Organic solar cells have the potential to become a low-cost photovoltaic technology. One approach to further increase the device efficiency aimsvto cover the near-infrared region of the sunvspectrum. However, suitable absorber materials are rare. This thesis focuses on the material class of aza-bodipy and dibenzo-aza-bodipy as near-infrared absorber materials for organic solar cells. Besides the synthesis of novel thiophene-substituted aza-bodipys, azadiisoindomethenes were prepared by the addition of Grignard reagents to phthalodinitrile an subsequent reduction with formamide. Starting from these azadiisoindomethenes as precursors, complexes with borondifluoride, boroncatechole and transition metals were synthesized. The optical and electrochemical properties of all compounds prepared were investigated by experimental and theoretical methods. The (dibenzo-)aza-bodipys are characterized by their electronic structure, comprising a central electron acceptor core and peripheral electron donor units. The substituents at the donor units offer a stronger impact on the HOMO energy than on the LUMO energy. Electron donating substituents at the donor units result in an overall decreased HOMO-LUMO gap. This allows to redshift the absorption maximum up to 800 nm. The corresponding dibenzo-analogues already demonstrate a bathochromic shift of the absorption compared to the (non-annulated) aza-bodipys. Yet, the central acceptor is weakened and a further redshift by substituents is less distinct. The compounds can be thermally evaporated in high vacuum. The required thermal stability is increased in some cases by boroncatechol compared to borondifluoride complexes, without significant influence on the optical and electrochemical properties. Besides the characterization of the molecular properties, promising materials were evaluated in thin fifilms and solar cell devices. The charge carrier mobility in the measured compounds were found to be between 10E-6 and 10E-4 cm2V-1s-1. The charge transport parameters were calculated on the basis of obtained single crystal structures. It was found that a high charge carrier mobility may be attributed to a better molecular overlap and a short intermolecular distance in the corresponding solid state structure. Selected materials were characterized in organic solar cells. In solution processed devices, the dibenzo-aza-bodipys reached efficiencies of 1.6 % and 2.1 %, as donor materials in combination with PC61BM and PC71BM as acceptor. The main limiting factor in these devices turned out to be the low fill factor of 30 %. From a series of vacuum processed devices with aza-bodipys and dibenzo-aza-bodipys, increased voltages were obtained with decreasing HOMO energy of the bodipy derivatives. A suitable near-infrared absorbing dibenzo-aza-bodipy exhibited a contribution to the photocurrent from 750 - 950 nm. / Die organische Photovoltaik hat das Potential eine kostengünstige Solarzellentechnologie zu werden. Ein Ansatz die Effizienz weiter zu steigern besteht darin den aktiven Spektralbereich in den nahen Infrarotbereich zu erweitern. Bisher gibt es jedoch nur wenige geeignete Materialien. In dieser Arbeit werden Verbindungen aus der Materialklasse der Aza-Bodipy und Dibenzo-Aza-Bodipy als Absorbermaterialien für den nahen Infrarotbereich zur Verwendung in organischen Solarzellen untersucht. Neben der Synthese von neuen Thiophen-substituierten Aza-Bodipys wurden Azadiisoindomethine durch die Addition von Grignardverbindungen an Phthalodinitril und anschließender Reduktion mit Formamid dargestellt. Ausgehend von den Azadiisoindomethinen sind neue Bordifluorid, Borbrenzcatechin und Übergangsmetallkomplexe synthetisiert worden. Alle Substanzen sind mit experimentellen und theoretischen Methoden auf ihre optischen und elektrochemischen Eigenschaften hin untersucht worden. Die elektronische Struktur der (Dibenzo-)Aza-Bodipys ist charakterisiert durch periphere Elektronendonoreinheiten um einen zentralen Elektronenakzeptor. Die langwelligste Absorptionsbande kann in beiden Systemen durch Elektronen schiebende Gruppen an den Donoreinheiten bathochrom, auf über 800 nm verschoben werden. Die Ursache liegt in einem stärkeren Einfluss der Substituenten auf das HOMO als auf das LUMO und einem damit einhergehenden stärkeren Anstieg der HOMO-Energie woraus eine verkleinerte HOMO-LUMO Lücke resultiert. Die Dibenzo-Aza-Bodipys zeichnen sich durch eine rotverschobene Absorption gegenüber den (nicht benzannulierten) Aza-Bodipys aus. Jedoch ist der Akzeptor in den Dibenzo-Aza-Bodipys abgeschwächt, so dass die Rotverschiebung durch die selben Substituenten weniger stark ausgeprägt ist und die Energieniveaus tendenziell höher liegen. Die Verbindungen lassen sich thermisch im Vakuum verdampfen. Die für das Verdampfen wichtige thermische Stabilität, kann durch Austausch von Bordifluorid mit Borbrenzcatechol erhöht werden, ohne die optischen und elektronischen Eigenschaften wesentlich zu beeinflussen. Neben der Charakterisierung der molekularen Eigenschaften, sind einige Verbindungen im Dünnfifilm auf ihre elektrischen Eigenschaften und in Solarzellen untersucht worden. Die Ladungsträgerbeweglichkeit liegt bei den gemessenen Verbindungen zwischen 10E-6 und 10E-4 cm2V-1s-1. Durch Berechnung der Ladungstransportparameter auf Basis erhaltener Kristallstrukturen ist eine höhere Beweglichkeit auf eine günstigere Packung und einen geringeren intermolekularen Abstand zurückgeführt worden. Ausgewählte Verbindungen sind als Donormaterialien in organischen Solarzellen charakterisiert worden. Aus Lösungsmittel prozessierte Solarzellen mit Dibenzo-Aza-Bodipys erreichen eine Effifizienz von 1.6 % mit PC61BM, und 2.1 % mit PC71BM als Akzeptor. Der Effizienz limitierende Faktor ist hierbei der niedrige Füllfaktor von ca. 30 %. In vakuumprozessierten Solarzellen mit planarem Dono-Akzeptor-Übergang von Aza-Bodipys und Dibenzo-Aza-Bodipys hat sich gezeigt, dass die erhaltene Spannung mit abnehmender HOMO Energie der Materialien gesteigert wird. Ein geeignetes Dibenzo-Aza-Bodipy Material ist mit einen Beitrag zum Photostrom im nahen Infrarotbereich, von 750 - 950 nm, gezeigt worden.

