Master-Arbeit Univ. St. Gallen, 2009.

Master-Arbeit Univ. St. Gallen, 2009.

Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2006

Paderborn, Univ., Diss., 2006

Paderborn, Univ., Diss., 2006

Universiẗat, Diss., 2004--Heidelberg.

Die hier vorgelegte Doktorarbeit wurde der Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Lösungen mittels weicher Röntgenstrahlen gewidmet. Die verwendeten Photonen-rein-Photonen-raus Methoden, namentlich Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), Röntgenemissionsspektroskopie (XES) und resonante inelatische Röntgenstreuung (RIXS) stellten sich als exzellente Methoden heraus, diese Systeme zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine experimentelle Anlage gebaut, welche notwendig ist um die genannten Messmethoden zur Untersuchung von Flüssigkeiten zu nutzen. Zentraler Teil dieser Anlage ist eine neuartige Durchflussnasszelle, die die Handhabung der Messungen im Vergleich zu älteren Nasszellen vereinfacht. Dabei ist sie variabel genug, um sie zur Messung von Gasen oder Flüssig-Fest-Grenzflächen anzupassen. Mit der Zelle ist es möglich, die zu untersuchenden Flüssigkeiten unter gut kontrollierten Bedingungen (Temperatur und Durchfluss) zu untersuchen. Die Durch-flussnasszelle ist Teil einer neuen Synchrotronendstation (SALSA). Für die Messungen stehen dabei ein Elektronenanalysator und ein neuartiges hochauflösendes, hocheffizientes Weichröntgenspektrometer zur Verfügung. Mit diesem Spektrometer ist es möglich, zweidimensionale RIXS Karten in sehr kurzer Zeit (wenige Minuten) aufzunehmen, welche die vollständige Information von Röntgenabsorption und Röntgenemission beinhalten. Mit Hilfe der neu entwickelten Instrumentierung war es möglich, eine Reihe unterschiedlicher Flüssigkeiten und Lösungen zu untersuchen. Als erstes System wur-den wässrige NaOH bzw. NaOD Lösungen erforscht. Die nicht-resonanten Emissionsspektren sind stark von dem genutzten Lösungsmittel dominiert und haben daher Ähnlichkeit mit den Spektren von Wasser und schwerem Wasser. Es war möglich, eine Abhängigkeit der Spektren von der Ionenkonzentration festzustellen. Trotz der Ähnlichkeit der Spektren zu Wasserspektren war es aufgrund eines OH- / OD- spezifischen Charakteristikums an der Absorptionskante möglich, resonante Spektren von OH-/OD- ohne Beitrag des Spektrums von Wasser zu erhalten. Diese Spektren zeigten Anzei-chen für Protonendynamik auf der Zeitskala der Rumpflochlebensdauer. Für die Emissionsspektren von NaOH im festen Zustand konnten an der hochenergetischen Hauptline eine niederenergetische und hochenergetische Schulter festgestellt werden. Diese Schultern sind das Ergebnis des Eigendissoziationsprozesses von OH- Ionen, bei welchem O2- Ionen und H2O gebildet werden. Weiterhin waren die Untersuchungen an Natronlauge von Interesse für die folgenden Aminosäurenmessungen, da Natronlauge genutzt wurde, um die gewünschten pH-Wert Änderungen zu erreichen. Die zweite Gruppe von Flüssigkeiten, die in dieser Arbeit untersucht wurde, sind Aminosäuren. Aminosäuren sind die Bausteine für Peptide und Proteine und da-mit sehr wichtig für alle Biowissenschaften. Als Vertreter der Aminosäuren wurden Glycin – die kleinste Aminosäure, und Lysin – eine Aminosäure mit zwei Amingruppen – untersucht. Beide Aminosäuren reagieren sensibel auf Änderungen des pH-Wertes mit einer Deprotonierung/Protonierung der Amingruppe (NH2 ↔ NH3+). In den experimentellen Spektren konnte ein deutlicher Einfluss dieser Prozesse gefunden werden. Die gemessenen Spektren der protonierten Aminosäuren zeigen deutliche An-zeichen für Dissoziationsprozesse. Erste DFT Rechnungen bestätigten diese Anzeichen und unterstützen das Dissoziationsmodell der Aminosäuren. Qualitativ lässt sich sagen, dass sich die hochenergetische Linie in den N K XES Spektren auf die unprotonierten Amingruppen bezieht und der niederenergetische Bereich im Spektrum den protonierten Gruppen zugeordnet werden kann. Neben Aminosäuren sind auch Alkohole und organische Säuren von Bedeutung für biologische Prozesse. Daher wurden als Vertreter aus diesen Gruppen der einfachste Alkohol (Methanol) und die einfachste Säure (Essigsäure) untersucht. Die O K und C K XES Spektren von flüssigem Methanol stimmen hervorragend mit Gasphasen DFT Rechnungen überein. Dies lässt den Schluss zu, dass der Einfluss der Umgebung (Wasserstoffbrückenbindungen) auf die Spektren gering ist. Durch resonante Anregung in geeignete unbesetzte Orbitale war es möglich, die zwei unterschiedlichen Sauerstoffatome der Essigsäure zu unterscheiden und auch einen Anhaltspunkt für die Carboxylgruppen-spezifischen C K XES Spektren zu bekommen. An der Kohlenstoffkante zeigten die XAS Spektren große Unterschiede zu Gasphasenmessungen, was ein Hinweis auf den Einfluss der Wasserstoffbrückenbindungen ist. Die Untersuchung der elektronischen und chemischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Lösungen ist immer noch ein sehr junges Forschungsgebiet. