This paper is an explorative interaction design study focusing on the development of a wearable device for enhanced learning of bodily skills. It uses a variation of technology scouting and matchmaking to explore possible technologies related to assistive technology for learning. Semi-structured interviews were conducted with people in the concerned fields and analysis of the interviews resulted in insights that could inform the development of the design. Research findings suggest that a wearable learning system that leverages AI to guide and assist learning of bodily skills through a haptic interface could be possible with current technology. The paper proposes a schematic diagram of the system, UX goals and evaluates user attitudes towards such a system. Overall, this design study could serve as a resource for future development of AI-assisted education for activities involving bodily movement.

Doctor of Philosophy (PhD) / With improvements in actuation technology and sensory systems, it is becoming increasingly feasible to create powered exoskeletal garments that can assist with the movement of human limbs. This class of robotics referred to as human-machine interfaces will one day be used for the rehabilitation of paralysed, damaged or weak upper and lower extremities. The focus of this project was the development of an exoskeletal interface for the rehabilitation of the hands. A novel sensor was designed for use in such a device. The sensor uses simple optical mechanisms centred on a spring to measure force and position simultaneously. In addition, the sensor introduces an elastic element between the actuator and its corresponding hand joint. This will allow series elastic actuation (SEA) to improve control and safely of the system. The Hand Rehabilitation Device requires multiple actuators. To stay within volume and weight constraints, it is therefore imperative to reduce the size, mass and efficiency of each actuator without losing power. A method was devised that allows small efficient actuating subunits to work together and produce a combined collective output. This work summation method was successfully implemented with Shape Memory Alloy (SMA) based actuators. The actuation, sensory, control system and human-machine interface concepts proposed were evaluated together using a single-joint electromechanical harness. This experimental setup was used with volunteer subjects to assess the potentials of a full-hand device to be used for therapy, assessment and function of the hand. The Rehabilitation Glove aims to bring significant new benefits for improving hand function, an important aspect of human independence. Furthermore, the developments in this project may one day be used for other parts of the body helping bring human-machine interface technology into the fields of rehabilitation and therapy.

Doctor of Philosophy (PhD) / With improvements in actuation technology and sensory systems, it is becoming increasingly feasible to create powered exoskeletal garments that can assist with the movement of human limbs. This class of robotics referred to as human-machine interfaces will one day be used for the rehabilitation of paralysed, damaged or weak upper and lower extremities. The focus of this project was the development of an exoskeletal interface for the rehabilitation of the hands. A novel sensor was designed for use in such a device. The sensor uses simple optical mechanisms centred on a spring to measure force and position simultaneously. In addition, the sensor introduces an elastic element between the actuator and its corresponding hand joint. This will allow series elastic actuation (SEA) to improve control and safely of the system. The Hand Rehabilitation Device requires multiple actuators. To stay within volume and weight constraints, it is therefore imperative to reduce the size, mass and efficiency of each actuator without losing power. A method was devised that allows small efficient actuating subunits to work together and produce a combined collective output. This work summation method was successfully implemented with Shape Memory Alloy (SMA) based actuators. The actuation, sensory, control system and human-machine interface concepts proposed were evaluated together using a single-joint electromechanical harness. This experimental setup was used with volunteer subjects to assess the potentials of a full-hand device to be used for therapy, assessment and function of the hand. The Rehabilitation Glove aims to bring significant new benefits for improving hand function, an important aspect of human independence. Furthermore, the developments in this project may one day be used for other parts of the body helping bring human-machine interface technology into the fields of rehabilitation and therapy.