Die in Blockcopolymeren beobachtete Mikrophasenseparation ermöglicht die Herstellung von periodischen Strukturen mit einer charakteristische Länge kleiner 100 nm. In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Blockcopolymerfilme als Template zur Herstellung von metallischen, keramischen bzw. polymeren Nanodots untersucht. Derartige Nanodots könnten in magnetischen Datenspeichern, Superkondensatoren oder als photonische Kristalle eingesetzt werden. / The microphase seregation observed in block copolymers enables the generation of mesoscopic structures with characteristic lengths below 100 nm on a large scale. In this thesis, thin block copolymer films were investigated as templates for the synthesis of metallic, ceramic and polymeric nanodots. Such nanodots could be used in magnetic data storage devices, supercapacitors or photonic crystals.

Diese Arbeit setzt sich mit der Gesamtheit des Antriebsstrangs vom Brennstoffzellen-Modul bis zum Rad auseinander. Hierfür wird das Verhalten der Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle als Einzelzelle und zusammengeschalten als Stack mithilfe eines vereinfachten Greybox-Modells in MATLAB/Simulink® beschrieben. Das Modell, welches zudem an ein idealisiertes aber aussagekräftiges Antriebsstrangmodell gekoppelt ist, erlaubt die Auslegung der Antriebskomponenten für konkrete Betriebsszenarien unter Variation der zu- und abgeführten Medien sowie der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Simulierte Drehmomentverläufe im berechneten Motorkennfeld mit effektivem Arbeitspunkt, Zwischenkreisspannungen und auftretende Verluste in den elektrischen Komponenten bieten die Grundlage, um bereits in der Entwicklungsphase das Zusammenwirken der Antriebskomponenten abzuschätzen und den Antriebsstrang für ein Demonstratorfahrzeug auslegen zu können. / This work addresses the entirety of the powertrain from the fuel cell module to the wheel. For this purpose, the behaviour of the low-temperature polymer electrolyte fuel cell as a single cell and assembled as a stack is described using a simplified greybox model in MATLAB/Simulink®. The model, which is also coupled to an idealized but conclusive powertrain model, allows the design of the powertrain components by varying the media supplied and discharged as well as the state variables temperature and pressure. Simulated torque progressions in the calculated engine characteristics with the effective operating point, DC link voltages and losses occurring in the electrical components provide the basis for estimating the interaction of the powertrain components in the development phase and for dimensioning the powertrain for a demonstrator vehicle.