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, welch interessantes Forschungsgebiet dies ist. Die vorgestellten Ergebnisse können als die grundlegende Basis für alle weiteren Untersuchungen in diesem Forschungsfeld angesehen werden. / This thesis was dedicated to the studies of the electronic and chemical properties of liquids and solutions using soft x-ray spectroscopies. The used photon-in-photon-out methods namely x-ray absorption spectroscopy (XAS), x-ray emission spectroscopy (XES), and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) appeared to be an excellent choice for these studies. In the framework of this thesis, the necessary experimental setup for using the above mentioned experimental techniques on liquids was developed. Hereby, a new flow-through liquid cell was introduced which simplifies the studies of liquids and solutions. The cell design is very flexible and thus can be modified for gases and liquid/solid interfaces. With this cell it is possible to study the samples under well-controlled conditions (temperature and flow rate). The novel flow-through liquid cell is part of the new SALSA synchrotron endstation including an electron analyzer and a novel high-resolution, high-transmission soft x-ray spectrometer. The latter makes it possible to measure two-dimensional RIXS maps in a very short time, which include the full excitation and emission information in one plot. Making use of the new instrumentation, a variety of different liquids and solutions were investigated. As first system, aqueous solutions of sodium hydroxide (NaOH) and sodium deuteroxide (NaOD) were investigated. In the XAS as well as in the XES spectra a pronounced concentration dependence was found. At non-resonant energies, the spectra are dominated by the solvent and thus look similar to water. Making use of the pre-pre-edge in the absorption spectra which can exclusively be attributed to OH- / OD- it was possible to extract the resonant emission spectra of the ions which show an indication for proton dynamics during the core-hole lifetime. For the solid state NaOH XES spectra it was possible to reveal a high energetic shoulder and a low energetic shoulder at the high energy emission feature. These shoulders can be assigned to self-dissociation processes where OH- forms O2- ions and H2O. The study of NaOH was also of interest for the studies of the amino acids, which were in the focus of the next part, since the pH-values of the respective solutions were controlled by NaOH. In the next part of this thesis, amino acid solutions were investigated. Amino acids are the building blocks of peptides and proteins and thus important for life science. The investigated representatives were glycine, the simplest amino acid, and lysine, an amino acid with two amine groups. Both amino acids react on pH-value changes at the amine group where the local environment at the nitrogen atom changes (NH2 ↔ NH3+). A strong change of the spectra induced by this protonation/deprotonation could be found. Furthermore, for low pH-values (protonated amine groups) the amine groups are influenced by strong proton dynamics. First DFT calculations confirm the dissociation model of the amino acids. Qualitatively the high energy peak in the N K XES spectra can be attributed to the deprotonated amine group and the low energy area for the protonated amine group. Besides amino acids, alcohols and acids are important in biological processes. Therefore, the smallest alcohol (methanol) and the smallest carboxylic acid (acetic acid) were under investigation. For the liquid methanol XES spectra a very good agreement with DFT calculations of gas phase methanol could be found. This observation suggests that the influence of the environment (hydrogen bonding) on the spectra is small. The achieved spectra are in good agreement with DFT calculations found in literature. It was possible to selectively excite the two non-equivalent oxygen atoms in acetic acid and to reveal the carboxyl specific C K XES. The carbon XAS spectra showed strong differences compared to gas phase measurements which might be a hint for the influence of the hydrogen bond network. The investigation of the electronic and chemical properties of liquids and solutions is a very young field of research and the results presented in this thesis show that it is a very interesting topic. The presented results can be seen as the fundamental frame work for all following studies. With the understanding of basic, i.e., simple, systems as shown in this work it will be possible to understand complex biological systems in their native environment, e.g., peptides and proteins, which are the building blocks of life.

