The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.

Die Zementmahlung ist energieintensiv. Verfahrenstechnische Optimierung und optimale Nutzung von Mahlaggregaten verbessern die Effizienz des Zerkleinerungsprozesses maßgeblich. Den Anforderungen des europäischen Marktes werden die Produkte aus hocheffizienten Mahlanlagen allerdings nicht vollständig gerecht. Ein weiterer Freiheitsgrad in der Produktion durch Einführung separater Feinstmahlung wurde in der Zementindustrie bislang nicht realisiert. Gezielter Einsatz von Feinst- und Grobanteilen verbessert die Raumausfüllung der Zementschüttung und damit die Zementeigenschaften bedeutend. Der Energiebedarf bei mehrstufiger, angepasster Feinstzerkleinerung wird gesenkt. Die Steuerung von Hydratationsablauf und Festigkeitsentwicklung wird durch praxisnahe Beeinflussung der Korngrößenverteilung ermöglicht. Kleine Feinstmahlaggregate sind weniger kapitalintensiv und die Mischung mit hochfein aufgemahlenen Anteilen kann direkt in vorhandenen Mischeinrichtungen umgesetzt werden. Die Modellierung von Mischungen ermöglicht tiefergehende Erkenntnisse der Auswirkung von Kornform und Korngrößenverteilung auf die Raumausfüllung und damit auf die Zementeigenschaften. Das Design von Korngrößenverteilungen kann dauerhaft den Einsatz von neuen Bestandteilen im Zement fördern. Die Zementeigenschaften werden optimiert, die CO2-Bilanz durch Klinkersubstitution verbessert und nachhaltigere Nutzung von Ressourcen ermöglicht.

The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.:Abstract 1. Einleitung 1.1 Photovoltaik 1.2 Stand der Technik 1.2.1 Blockerstarrung von multikristallinem Silizium 1.2.2 Kornorientierungsbestimmung 1.3 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 2. Grundlagen 2.1 Silizium 2.1.1 Elektrische Eigenschaften 2.1.2 Oberflächenenergien des Siliziums 2.2 Kristalldefekte in multikristallinem Silizium 2.2.1 Versetzungen 2.2.2 Korngrenzen 2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Korngrenzen 3. Mess- und Auswertemethodik 3.1 Detektion der Körner 3.1.1 Aufbau und Funktionsweise 3.1.2 Definition der Kenngrößen 3.1.3 Fehlerbetrachtung 3.2 Detektion der Kornorientierungen und Korngrenztypen 3.2.1 Theoretische Betrachtung 3.2.2 Aufbau und Funktionsweise 3.2.3 Definition der Kenngrößen 3.2.4 Fehlerbetrachtung 3.3 Detektion der Ätzgrubendichte 3.3.1 Aufbau und Funktionsweise 3.3.2 Definition der Kenngrößen 3.3.3 Fehlerbetrachtung 3.4 Detektion des rekombinationsaktiven Flächenanteils 3.4.1 Aufbau und Funktionsweise 3.4.2 Definition der Kenngrößen 3.4.3 Fehlerbetrachtung 3.5 Korrelation der rekombinationsaktiven Kristalldefekte mit der Kornorientierung 4. Probeninformation 5. Ergebnisteil 5.1 Korngrößenverteilung 5.1.1 Säulenklassifizierung 5.1.2 Klasse F Säulen 5.1.3 Klasse G Säulen 5.2 Kornorientierungsverteilung 5.2.1 Klasse F Säulen 5.2.2 Klasse G Säulen 5.3 Korngrenztypverteilung 5.3.1 Klasse F Säulen 5.3.2 Klasse G Säulen 5.4 Ätzgrubendichte 5.4.1 Klasse F Säulen 5.4.2 Klasse G Säulen 5.5 Rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.5.1 Klasse F Säulen 5.5.2 Klasse G Säulen 5.6 Korrelation der Ergebnisse 5.6.1 Mittlere Korngröße und Variationskoeffizient vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.2 Korngrenztyplängenanteil vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.3 Kornorientierung vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.4 Ätzgrubendichte vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 6. Diskussion der Ergebnisse 6.1 Einfluss des Kristallzüchtungsprozesses auf die Korngrößen-, die Kornorientierungs- und Korngrenztypverteilung 6.2 Einfluss der Kornstruktur auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.3 Einfluss der Kornorientierung auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.4 Einfluss der Kornstruktur auf die elektrische Aktivierung von Versetzungsclustern 6.5 Einfluss der Verunreinigungen auf die Solarzelleneffizienz 7. Zusammenfassung und Ausblick Verwendete Abkürzungen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Danksagung

Zur Auslegung von profilierten Doppelwalzenbrechern werden bisher recht einfache Modelle verwendet, wobei wichtige Einflussfaktoren unberücksichtigt bleiben. Daher werden im Rahmen dieser Dissertation auf Basis experimenteller Untersuchungen verbesserte Auslegungsmodelle für die wichtigsten Zielgrößen von Doppelwalzenbrechern entwickelt, welche präzisere Prognosen ermöglichen. Das Versuchsprogramm sieht dabei die Variation von Aufgabematerial sowie –partikelgröße, Walzenumfangsgeschwindigkeit und Spaltweite in einem großen Wertebereich vor. Das zur Prognose der Produktpartikelgrößenverteilung entwickelte Modell basiert dabei auf der Swebrec-Funktion. Mit diesem lässt sich abhängig von der Spaltweite und der Aufgabepartikelgrößenverteilung die Produktpartikelgrößenverteilung bestimmen. Des Weiteren kann mit Hilfe des in dieser Arbeit aufgestellten Bilanzmodells der Grenzmassedurchsatz unter Kenntnis der Masse¬anteile für beliebige Mischungen von Einzelfraktionen prognostiziert werden. Dabei werden auch übergroße, nicht sofort einziehbare Partikel berücksichtigt, welche den Durchsatz signifikant senken können.

Angetrieben von vielversprechenden Effizienzsteigerungen wird der Beton-3D-Druck stetig weiterentwickelt. Um die gewonnenen Erkenntnisse niederschwellig in die Baupraxis zu überführen, empfehlen sich druckbare Betone im Rahmen des geltenden Regelwerks. Dabei stellt die Limitierung des Mehlkorngehalts eine Herausforderung dar. Um diese zu meistern, wird eine verallgemeinerbare, numerisch unterstützte Anwendung der Korngrößenverteilung nach Andreasen und Andersen als Basis für den Betonentwurf vorgeschlagen. Experimentelle Untersuchungen haben eine gute Verbaubarkeit und hinreichende Extrudierbarkeit eines Betons mit einem 16 mm Größtkorn und einem Mehlkorngehalt von 500 kg/m³ demonstriert.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.