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.

The dynamics of hydrogen gas bubbles growing during electrolysis in H 2 SO 4 on a Pt microelectrode are studied in detail by electrochemical, shadowgraphy and PIV methods. The bubble evolution under potentiostatic conditions is presented in terms of electric current, images and radius of the growing bubble, and the velocity profiles. It allowed to resolve the carpet of microbubbles underneath the growing bubble, the transition to a new oscillatory growth regime and a Marangoni convection around the bubble foot. To substantiate the effect of coalescence and of the electrostatic effect on the bubble departure diameter, a salt (sodium sulfate) was added to regulate the pH and the ionic strength of the electrolyte.

The manufacturing process of membrane electrode assembly (MEA) generally takes place under climate control, as the base material used for membranes is well known for its hygroscopic properties. The large climate-controlled area for the whole assembly line does not only increase energy consumption, but also limits the further scalability of the production line. Within this article, a micro-environment concept for the MEA production based on a roll-to-roll (R2R) process was investigated. By using the Finite Element Method, a 3D numerical model has been established, in which the local climate control on different MEA production processes is covered. In particular, the influence of humidity on dimensional changes of the CCM, which in turn cause product deformation, is simulated. In addition, a gravimetric method was used to experimentally investigate the moisture absorption and release behavior of the MEA components under defined climatic conditions.

Mesoscopic structures in liquids have an impact on the diffusion dynamics of the constituting molecules. Smectic 8CB liquid crystals on silicon wafers show the formation of mesoscopic structures on the μm scale at a film thickness of 200 nm. Depending on the kind of substrate (thermally grown or native SiOx), we observed the formation of focal conic domains (FCDs) and a new type of terraced holes, respectively. Dynamics are described via single perylene diimide tracer molecule tracking of translational diffusion and in the case of FCDs by a combination of translation and rotation detected via fluorescence correlation spectroscopy. Tailoring perylene diimide molecules such that the optical transition dipole moment follows the liquid crystal director allows mapping out FCDs and investigating the dynamics within a single FCD.

In der vorliegenden Diplomarbeit wurden sekundäre Isotopeneffekte auf NMR-chemische Verschiebungen mit ab-initio quantenchemischen Methoden bestimmt. Um die zu erwartenden Fehler verschiedener Methoden abschätzen zu können, wurden die sekundären Isotopeneffekte von Fluor(2-2H1)ethan auf HF, MP2 und CCSD(T)-Niveau mit tripel- und quadrupel-Zeta Basissätzen berechnet. Anhand der Ergebnisse dieser Rechnungen lässt sich zeigen, dass gauche und antiperiplanare Konformere bereits mithilfe von sekundären Isotopenverschiebungen unterschieden werden können, die auf HF/tz2p-Niveau berechnet wurden. Weiterhin wurde untersucht, ob es eine Abhängingkeit des Isotopeneffektes von den Diederwinkeln zwischen Deuterium- und Fluorsubstituenten gibt. Die sekundären Isotopeneffekte auf 19F-NMR-chemische Verschiebungen von exo- und endo-2-Fluornorbornanen mit Deuterium Substituenten in den endo-3, exo-3, syn-7 oder anti-7 Positionen wurden auf HF/tz2p-Niveau berechnet. Es wird gezeigt, dass die berechneten Isotopeneffekte an 2-Fluornorbornanen eine Identifizierung der verschiedenen Stereoisomere erlauben. / In the present Diploma thesis secondary isotope effects on NMR chemical shieldings were determined using ab-initio quantum chemical methods. In order to estimate errors of various methods, secondary isotope effects on fluoro(2-2H1)ethane were calculated at the HF, MP2 and CCSD(T) level of theory using triple- and quadruple zeta basis sets. On the basis of these calculations it can be shown that gauche and antiperiplanar conformers can already be distinguished by their secondary isotope shifts calculated at the HF/tz2p level of theory. Furthermore it was investigated, whether a dependency of the isotope effects on dihedral angles between the deuterium and the fluorine substituent exists. The secondary isotope effects on 19F chemical shifts of exo- and endo-2-fluoronorbornanes with deuterium subsituents in the endo-3, exo-3, syn-7 or anti-7 positions were calculated at the HF/tz2p level. It is shown that the calculated isotope effects of 2-fluoronorbornanes allow to identify various stereoisomers.

