the PEM technology, has significant advantages in this application. Thanks to him, a home refueling solution for single-family houses could also be technically and economically viable. In the present study, an energetic analysis is carried out to show that, from an energetic point of view, regenerative hydrogen refueling at home is possible. Then the EHC and the first measurement results will be presented. It is shown that the home refueling concept with the EHC is basically technically possible and viable.

In this work, well-defined and stable thin films based on polythiophene and its derivative, are employed as the hole-injection contact of organic light-emitting diodes (OLED). The polymer films are obtained by the electropolymerization or the electrochemical doping/dedoping of a spin-coated layer. Their electrical properties and energetics are tailored by electrochemical adjustment of their doping levels in order to improve the hole-injection from the anode as well as the performance of small molecular OLEDs. By using dimeric thiophene and optimizing the electrodeposition parameters, a thin polybithiophene (PbT) layer is fabricated with well-defined morphology and a high degree of smoothness by electro-polymerization. The introduction of the semiconducting PbT contact layer improves remarkably the hole injection between ITO anode and the hole- transport layer (NPB) due to its favourable energetic feature (HOMO level of 5.1 eV). The vapor-deposited NPB/Alq3 bilayer OLEDs with a thin PbT interlayer, show a remarkable reduction of the operating voltage as well as enhanced luminous efficiency compared to the devices without PbT. Investigations have also been made on the influence of PbT thickness on the efficiency and I-V feature as well as device stability of the OLED. It is demonstrated that the use of an electropolymerization step into the production of vapor deposited molecular OLED is a viable approach to obtain high performance OLEDs. The study on the PbT has been extended to poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDT) and the highly homogenous poly(styrenesulfonate) (PSS) doped PEDT layer from a spin-coating process has been applied. The doping level of PEDT:PSS was adjusted quantitatively by an electrochemical doping/dedoping process using a p-tuoluenesulfonic acid containing solution, and the redox mechanism was elucidated. The higher oxidation state can remain stable in the dry state. The work function of PEDT:PSS increases with the doping level after adjusting at an electrode potential higher than the value of the electrochemical equilibrium potential (Eeq) of an untreated film. This leads to a further reduction of the hole-injection barrier at the contact of the polymeric anode/hole transport layer and an ideal ohmic behavoir is almost achieved at the anode/NPB interface for a PEDT:PSS anode with very high doping level. Molecular Alq3-based OLEDs were fabricated using the electrochemically treated PEDT:PSS/ITO anode, and the device performance is shown to depend on the doping level of polymeric anode. The devices on the polymer anode with a higher Eeq than that for the unmodified anode, show a reduction of operating voltage as well as a remarkable enhancement of the luminance. Furthermore, it is found that the operating stability of such devices is also improved remarkably. This originates from the removal of mobile ions such as sodium ions inside the PEDT:PSS by electrochemical treatment as well as the planarization of the ITO surface by the polymer film. By utilizing an Al/LiF cathode with an enhanced electron injection and together with a high Eeq- anode, a balanced injection and recombination of hole and electron is achieved. It leads to a further reduction of the operating voltage and to a drastic improvement of EL efficiency of the device as high as 5.0 cd/A. The results demonstrate unambiguously that the electrochemical treatment of a cast polymer anode is an effective method to improve and optimize the performance of OLEDs. The method can be extended to other polythiophene systems and other conjugated polymers in the fabrication of the OLEDs as well as organic transistors and solar cells.

In dieser Arbeit wurde die Korrosion an Kanten und Flanschen unter unterschiedlichen Klimabedingungen und räumlichen Anordnungen untersucht und modelliert. Auf Basis von Versuchsdaten konnten Simulationsmodelle zur Vorhersage der Delaminationsweite an Kanten und der Korrosionstiefe in Flanschen entwickelt werden. Mittels Stromdichte-Spannungskurven und elektrochemischer Impedanzspektroskopie wurde die Korrosionskinetik sowie die Barrierewirkung der organischen Beschichtung in das Modell überführt. Das unterschiedliche Korrosionsverhalten von vertikal und horizontal orientierten Kanten wurde durch die von Elektrolyt benetzte Fläche berücksichtigt. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Klimaparameter in zyklischen Wechselklimatests numerisch modelliert. Durch die Kombination empirischer Simulationsparameter konnte der Zyklus eines Wechselklimatests sowohl integral, als auch differentiell unter Berücksichtigung wechselnder Testparameter modelliert werden. Zur Modellierung der Flanschkorrosion wurde ein grundlegendes Potentialmodell vorgestellt.

Doppelt diffusive Konvektion im Fingerregime wurde mittels einer elektrochemischen Zelle untersucht. Kupferionen bilden die destabilisierende und Temperatur die stabilisierende Komponente. In diesen System existieren Finger und thermohaline Treppen, obwohl die Gesamtdichtestratifizierung instabil ist. Fingerströmung wird durch Konvektionsrollen ersetzt, wenn die Konvektion schnell genug ist um Temperaturdiffusion zwischen den Fingern zu unterbinden, bzw. wenn die thermische Auftriebskraft 1/30 der chemischen Auftriebskraft beträgt. Am Übergang ist der Ionentransport größer, als ohne stabilisierenden Temperaturgradienten.