Einleitung: Die Hände des medizinischen Personals gelten als wichtigste Übertragungsquelle von Krankheitserregern. Methicillin- und multiresistente Erreger stellen die Tiermedizin vor besondere Herausforderungen und limitieren therapeutische Optionen. Obwohl die chirurgische Händedesinfektion einen wichtigen und alltäglichen Bestandteil der Infektionsprävention darstellt, scheinen die Grundkenntnisse hierüber selbst bei chirurgischen Fachtierärzten gering zu sein. Studien haben gezeigt, dass 66 % der Chirurgen sich nicht an etablierte Standardprotokolle halten. Neben der Händedesinfektion stellen sterile OP-Handschuhe eine zusätzliche Barriere für die Übertragung von Bakterien dar. Allerdings sind perforierte Handschuhe mit einem höheren Risiko für postoperative Infektionen (SSI) verbunden, wobei die SSI-Rate in der Pferdechirurgie bis über 60 % reicht. Ziele der Untersuchungen: Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Erhebung der individuellen Gewohnheiten bei der Durchführung der chirurgischen Händedesinfektion in einer Pferdeklinik (Phase 1) und dem Vergleich der Keimreduktion mit einem Standardprotokoll (Phase 2). Ferner wurden die Proben auf Bakterienspezies gescreent, die SSI induzieren können. Darüber hinaus wurde die Rate von Handschuhperforationen bestimmt. Material und Methoden: Die Observation der individuellen Gewohnheiten (Phase 1) umfasste die Dauer der Händewaschung und -desinfektion, die genutzte Desinfektionsmittelmenge und Zusammenfassung 62 die Verwendung von Bürsten. Das Standardprotokoll in Phase 2 beinhaltete eine 1-minütige Händewaschung mit flüssiger, pH-neutraler Seife ohne Bürsten und die Händedesinfektion über 3 Minuten. Alle Teilnehmer (2 Chirurgen, 8 Klinikmitarbeiter, 32 Studenten) verwendeten Sterillium® für die Händedesinfektion. Die Gesamtkeimzahlen wurden jeweils vor und nach dem Händewaschen, nach der Desinfektion und nach der Operation bestimmt. Zur Probennahme wurden die Hände für 1 Minute in 100 ml sterile phosphatgepufferte Lösung getaucht und die Bakterienkulturen auf Columbia-Schafblutagar angezüchtet. Die Bakterienkolonien wurden manuell ausgezählt und die Bakterienspezies mittels MALDI-TOF identifiziert. Die Handschuhe wurden postoperativ mit einem modifizierten Wasser-Leck-Test auf Perforationen untersucht. Ergebnisse: In Phase 1 und Phase 2 wurden 46 bzw. 41 Händedesinfektionen durchgeführt. Die individuellen Gewohnheiten unterschieden sich deutlich zwischen den Teilnehmern hinsichtlich der Dauer des Händewaschens (bis zu 8 min) und der Desinfektion, sowie der Menge des verwendeten Desinfektionsmittels (bis zu 48 ml). Die Dauer des Händewaschens in Phase 1 und 2 zeigte keinen statistisch signifikanten Effekt auf die Bakterienreduktion. Bei Verwendung des Standardprotokolls war die Reduktion der Keimzahlen nach der Desinfektion im Vergleich zur täglichen Routine signifikant höher (p < 0.001). Die mittlere Reduktion in Phase 1 betrug 90,72 % (LR = 3,23; rechte Hand) und 89,97 % (LR = 3,28; linke Hand) im Vergleich zu 98,85 % (LR = 3,29; rechte Hand) und 98,92 % (LR = 3,47; linke Hand) in Phase 2. Bei acht Teilnehmern (19 %) wurde MRSA (spa Typ t011, CC398) nachgewiesen. Die MRSA-Isolate konnten ferner einer Subpopulation zugeordnet werden, die besonders mit Pferdekliniken assoziiert wurde (hauptsächlich t011, ST398, Gentamicin-resistent). Handschuhperforationen traten bei 54 % (Chirurgen) bzw. 17 % (Assistenten) der Handschuhe auf, wobei eine höhere Prävalenz bei invasiven Eingriffen und Operationen mit einer Dauer von > 60 Minuten vorlag. Die Mehrheit (85 %) der Perforationen blieben vom Operationsteam unbemerkt, wobei Zeigefinger und Daumen die am häufigsten punktierten Stellen waren. Insgesamt nahmen die Bakterienzahlen an den Händen im Laufe der Zeit erneut zu, insbesondere wenn eine Handschuhperforation auftrat. Schlussfolgerung: Die Einhaltung eines Standardprotokolls nach neuestem Stand der Wissenschaft trägt zu einer quantitativ höheren und gleichmäßigeren Keimreduktion beider Hände bei. Die Implementierung eines standardisierten Händedesinfektionsplans sichert die Qualität der aseptischen Maßnahme und ist besonders für die Ausbildung und Schulung von Studenten mit geringer chirurgischer Erfahrung unerlässlich.:1 Einleitung ............................................................................................................................ 1 2 Literaturübersicht ............................................................................................................... 3 2.1 Residente und transiente Hautflora ............................................................................. 3 2.2 Asepsis und Antisepsis ............................................................................................... 4 2.3 Grundlagen und allgemeine Voraussetzungen für eine effektive Händehygiene ......... 4 2.4 Händewaschung .......................................................................................................... 5 2.4.1 Limitationen der Händewaschung ........................................................................ 5 2.5 Händedesinfektion ....................................................................................................... 