Die vorliegende Arbeit beschreibt Herstellungsmöglichkeiten für sogenannte Saturn-Partikel. Es handelt sich dabei um Partikel, die auf ihrer Oberfläche drei Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. Zwei Kappen mit gleichen Eigenschaften sind durch einen Gürtel getrennt, der sich stark von den Kappen unterscheidet. Im Speziellen geht es hier um die unterschiedliche Benetzbarkeit der Bereiche. Die Herstellung von Saturn-Partikeln mit einem hohen Benetzungskontrast wurde auf zwei verschiedenen Wegen realisiert. Als Ausgangspunkt dienten Mikroglaskugeln, die zunächst zur Hydrophobierung ihrer Oberfläche mit einem Silan behandelt wurden. Eine Art der Saturn-Partikel wurde durch das Ätzen eines Gürtels rund um die Partikel mit Flusssäure in einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Spülzelle erzeugt. Auf diese Weise konnten Partikel mit zwei hydrophoben Kappen und einem hydrophilen Gürtel erhalten werden. Eine weitere Art dieser Partikel wurde durch das Abschleifen der Partikelkappen nach vorheriger Einbettung in Polymerfilme erhalten, wodurch die hydrophobe Beschichtung abgetragen und das ursprünglich hydrophile Glas freigelegt wurde. Die so erhaltenen Partikel wiesen zwei parallele, hydrophile Bereiche auf, die durch einen hydrophoben Gürtel voneinander getrennt waren. Es wird gezeigt, dass Saturn-Partikel in Systemen mit Wasser und Öl beim Mischen von unterschiedlichen Anteilen der drei Phasen durch Selbstorganisationsprozesse verschiedene Strukturen wie Ketten oder Schichten ausbilden können. Des Weiteren sind sie in der Lage in einem System mit Wasser und Luft besondere Schäume auszubilden, die eine sehr hohe Stabilität aufweisen. Die Partikel stabilisieren darin Flüssigkeitsfilme zwischen den Luftblasen, wobei der hydrophile Gürtel im Wasserfilm und die hydrophoben Kappen in der Luft liegen.

Using a cryogenic linear 22-pole rf ion trap, rate coefficients for H/D exchange reactions of OH− with D2 (1) and OD− with H2 (2) have been measured at temperatures between 11 K and 300 K with normal hydrogen. Below 60 K, we obtained k1 = 5.5 × 10−10 cm3 s−1 for the exoergic reaction (1). Upon increasing the temperature above 60 K, the data decrease with a power law, k1(T) [similar] T−2.7, reaching ≈1 × 10−10 cm3 s−1 at 200 K. This observation is tentatively explained with a decrease of the lifetime of the intermediate complex as well as with the assumption that scrambling of the three hydrogen atoms is restricted by the topology of the potential energy surface. The rate coefficient for the endoergic reaction (2) increases with temperature from 12 K up to 300 K, following the Arrhenius equation, k2 = 7.5 × 10−11 exp(−92 K/T) cm3 s−1 over two orders of magnitude. The fitted activation energy, EA-Exp = 7.9 meV, is in perfect accordance with the endothermicity of 24.0 meV, if one accounts for the thermal population of the rotational states of both reactants. The low mean activation energy in comparison with the enthalpy change in the reaction is mainly due to the rotational energy of 14.7 meV contributed by ortho-H2 (J = 1). Nonetheless, one should not ignore the reactivity of pure para-H2 because, according to our model, it already reaches 43% of that of ortho-H2 at 100 K. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.