In the frame of this thesis vibronic and electronic states of organic molecules have been examined. A central question is the interaction within and between the molecules in thin films and at metal-organic interfaces. The main experimental tools were high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and high resolution near edge X-ray absortion fine structure (NEXFAS). The electronic and vibronic structure of thin NTCDA films was examined with low energy electrons as probe, i.e. HREELS. The spectra of the electronic excited molecular orbitals of submonolayer NTCDA on a Ag(111) shows a partially filled orbital. The interaction between this orbital and the total symetric molecular vibrations leads to the typical Fano peak profiles which are seen in the vibrational spectra. The sub-monolayer superstructure can be driven to a phase transition into an disordered phase upon cooling, which is also seen in the electronic and vibronic excitation spectra. Multilayers show flat lying or upright standing molecules as a function of the preparation conditions. The upright standing molecules show an island growth mode, where the islands are well ordered and exhibit a structure in diffraction experiments which can be attributed to the molecular crystal structure. In order to examine the order in more detail various thin films were examined using SPALEED as function of film thickness and preparation parameters. In case of a low temperature substrate no long range order leading to a diffraction pattern was found. In contrast growth on room temperature substrates leads to island growth of films in a structure of the molecular crystal, where two preferred orientations of the islands relative to the substrate were found. In case of thick films the reference to the substrate gets lost and the molecular crystals grow with a defined crystal direction with respect to the surface but with an arbitrary azimuthal orientation leading to circles in the diffraction pattern. NTCDA monolayers on a Ag(111) surface using HREELS as a tool were examined. The electronic excitation spectra reveal a partially filled molecular orbital which is strongly shifted compared to the multilayer. The existence of this state is responsible for the activation of normally forbidden Ag modes in the vibrational spectra. Due to the electron phonon coupling these modes exhibit a Fano like peak shape. Cooling a monolayer leads to a phase transition with strong changes in the spectroscopic features both in electronic and vibronic excitations. In case of the molecule ANQ the intramolecular interaction was examined. In the oxygen NEXAFS spectra a vibronic fine structure is found, which leads to the conclusion that asymmetric potentials are involved. It is an interesting question if the fundamental vibration is has C-H or C=O character. In order to address this question spectra of condensed and gas phase ANQ were compared to an ANQ derivate (ANQ- Br$_2$Cl$_2$), with the conclusion that the coupling is most likely to a C=O mode. High resolution C1s spectra of hydrogenated and fully deuterated naphthalene both in gas and condensed phase have been presented. Depending on the final state orbital distinct differences have been found between gas and condensed phase. A energetic shift of resonances (Res. B, C, D) is interpreted as effect of $\pi$-$\pi$ interaction in the condensed phase. This is especially notable for resonance B which is undoubtly assigned to an excitation into a $\pi^*$ orbital. The results lead to an interpretation, that for organic molecular crystals more than pure van-derWaals interaction has to be taken into account. In summary it is found that the intramolecular interaction in NEXAFS spectra is preferentially coupled to one or a few vibronic progressions. Due to the delocalized electronic system maybe even states which are not spatially near the core excited atom can be involved. It could be shown that a condensation of the molecules in thin films leads to changes within the spectra. The influence the intermolecular interaction can be clearly seen in this finding, where additional hints are found that more than mere van-der-Waals binding has to be taken into account. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden vibronische und elektronische Zustände großer organischer Moleküle untersucht. Eine zentrale Frage ist die Wechselwirkung innerhalb der Moleküle, zwischen Molekülen, in dünnen Filmen und an Metall-Organik Grenzflächen. Als experimentelle Methoden wurden Hochauflösende Elektronenenergie Verlust Spektroskopie (HREELS) und hoch auflösende Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) verwendet. Die elektronische und vibronische Struktur dünner NTCDA Schichten wurde mit HREELS untersucht. Die elektronischen Anregungsspektren von NTCDA Submonolagen auf einer Ag(111) Oberfläche zeigen ein teilgefülltes Molekülorbital, dessen Wechselwirkung mit totalsymmetrischen Molekülschwingungen zu den typischen asymmetrischen Fano Peaks führt. Die geordnete Monolage lässt sich durch Kühlung in eine ungeordnete Phase überführen, die deutliche Änderungen in den elektronischen und vibronischen Spektren zeigt. Multilagen ergeben in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen flach liegende bzw. fast aufrecht stehende Moleküle. Für aufrecht stehende Moleküle zeigen die Schichten Inselwachstum, wobei die Inseln wohlgeordnet sind und in Streuexperimenten eine Struktur zeigen, die dem Molekülkristall entsprechen. Um die geordneten NTCDA Schichten im Detail zu untersuchen, wurden die verschiedene Schichten in Abhängigkeit von Schichtdicke und Präparationsparametern untersucht. Es zeigt sich, dass sich auf einem gekühlten Substrat keine langreichweitige Ordnung ausbildet, die zu einem Beugungsbild führt. Auf einem Raumtemperatursubstrat dagegen zeigt sich, dass die Moleküle ein Inselwachstum in ihrer Molekülkristallstruktur bevorzugen, wobei zwei Orientierungen der Inseln relativ zum Substrat vorkommen. Bei dicken Schichten geht der Bezug zum Substrat verloren und die Kristallite wachsen mit einem definierten Oberflächenvektor, aber in unterschiedlicher azimutaler Orientierung, was zu Ringen im Beugungsbild führt. NTCDA Monolagen auf einer Ag(111) Oberfläche wurden mittels HREELS untersucht. Die elektronische Struktur der Spektren zeigt ein teilgefülltes Orbital, das im Vergleich mit den Multilagenspektren energetisch stark verschoben ist. Die Existenz dieses Zustandes führt dazu, dass Symmetrie-verbotene A$_g$ Moden in den Schwingungsspektren sichtbar werden. Die Kopplung von elektronischen mit vibronischen Zuständen führt zu den typischen Fano Peak Profilen. Beim Abkühlen dieser Monolagen ist ein Phasenübergang zu beobachten, der zu deutlichen Änderungen der elektronischen und vibronischen Spektren führt. Für das Molekül ANQ wurde die intramolekulare Wechselwirkung untersucht. In den Sauerstoff Spektren zeigt sich eine vibronische Feinstruktur, die auf ein asymmetrisches Potential schließen lässt. Interessant ist die Frage, ob es sich dabei um eine Kopplung an C-H oder an C=O Moden handelt. Um diese Frage zu erörtern wurden, Spektren aus der kondensierten und der Gasphase von ANQ und einem ANQ Derivat (ANQ- Br$_2$Cl$_2$) verglichen, wobei sich zeigt, dass es sich wahrscheinlich um eine Ankopplung an C=O Moden handelt. Hochaufgelöste C1s Spektren von normalem und völlig deuteriertem Naphthalin wurden sowohl in der kondensierten als auch in der Gasphase untersucht. In Abhängigkeit vom Endzustand wurden Unterschiede zwischen Gas- und kondensierter Phase beobachtet. Eine energetische Verschiebung der Resonanzen (Res. B, C, D) wird als Resultat der $\pi$-$\pi$ Wechselwirkung in der kondensierten Phase interpretiert. Dies ist besonders bemerkenswert für Resonanz B, da sie unzweifelhaft einer Anregung in ein $\pi^*$ zugeordnet werden kann. Die Resultate führen zu der Interpretation, dass für einige organische Molekülkristalle mehr als reine Van-der-Waals Wechselwirkung berücksichtigt werden muss. Insgesamt zeigt sich, dass die intramolekulare Wechselwirkung in NEXAFS Spektren eine Ankopplung an eine oder wenige vibronische Progressionen bevorzugt. Dabei können die elektronischen Anregungen wegen der delokalisierten Elektronensysteme auch vibronischen Zustände anregen, die nicht an dem angeregten Kohlenstoff Atom lokalisiert sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Kondensation der Moleküle in Filmen zu Änderungen im Spektrum führt. Der Einfluss der intermolekularen Wechselwirkung lässt sich daran deutlich erkennen, wobei es deutliche Hinweise gibt, dass mehr als reine van der Waals Bindung zur Erklärung berücksichtigt werden muss.