6 2.5.1 Historie der Händedesinfektion ............................................................................ 6 2.5.2 Hygienische Händedesinfektion ........................................................................... 8 2.5.3 Chirurgische Händedesinfektion .......................................................................... 8 2.5.4 Aliphatische Alkohole ......................................................................................... 10 2.5.5 Dauer und Wirksamkeit der chirurgischen Händedesinfektion .......................... 12 2.5.6 Compliance ........................................................................................................ 13 2.5.7 Zulassung und Prüfung von Händedesinfektionsmitteln .................................... 15 2.6 Nosokomiale Infektionen, Surgical Site Infections (SSI) ........................................... 16 2.6.1 Staphylococcus aureus ...................................................................................... 18 2.6.1.1 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) ................................... 18 2.7 Handschuhe .............................................................................................................. 21 2.7.1 Nutzen und Limitationen von Handschuhen ...................................................... 21 3 Veröffentlichung ............................................................................................................... 24 3.1 Eigenanteil zur Veröffentlichung ................................................................................ 24 3.1.1 Publikation ......................................................................................................... 26 4 Diskussion ........................................................................................................................ 50 5 Zusammenfassung ........................................................................................................... 61 6 Summary .......................................................................................................................... 63 7 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 65 Danksagung .............................................................................................................................. 79 / Introduction: Hands of medical personnel are considered the most important source of pathogen transmission. Methicillin- and multiresistant strains of pathogens provide particular challenges to veterinary medicine and limit therapeutic options. Surgical hand disinfection is a major aspect of infection prevention, but basic knowledge seems to be low, even among specialized veterinary surgeons. Studies revealed that 66 % of surgeons do not adhere to established standard protocols. Besides hand disinfection, sterile surgical gloves provide an additional barrier to the transmission of bacteria. However, perforated gloves are associated with a higher risk of surgical site infections (SSI), with an SSI rate in equine surgery exceeding 60 %. Objective: The major objectives were to assess current habits for presurgical hand preparation (phase 1) among personnel in a veterinary equine hospital and to compare the effectiveness in reducing bacteria from hands with a standardized protocol (phase 2). Moreover, samples were screened for bacteria known to cause surgical site infection. The rate of glove perforation was determined, additionally. Material and methods: Individual habits were recorded with regards to the time taken for washing and disinfecting hands, the amount of disinfectant used, as well as the usage of brushes (Phase 1). In contrary to the personal habits, the applied standardized protocol (Phase 2) defined washing hands for 1 minute with liquid neutral soap without brushing and disinfection for Summary 64 3 minutes. All participants (2 surgeons, 8 clinic members, 32 students) used Sterillium® for disinfection. Total bacterial counts were determined before and after hand washing, after disinfection and after surgery. In brief, hands were immersed in 100 ml sterile phosphate-buffered saline for 1 minute and cultures were inoculated onto Columbia sheep blood agar using the spread-plate method. Bacterial colonies were manually counted. Surgical gloves were investigated for perforations after surgery using a modified water leak test. Results: Fourty-six and 41 hand disinfection preparations were carried out during phase 1 and phase 2, respectively. Individual habits differed distinctly between participants regarding the duration of handwashing (up to 8 min) and disinfection as well as the amount of disinfectant used (up to 48 ml). The duration of hand washing in phase 1 and 2 revealed no statistically significant effect on reducing bacteria. In contrary, using the standardized protocol in phase 2, reduction in bacterial numbers after disinfection was significantly higher (p < 0.001) compared to current habits. The mean reduction in phase 1 was 90.72 % (LR = 3.23; right hand) and 89.97 % (LR = 3.28; left hand) compared to 98.85 % (LR = 3.29; right hand) and 98.92 % (LR = 3.47; left hand) in phase 