Lungenkrebs ist die führende Todesursache unter den Krebstodesfällen. Vor allem in späten Stadien diagnostizierter Lungenkrebs ist schwer zu behandeln und mit einer schlechten Prognose vergesellschaftet. Daher ist es wünschenswert, die Tumorerkrankung möglichst früh zu diagnostizieren und idealerweise in einem Screening-Test finden zu können. In der hier vorliegenden Studie wollten wir die Frage klären, ob ein von der Firma Sony neu entwickeltes Messverfahren SonyNose-G2_SN8 für die Untersuchung von Atemluft und für die Diagnose von Lungentumoren geeignet ist. Für die Studie wurden Atemproben von insgesamt 124 Probanden gesammelt, davon 65 gesunde Studienteilnehmer, 43 Patienten mit histologisch gesichertem Lungenkrebs, 10 Patienten mit COPD und 6 Studienteilnehmern mit nicht lungenkrebsspezifischen Raumforderungen. Die Atemproben wurden innerhalb von 20 Minuten nach Probennahme analysiert. Als Referenz zur getesteten Atemprobe wurde ein Luftgemisch aus gereinigter Luft mit 50%-iger Luftfeuchtigkeit verwendet. Technisch handelt es sich bei der Auswertung um eine gaschromathographische Prüfmethode. Außerdem wurden zusätzliche Atemproben von den Patienten bzw. Probanden gesammelt, um diese mittels GC-MS-Messungen auf ihre volatilen organischen Bestandteile hin zu überprüfen. In den GC-MS-Untersuchungen der Atemproben konnten 263 verschiedene chemische Verbindungen identifiziert werden. Davon konnten 20 Substanzen ermittelt werden, die sich signifikant zwischen der Gruppe „Gesund“ und der Gruppe „Lungenkrebs“ unterschieden. Diese Substanzen könnten sich folglich als Marker für den Lungenkrebs eignen. Weitere Untersuchungen sind zur Überprüfung dieser Hypothese jedoch erforderlich. Nicht zuletzt aufgrund von Problemen mit der Stabilität einzelner Sensoren, war es mit der SonyNose-G2_SN8 nicht möglich, zwischen Lungenkrebs-Patienten, Patienten mit COPD und gesunden Probanden zu unterscheiden. Das getestete Gerät eignet sich also nicht für das Lungenkrebs-Screening im klinischen Einsatz. Auch nach der hier vorliegenden Untersuchung bleibt offen, ob Analyseverfahren zur Atemluftdiagnostik als Screening-Methode zur Früherkennung von Lungenkrebs grundsätzlich geeignet sind. Der Einsatz der gaschromatographischen-massenspektrometrischen Untersuchungsmethode ist für die Routinediagnostik derzeit noch zu zeitaufwendig und zu teuer. Die Identifikation möglicher krebsspezifischer volatiler organischer Verbindungen in der Atemluft von Patienten bleibt für die Forschung weiterhin eine offene und vielversprechende Thematik. / Lung cancer (LC) is the leading cause of cancer death worldwide. Results of therapeutic interventions are not satisfying because the disease is diagnosed in an advanced stage in more than 50% of the patients. Early diagnosis is limited by the fact that the disease usually develops asymptomatically and no screening methods are available. Previous studies have shown correlations between the chemical composition of the exhaled breath of an individual and