2. Eight participants (19 %) carried MRSA (spa type t011, CC398) which is well established as a nosocomial pathogen in veterinary clinics. The isolates were further assigned to a subpopulation which is particularly associated with equine clinics (mainly t011, ST398, gentamicin-resistant). Glove perforation occurred in 54 % (surgeons) and 17 % (assistants) of gloves, respectively, with a higher number in invasive procedures and operations lasting > 60 minutes. The majority (85 %) of perforations was unnoticed by the surgical team, with index fingers and thumbs most frequently affected. Overall, bacterial numbers on hands mainly increased over time during surgery, especially when glove perforation occurred. Conclusion: Adherence to state-of-the-art standardized protocols contributes to a quantitatively higher and constant germ reduction on both hands. The implementation of a standardized hand disinfection protocol ensures a high quality of aseptic measures and is essential for the education and training of students with little surgical experience.:1 Einleitung ............................................................................................................................ 1 2 Literaturübersicht ............................................................................................................... 3 2.1 Residente und transiente Hautflora ............................................................................. 3 2.2 Asepsis und Antisepsis ............................................................................................... 4 2.3 Grundlagen und allgemeine Voraussetzungen für eine effektive Händehygiene ......... 4 2.4 Händewaschung .......................................................................................................... 5 2.4.1 Limitationen der Händewaschung ........................................................................ 5 2.5 Händedesinfektion ....................................................................................................... 6 2.5.1 Historie der Händedesinfektion ............................................................................ 6 2.5.2 Hygienische Händedesinfektion ........................................................................... 8 2.5.3 Chirurgische Händedesinfektion .......................................................................... 8 2.5.4 Aliphatische Alkohole ......................................................................................... 10 2.5.5 Dauer und Wirksamkeit der chirurgischen Händedesinfektion .......................... 12 2.5.6 Compliance ........................................................................................................ 13 2.5.7 Zulassung und Prüfung von Händedesinfektionsmitteln .................................... 15 2.6 Nosokomiale Infektionen, Surgical Site Infections (SSI) ........................................... 16 2.6.1 Staphylococcus aureus ...................................................................................... 18 2.6.1.1 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) ................................... 18 2.7 Handschuhe .............................................................................................................. 21 2.7.1 Nutzen und Limitationen von Handschuhen ...................................................... 21 3 Veröffentlichung ............................................................................................................... 24 3.1 Eigenanteil zur Veröffentlichung ................................................................................ 24 3.1.1 Publikation ......................................................................................................... 26 4 Diskussion ........................................................................................................................ 50 5 Zusammenfassung ........................................................................................................... 61 6 Summary .......................................................................................................................... 63 7 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 65 Danksagung .............................................................................................................................. 79

This work describes exceptional properties of McKibben pneumatical muscle and introduces its state-of-the-art model. The mathematical model is extended especially in a field of a thermodymical behavior. A new model applies a method used for describing of a thermodynamical behavior of pneumatic cylinders until now. This method is significantly upgraded to fit a muscle behavior, particularly by considering a heat generated by a muscle internal natural friction. The model is than verified and discussed with a real system. The haptic part introduces a development and design of a haptic glove interface for the use in robotics, especially in telepresence, or in VR. The force and touch feedback is provided by Pneumatic Muscles controlled by an open loop algorithm using the introduced mathematical model. The design is light and compact.