the presence of LC. The Sony Materials Science Laboratory developed the "electronic nose" SonyNose-G2_SN8 for breath analysis that was tested in a clinical study to evaluate its suitability for LC diagnosis. The SonyNose was tested in a prospective clinical study (proof of concept study). The study was approved by the Etics committee of the University of Tuebingen [project 010/2012BO1). Breath samples from patients with COPD or suspected LC and from healthy individuals were collected. Inclusion criteria were males and females, aged 18-80 yrs, and signed informed consent. Exclusion criteria were suspected or confirmed malignant disease other than lung cancer, previous thoracic surgery and any medical interventions at the chest or the airways within the preceding 14 days. The study participants were classified into four groups: Group A- healthy; Group B-lung cancer; Group C-COPD; Group D-non malignant pulmonary nodule. The decision whether a patient was assigned to the cancer group B was made on the basis of histology of a tumour biopsy or the resected tumour after breath sample analysis. Breath samples were collected in gas sampling bulbs ("gas mouse") provided by Sony. Two gas mice were obtained per person. Reference bulbs were filled with a standardized gas. Additionally, cylindrical glass tubes that have been applied in a successful previous study of Prof. Walles were used for breath sampling. The gas mice were analyzed within 20 min at the Schillerhoehe Hospital using the SonyNose. The glass tubes were stored up and analyzed by gas-chromatography and mass spectrometry (GC-MS) at the Sony Materials Science Laboratory. Altogether, 124 participants were enrolled: 65 healthy individuals (group A), 43 patients with histologically confirmed LC (group B), 10 patients with COPD (group C) and 6 patients with non malignant pulmonary nodules. Breath sample analysis using the SonyNose revealed an instability of the sensor array. Some sensors had to be replaced in the course of the experiments. Intra-individual controls that were performed by testing the same patient repeatedly showed a very high intra-individual variation of the sensor signal and a very low reproducibility. GC-MS analysis were performed in only 27 individuals, because the R&D agreement was cancelled in the course of the study (Group A:9; Group B:11; Group C:1; Group D:6). In the analyzed breath samples, 263 different compounds were identified. In Group B 20 compounds showed a different distribution pattern than in other groups. Of these, 6 have been described as LC associated in previous studies. The small number of tested individuals restricts a conclusive assessment of the generated data. The SonyNose-G2_SN8 is not suitable for a clinical breath sample analysis in the technical configuration tested in our study. GC-MS measurements revealed 20 potential candidates for LC specific markers in the breath of patients. However, the small number of tested individuals limits the validity of our analysis.