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Environ 75 % des personnes ayant eu un accident vasculaire cérébral (AVC) sont atteintes de déficiences sensorimotrices à la main qui persistent après la réadaptation fonctionnelle intensive. Pour optimiser la récupération de ces personnes, un programme de réadaptation basé sur la pratique intensive de tâches spécifiques inspirées de la vie quotidienne (ex : la préhension) et couplée avec différentes rétroactions, est recommandé. Ces tâches doivent contenir un certain niveau de difficulté, doivent être progressivement adaptées, et impliquer une participation active de la personne. Toutefois, la mise en œuvre d’un tel programme est parfois entravée par des contraintes clinico-administratives. Dans cette perspective, l'utilisation de gants souples robotisés couplés à un environnement de réalité virtuelle, en complément à la thérapie conventionnelle et supervisée de manière indirecte par des professionnels, représente une solution prometteuse. L'objectif général de cette thèse vise la poursuite du développement d’une intervention technologique émergente utilisant un gant souple robotisé pour intensifier la réadaptation sensorimotrice de la main après un AVC. Pour ce faire, trois étapes ont été déployées dans le présent doctorat : La première visait, par l’intermédiaire d’une étude mixte, à évaluer la facilité d'utilisation et l'utilité perçue d'un prototype de gant souple robotisé pour optimiser la fonction de la main post-AVC auprès de 14 ergothérapeutes experts. Cette première étude confirme que les ergothérapeutes perçoivent positivement le gant souple robotisé en tant qu'outil de réadaptation et suggère de tenir compte de certains facteurs, se rattachant notamment aux différents domaines de la Théorie unifiée de l'acceptation et de l'utilisation des technologies (UTAUT) (c.-à-d. utilité perçue, facilité d’utilisation perçue, influence sociale, conditions facilitantes) dans la poursuite de son développement. La deuxième visait, par l’intermédiaire d’une étude mixte avec approche de conception centrée sur l’utilisateur, à co-développer une interface d'exploitation supportant l'utilisation d'un gant souple robotisé couplé à un environnement virtuel, et d’en évaluer sa facilité d'utilisation auprès de 14 personnes atteintes d’hémiparésie de la main à la suite d’un AVC. Cette deuxième étude confirme que cette interface d'exploitation présente un haut niveau d’utilisabilité (moyenne=87,0/100; SD=11,6) au « System Usability Scale ». De plus, 74 recommandations visant à améliorer l'interface d'exploitation, ses 3 fonctionnalités, et ses exercices ont été formulés au cours de deux cycles itératifs, aboutissant à des améliorations subséquentes à la version préliminaire. La troisième visait, par l’intermédiaire d’une étude préliminaire de faisabilité, à évaluer la faisabilité, la sécurité, les effets préliminaires et la satisfaction du nouveau programme d'exercices co-développé à l’étape précédente combinant le gant souple robotisé et l'environnement de réalité virtuelle auprès de 11 personnes atteintes d’hémiparésie de la main à la suite d’un AVC récent. Cette troisième étude confirme la faisabilité du programme, avec des taux d'assiduité et de conformité atteignant respectivement 96 % et 95 %. Elle démontre également une augmentation notable du nombre de répétitions de mouvement de la main dépassant les 2543 répétitions sur deux semaines (médiane des répétitions/séance = 260) avec un soutien professionnel minimal (indépendance médiane acquise en six séances). De plus, des améliorations individuelles, allant au-delà des changements minimaux détectables ou importants sur le plan clinique de différents tests fonctionnels (ex : ARAT, FMA-UE, BBT et ABILHAND), sont mesurées, ainsi qu’un niveau de satisfaction élevé vis-à- vis du programme (médiane = 5/5). L’engagement dans un processus d'amélioration continu est essentiel pour maximiser l'utilité et la facilité d'utilisation du nouveau programme d’exercices. La combinaison du gant souple robotisé et de son environnement de réalité virtuelle, développée dans le cadre de cette thèse, est perçue par les ergothérapeutes et les personnes ayant eu un AVC comme acceptable et utile pour intensifier la neuroréadaptation. De plus, ce nouveau programme d'exercices est faisable, sécuritaire, bénéfique et satisfaisant pour les utilisateurs finaux ciblés. Un futur essai contrôlé randomisé multicentrique est suggéré pour évaluer son efficacité (effet de supériorité) et envisager son intégration dans les milieux cliniques. / Approximately 75% of individuals who have had a stroke experience sensorimotor impairments in their hand that persist beyond their discharge from intensive functional rehabilitation. To optimize recovery, a program based on repetition, intensity, task specificity and the combination of various sensory feedback mechanisms is recommended. However, implementing these recommendations in clinical practice is often hindered by clinical and administrative constraints. From this perspective, the use of soft robotic gloves, coupled with a virtual reality environment as an adjunct to conventional therapy and indirectly supervised by professionals, represents a promising intervention. The overarching goal of this thesis is to further develop an emerging technological intervention, based on key neuroplasticity principles, to enhance sensorimotor hand rehabilitation post-stroke. To achieve this, three phases were deployed in this doctoral research program. The first phase aimed to assess the ease of use and perceived utility of a soft robotic glove prototype for post-stroke hand function recovery among 14 expert occupational therapists (OTs) via a mixed-method study. This initial study confirmed positive perceptions towards the soft robotic glove among OTs and suggested considering factors related to the Unified Theory of Acceptance and Use of Technology (UTAUT) (i.e. performance expectancy, effort expectancy, social influence, facilitating conditions) in its ongoing development. The second phase aimed to co-develop an operating interface supporting the use of a soft robotic glove coupled with a virtual environment and assess its usability among 14 individuals with hand hemiparesis post-stroke through a mixed-method study using a user-centered design approach. This study confirmed the high usability of the co-developed operating interface (mean=87.0; SD=11.6) on the System Usability Scale. Additionally, from two iterative cycles, 74 recommendations for interface, functionality, and exercise improvements were formulated, leading to subsequent enhancements to the preliminary version of the glove and software. 5 The third phase aimed to evaluate the feasibility, safety, preliminary effects, and security of the newly co-developed exercise program involving a soft robotic glove and a virtual reality environment among 11 individuals with hand hemiparesis following a recent stroke through a randomized feasibility study. This study confirmed the feasibility of the program, with attendance and compliance rates reaching 96% and 95%, respectively. It also demonstrates a significant increase in the number of hand movement repetitions performed by participants (exceeding 2543 over two weeks (median repetitions/session = 260) with minimal professional supervision (median independence achieved in six sessions). Furthermore, individual improvements beyond minimal detectable or clinically important changes were detected on various functional tests (e.g., ARAT, FMA-UE, BBT, and ABILHAND), along with high satisfaction levels regarding the intervention (median = 5/5). Commitment to a continuous improvement process is crucial to maximize the utility and ease of use of this technological intervention. The combination of the soft robotic glove and virtual reality environment developed in this thesis were perceived as acceptable and useful by both OTs and individuals who had a recent stroke for enhancing neurorehabilitation. Moreover, the exercise program associated with this technology is feasible, safe, beneficial, and satisfying for individuals recently affected by a stroke. A future multicenter randomized controlled trial is suggested to evaluate its effectiveness and consider its integration into clinical settings.