In this thesis, thin-film solar cells on the basis of Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) were investigated. Until today, most high efficient CIGSSe-based solar cells use a toxic and wetchemical deposited CdS buffer layer, which doesn’t allow a dry inline production. However, a promising and well-performing alternative buffer layer, namely indium sulfide, has been found which doesn’t comprise these disadvantages. In order to shed light on these well-performing devices, the surfaces and in particular the interfaces which play a major role for the charge carrier transport are investigated in the framework of this thesis. Both, the chemical and electronic properties of the solar cells’ interfaces were characterized. In case of the physical vapor deposition of an InxSy-based buffer layer, the cleaning step of the CdS chemical-bath deposition is not present and thus changes of the absorber surface have to be taken into account. Therefore, adsorbate formation, oxidation, and segregation of absorber elements in dependence of the storing temperature and the humidity are investigated in the first part of this thesis. The efficiencies of CIGSSe-based solar cells with an InxSy buffer layer depend on the nominal indium concentration x and display a maximum for x = 42 %. In this thesis, InxSy samples with a nominal indium concentration of 40.2% ≤ x ≤ 43.2% were investigated by surface-sensitive and surface-near bulk-sensitive techniques, namely with photoemission spectroscopy (PES) and x-ray emission spectroscopy (XES). The surfaces of the films were found to be sulfur-poor and indium-rich in comparison with stoichiometric In2S3. Moreover, a direct determination of the band alignment at the InxSy/CISSe interface in dependence of the nominal indium concentration x was conducted with the help of PES and inverse PES (IPES) and a flat band alignment was found for x = 42 %. In order to study the impact of a heat treatment as it occurs during subsequent cell process steps, the indium sulfide-buffered absorbers were annealed for 30 minutes under UHV conditions at 200 °C after the initial data set was taken. Besides a reported enhanced solar cell performance, a significant copper diffusion from the absorber into the buffer layer takes place due to the thermal treatment. Accordingly, the impact of the copper diffusion on the hidden InxSy/CISSe interface was discussed and for x = 40.2% a significant cliff (downwards step in the conduction band) is observed. For increasing x, the alignment in the conduction band turns into a small upwards step (spike) for the region 41% ≤ x ≤ 43.2%. This explains the optimal solar cell performance for this indium contents. In a further step, the sodium-doped indium sulfide buffer which leads to significantly higher efficient solar cells was investigated. It was demonstrated by PES/IPES that the enhanced performance can be ascribed to a significant larger surface band gap in comparison with undoped InxSy. The occurring spike in the Na:InxSy/CISSe band alignment gets reduced due to a Se diffusion induced by the thermal treatment. Furthermore, after the thermal treatment the sodium doped indium sulfide layer experiences a copper diffusion which is reduced by more than a factor of two compared to pure InxSy. Next, the interface between the Na:InxSy buffer layer and the i-ZnO (i = intrinsic, non-deliberately doped), as a part of the transparent front contact was analyzed. The i-ZnO/Na:InxSy interface shows significant interdiffusion, leading to the formation of, e.g., ZnS and hence to a reduction of the nominal cliff in the conduction band alignment. In the last part of this thesis, the well-established surface-sensitive reflective electron energy loss spectroscopy (REELS) was utilized to study the CIGSSe absorber, the InxSy buffer, and annealed InxSy buffer surfaces. By fitting the characteristic inelastic scattering cross sections λK(E) with Drude-Lindhard oscillators the dielectric function was identified. The determined dielectric functions are in good agreement with values from bulk-sensitive optical measurements on indium sulfide layers. In contrast, for the chalcopyrite-based absorber significant differences appear. In particular, a substantial larger surface band gap of the CIGSSe surface of E^Ex_Gap = (1.4±0.2) eV in comparison with bulk values is determined. This provides for the first time an independent verification of earlier PES/IPES results. Finally, the electrons’ inelastic mean free paths l for the three investigated surfaces are compared for different primary energies with theoretical values and the universal curve. / Die vorliegende Arbeit untersucht Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe). Um hohe Effizienzen bei CIGSSe-basierten Solarzellen zu erreichen, wurde bisher meist eine toxische und schlecht in einen Vakuumprozess integrierbare nasschemische CdS Pufferschicht verwendet. Mit Indiumsulfid konnte stattdessen eine vielversprechende alternative Pufferschicht gefunden werden, die diese nachteiligen Eigenschaften von CdS nicht aufweist und Solarzellen mit diesem Puffermaterial zeigen gute bis sehr gute Wirkungsgrade. Um die Ursachen der guten Leistungen herauszufinden, wurden die in der Solarzelle vorkommenden Oberflächen und Grenzflächen, die für den Ladungstransport eine zentrale Rolle spielen, Schritt für Schritt als Modellsysteme charakterisiert. Für einen InxSy-basierten Puffer, der durch die physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, fehlt der Reinigungsprozess der Absorberoberflächen durch die nasschemische CdS Abscheidetechnik. Deshalb müssen Adsorbatbildung, Oxidation und Segregation von Absorberelementen die innerhalb der ersten Tage nach der Herstellung auftreten (je nach Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur der Umgebung) berücksichtigt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden solche Einflüsse auf die Oberfläche des Absorbers untersucht. Zellen mit einem Indiumsulfidpuffer zeigen Wirkungsgrade, die von der nominellen Indiumkonzentration x abhängen und bei x = 42% ein Optimum aufweisen. Eine stöchiometrische Analyse der InxSy Oberflächen ergab für 40.2% ≤ x ≤ 43.2% eine schwefelarme bzw. indiumreiche Oberfläche im Vergleich zu stöchiometrischem In2S3 (40% In und 60% S). Allerdings zeigen die untersuchten Proben für verschiedene Indiumkonzentrationen im Rahmen der oberflächensensitiven Photoemission (PES) und volumensensitiven Röntgenemission (XES) keine quantitativen Unterschiede. Mit Hilfe der PES und inversen PES (IPES) wurde der Bandverlauf an der InxSy/CISSe Grenzfläche in Abhängigkeit von der Indiumkonzentration untersucht und für x = 42% konnte ein flacher Bandverlauf ermittelt werden. Um den Einfluss des im Herstellungsprozess vorkommenden Temperaturschritts zu untersuchen, wurden die Proben für 30 Minuten auf 200 °C geheizt. Dabei konnte eine signifikante Diffusion von Kupfer aus dem Absorber in den Puffer beobachtet werden. Der Temperaturschritt führt neben der bereits bekannten Effizienzerhöhung vor allem zu einer Verringerung der Bandlücke des Puffers. Der Einfluss der Kupferdiffusion auf die verborgene InxSy/CISSe Grenzfläche wurde analysiert und für x = 40:2% wurde ein deutlicher "Cliff" (Stufe im Leitungsband nach unten) gefunden. Für Indiumkonzentrationen 41% ≤ x ≤ 43.2% wurde ein kleiner "Spike" (Stufe im Leitungsband nach oben) identifiziert, was dabei im Einklang mit den optimalen Wirkungsgraden ist. In einem weiteren Schritt wurde ein mit Natrium dotierter Indiumsulfidpuffer Na:InxSy, der verbesserte Wirkungsgrade zeigt, untersucht. Diese konnte zum einen auf eine deutlich vergrößerte Oberflächenbandlücke des Puffers zurückgeführt werden. Zum anderen wurde nach dem Temperaturschritt im Vergleich zu dem InxSy Puffer eine um den Faktor zwei verringerte Kupferdiffusion an der Oberfläche festgestellt. Des Weiteren konnte bei dem Temperaturschritt eine Diffusion von Selen festgestellt werden, die den vor dem Temperaturschritt vorhandenen "Spike" im Leitungsbandverlauf verringert. Nach dem Aufbringen der i-ZnO Schicht (i = intrinsisch, nicht absichtlich dotiert) als Teil des Frontkontakts auf den Na:InxSy Puffer, wurden Durchmischungseffekte an der i-ZnO/Na:InxSy Grenzfläche gefunden. Im weiteren Verlauf zeigte sich, dass der nominell auftretende "Cliff" zwischen i-ZnO und Na:InxSy durch die Bildung von ZnS reduziert bzw. vernachlässigt werden kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde die etablierte oberflächensensitive reflektive Elektronenenergieverlustspektroskopie auf die Absorber- sowie Indiumsulfidoberflächen angewandt. Die ermittelten inelastisch gestreuten Verlustspektren λK(E) wurden mit dem Drude-Lindhard Modell simuliert und somit die dielektrische Funktion der jeweiligen Oberflächen bestimmt. Ein Vergleich mit volumensensitiven optischen Werten zeigt für die InxSy Schichten eine gute Übereinstimmung. Bei der CIGSSe Oberfläche konnten hingegen signifikante Unterschiede festgestellt werden. Dabei wurde erstmals die Oberflächenbandlücke eines Cu(In,Ga)(S,Se)2 Absorbers unabhängig von PES/IPES zu E^Ex_Gap = (1.4 ±0.2) eV verifiziert. Abschließend wurden die mittleren freien Weglängen der Elektronen l für die drei untersuchten Oberflächen für unterschiedliche Energien mit theoretischen Werten und der universellen Kurve verglichen.