Der hauptsächliche Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer kostengünstigen Methode zur Produktion von auf Silizium basierenden Dünnschicht-Solarzellen durch Sprühbeschichtung. Hier wird untersucht inwiefern sich diese Methode für die Herstellung großflächiger photovoltaische Anlagen eignet. Als Grundsubstanz für entsprechende Lacke werden Mischungen aus Organosilizium und nanokristallines Silizium verwendet. Eine Idee ist das Verwenden von Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen als Si-Precursor (Cyclo-, Poly-, Oligo- und Monosilane). In jedem Fall, Organosilizium und Silizium- Nanopartikel, ist eine Umwandlung durch äußere Energiezufuhr nötig, um die Precursor-Substanz in photovoltaisch nutzbares Silizium umzuwandeln. Die Versuchsreihen werden mithilfe photothermischer Umwandlung (FLA-„flash lamp annealing“, einige 1 J/cm² bei Pulslängen von einigen 100 μs) unter N2-Atmosphäre durchgeführt. Zur Bereitstellung eines auf Laborgröße skalierten Produktionsprozesses wurden ein Spraycoater, eine Heizplatte, ein Blitzlampensystem und ein In-Line Ellipsometer in einem Aufbau innerhalb einer Glovebox unter N2-Atmosphäre kombiniert. Die Gewinnung von Proben und deren Charakterisierung fand in enger Zusammenarbeit mit den beiden Arbeitsgruppen der anorganischen Chemie und der Koordinationschemie an der TU-Chemnitz statt. Die eingesetzten Charakterisierungsmethoden sind Raman-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung, Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und elektrische Charakterisierung wie die Aufnahme von Strom- Spannungs-Kennlinien und Widerstandsmessung per Vierpunktkontaktierung.

Der hauptsächliche Bestandteil dieser Arbeit ist die Entwicklung einer kostengünstigen Methode zur Produktion von auf Silizium basierenden Dünnschicht-Solarzellen durch Sprühbeschichtung. Hier wird untersucht inwiefern sich diese Methode für die Herstellung großflächiger photovoltaische Anlagen eignet. Als Grundsubstanz für entsprechende Lacke werden Mischungen aus Organosilizium und nanokristallines Silizium verwendet. Eine Idee ist das Verwenden von Silizium-Kohlenstoff-Verbindungen als Si-Precursor (Cyclo-, Poly-, Oligo- und Monosilane). In jedem Fall, Organosilizium und Silizium- Nanopartikel, ist eine Umwandlung durch äußere Energiezufuhr nötig, um die Precursor-Substanz in photovoltaisch nutzbares Silizium umzuwandeln. Die Versuchsreihen werden mithilfe photothermischer Umwandlung (FLA-„flash lamp annealing“, einige 1 J/cm² bei Pulslängen von einigen 100 μs) unter N2-Atmosphäre durchgeführt. Zur Bereitstellung eines auf Laborgröße skalierten Produktionsprozesses wurden ein Spraycoater, eine Heizplatte, ein Blitzlampensystem und ein In-Line Ellipsometer in einem Aufbau innerhalb einer Glovebox unter N2-Atmosphäre kombiniert. Die Gewinnung von Proben und deren Charakterisierung fand in enger Zusammenarbeit mit den beiden Arbeitsgruppen der anorganischen Chemie und der Koordinationschemie an der TU-Chemnitz statt. Die eingesetzten Charakterisierungsmethoden sind Raman-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung, Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und elektrische Charakterisierung wie die Aufnahme von Strom- Spannungs-Kennlinien und Widerstandsmessung per Vierpunktkontaktierung.:I Bibliographische Beschreibung II Abkürzungsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Dioden und Photodioden 3 2.1.1 Schottky-Dioden 3 2.1.1.1 Schottky-Kontakt oder Ohmscher Kontakt 3 2.1.1.2 Schottky-Barriere 3 2.1.1.3 Arbeitsweise der Schottky-Diode 5 2.1.1.4 Ladungstransport durch eine Schottky-Diode 6 2.1.2 Schottky-Photodioden 8 2.2 Solarzellen 9 2.2.1 Aufbau einer Solarzelle 10 2.2.2 Charakterisierung einer Solarzelle 10 2.3 Moderne Photovoltaik 12 2.4 Transparente leitfähige Oxide (TCO) 13 2.5 Ultraschalldüse und Sprühnebel 14 2.6 Blitzlampenbehandlung (FLA) 17 3 Methoden zur Charakterisierung 18 3.1 Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIRS) 18 3.2 Lichtstreuung an Materie 20 3.2.1 Raman-Spektroskopie 20 3.2.1.1 Klassische Deutung des Raman-Effektes 21 3.2.1.2 Quantenmechanische Deutung des Raman-Effektes 22 3.2.1.3 Räumlich eingeschränkte Phononen 23 3.3 Änderung der Lichtpolarisation an Materie 26 3.3.1 Fresnel-Formeln 26 3.3.2 Jones-Formalismus 27 3.3.3 Spektroskopische Ellipsometrie (SE) 27 3.4 Röntgenbeugung (XRD) 29 3.4.1 Kalibrierung des Einfallswinkels 31 3.4.2 Kristallitgröße 31 3.5 Elektronenmikroskopie (EM) 31 3.5.1 Transmissionselektronmikroskopie (TEM) 32 3.5.2 Rasterelektronenmikroskopie (SEM und EDX) 33 3.6 Rasterkraftmikroskopie (AFM) 34 4 Experimentelles 37 4.1 Prozessaufbauten 37 4.2 Messgeräte 39 4.3 Probenherstellung 40 4.3.1 Lösungen und Dispersionen 41 4.3.2 Sprühlack 41 4.3.3 Substratreinigung 42 4.3.4 Drop- und Spraycoating 42 4.3.4.1 Dropcoating und Rohrofenprozess 43 4.3.4.2 Sprühen und Blitzlampenbehandlung 43 4.4 Infrarotspektroskopie 46 4.4.1 DRIFT-Spektroskopie an Silizium-Nanopartikeln im MIR 47 4.4.2 DRIFT-Spektroskopie an Silizium-Precursoren im MIR 48 4.4.3 Transmissions- und Reflexionsspektroskopie an Si-Schichten im FIR 49 4.5 Lichtstreuung 49 4.5.1 Mie-Streuung an Silizium-Nanopartikeln 49 4.5.2 Raman-Streuung an Silizium-Precursoren und –Schichten 50 4.6 AFM an Silizium-Schichten 51 4.7 Elektronenmikroskopie 51 4.7.1 SEM und EDX an Silizium-Schichten und –Folien 52 4.7.2 TEM an Silizium-Nanopartikeln und –Folien 53 4.8 XRD an Silizium-Folien 54 4.9 Elektrische Messungen an Silizium-Schichten und –Folien 55 5 Ergebnisse und Diskussion 56 5.1 Silizium-Nanopartikel als Pulver 56 5.1.1 Dispersionen von Silizium-Nanopartikeln 56 5.1.2 Oxidationsgrad von Silizium-Nanopartikeln 58 5.1.3 Verteilung von Silizium-Nanopartikeln in getrocknetem Ethanol 61 5.2 Gesprühte Silizium-Nanopartikel 64 5.2.1 Ellipsmetrie als In-Line Prozessmethode im Spraycoating 64 5.2.2 Oberflächenrauheit von Schichten von Silizium-Nanopartikeln 66 5.2.3 Effekt des FLA auf Schichten von Silizium-Nanopartikeln 69 5.2.4 Simulationen zum Phonon-Confinement 74 5.3 Organosilizium als Silizium-Precursoren 80 5.3.1 Vorversuche: Zersetzung von Phenylsilanen im Rohrofen 80 5.3.2 Photothermische Zersetzung von Monosilanen durch FLA 82 5.4 Monosilane als Haftmittel zwischen Silizium-Nanopartikeln 89 5.4.1 Bestandteile des verwendeten Lacks 90 5.4.2 Filme hergestellt von Si-Nanopartikeln gemischt mit Si-Precursor 92 5.4.3 Folien hergestellt von Si-Nanopartikeln gemischt mit Si-Precursor 106 5.5 Realisierung von Diodenstrukturen 120 6 Zusammenfassung 124 Literaturverzeichnis Anhang