Die Existenz metallreicher Perowskite der Zusammensetzung (SE3X)M (X = O, N; SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Er, Ho, Tm, Lu; M = Al, Ga, In, Sn) wurde untersucht. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mit Röntgenpulverdiffraktometrie und Elementaranalysen (O und N). Oxide (SE3O)Al mit SE = La, Ce, Pr, Nd und Sm und (SE3O)In mit SE = Ce, Pr und Nd wurden erhalten. Die Reihe der Verbindungen (SE3N)Al (SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm) wurde um die Seltenerd-Metalle SE = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm erweitert. Die metallreichen Perowskite (SE3N)Sn (SE = La, Ce, Pr, Sm) und (SE3N)Ga (SE = Ce, Pr, Sm, Gd, Tb) wurden erstmals beschrieben. Die thermische Stabilität (DSC) der Phasen (SE3X)M ist für die Nitride allgemein am höchsten. Nitride von Al und Ga zersetzen zwischen 1000 °C und 1200 °C, Stannide bleiben bis 1250 °C thermisch stabil. Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der LIII-Absorbtionskanten sind in Einklang mit einer Elektronenkonfiguration SE3+. Die gemessenen elektrischen Widerstände sind charakteristisch für schlechte metallische Leiter. Verschiedene Gehaltschnitte SE3Al-(SE3X)Al und SE3In-(SE3X)In wurden mit Röntgenpulverdiffraktometrie und DTA untersucht. Die Oxide und Nitride (SE3X1-y)M (SE = La, Ce; X = N, O) weisen nur geringe Phasenbreiten auf. Die Carbide (Ce3C1-y)In zeigen hingegen signifikante Phasenbreiten. In den Systemen EA-In-N wurden röntgenografisch phasenreine Pulver von (Ca4N)[In]2 und (EA19N7)[In4]2 (EA = Ca, Sr) erhalten. Durch Elementaranalysen auf H, C, N, O, EA und In und Neutronenbeugung am Pulver können alternative Zusammensetzungen mit einer ausgeglichenen Ladungsbilanz im Sinne des Zintl-Konzepts für diese Phasen ausgeschlossen werden. Im System La-Al wurde die neue Phase La16Al13 beobachtet und an Einkristallen sowie an Pulvern charakterisiert. Das in der Literatur im Cu3Au-Strukturtyp beschrieben kubische Polymorph von Ce3Al wurde auf einen ternären metallreichen Perowskit (Ce3X)Al zurückgeführt.

In dieser Arbeit werden das Wachstum und die Charakterisierung der Heterostruktur eines FeFET auf der Grundlage von BaSnO3, LaInO3 und (K,Na)NbO3 Schichten untersucht. Für jedes Material wurden die Wachstumsbedingungen bestimmt und im Hinblick auf die strukturellen und elektrischen Eigenschaften optimiert. Epitaktische BaSnO3 Filme, die auf SrTiO3 Substraten gewachsen sind, weisen eine hohe Dichte an Versetzungen auf, die ihre elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Die Verwendung von NdScO3 Substraten und Einführung einer SrSnO3 Pufferschicht verbesserten die strukturellen und elektrischen Eigenschaften der BaSnO3 Schichten. Dies ermöglichte schließlich Untersuchungen an der LaInO3/BaSnO3 Grenzfläche. Schon eine geringe La-Dotierung der BaSnO3 Schicht von 0,3 % führte zur Bildung eines 2DEG nach der Grenzflächenbildung und damit zum Einschluss von Elektronen an der Grenzfläche. Dies konnte durch C-V, Van-der-Pauw und Hall-Effekt-Messungen eindeutig nachgewiesen werden. Eine deutliche Verbesserung der strukturellen und elektrischen Eigenschaften der BaSnO3 Schichten wurde durch die Verwendung von LaInO3:Ba Substraten erreicht. Diese sind gitterangepasst an BaSnO3, sodass zum ersten Mal vollständig verspannte Schichten ohne Versetzungen gewachsen werden konnten. Strukturelle und elektrische Eigenschaften von (K,Na)NbO3 Schichten wurden auf SrRuO3/DyScO3 und SrTiO3:Nb-Substraten untersucht. Auf diese Weise wurden der Einfluss der Gitterdehnung auf die kritische Schichtdicke und die Prozesse der plastischen Relaxation des Gitters bestimmt. Die elektrische Charakterisierung ergab einen hohen Leckstrom, der durch strukturelle Defekte verursacht wird. Die gesamte FeFET Heterostruktur wurde auf LaInO3:Ba Substraten gewachsen und untersucht. BaSnO3 und LaInO3 Schichten wuchsen kohärent, während (K,Na)NbO3 Schichten eine plastische Gitterrelaxation aufwiesen. Das führte zur Bildung von Strukturdefekten und zu einer Verschlechterung der ferroelektrischen Eigenschaften. / In this thesis, the design, growth and characterisation of the heterostructure of a FeFET based on BaSnO3, LaInO3 and (K,Na)NbO3 thin films are investigated. For each material, the growth conditions were determined and optimised with respect to their structural and electrical properties. Epitaxial BaSnO3 thin films grown on SrTiO3 substrates exhibit a high density of threading dislocations, which degrade their electrical properties. The use of NdScO3 substrates and the introduction of a SrSnO3 buffer layer improved the structural and electrical properties of the BaSnO3 thin films. This finally allowed investigations on the LaInO3/BaSnO3 heterointerface. Even a low La doping of the BaSnO3 layer of 0.3 % led to the formation of a 2DEG after interface formation and thus to the confinement of electrons at the interface. This could be clearly demonstrated by C-V, Van-der-Pauw and Hall effect measurements. A significant improvement of the structural and electrical properties of the BaSnO3 thin films was achieved by using LaInO3:Ba substrates. These are lattice-matched to BaSnO3 so that, for the first time, fully strained thin films could be grown without dislocations. Structural and electrical properties of (K,Na)NbO3 thin films were investigated on SrRuO3/DyScO3 and SrTiO3:Nb substrates. In this way, the influence of lattice strain on the critical film thickness and plastic lattice relaxation were determined. Their electrical characterisation revealed a high leakage current caused by structural defects. Therefore, the entire FeFET heterostructure was grown and investigated on LaInO3:Ba substrates. The BaSnO3 and LaInO3 thin films were grown coherently, while the (K,Na)NbO3 thin films exhibited plastic lattice relaxation. This led to the formation of structural defects and consequently to a deterioration of their ferroelectric properties.

Hybride Metall-Halogen Perowskit basierte Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine noch nie dagewesene Entwicklung hinsichtlich ihrer Effizienzsteigerung erzielt. Dies ging mit einem rapiden Anstieg des Interesses der Forschungsgemeinschaft einher. Ein wichtiger Faktor für die Realisierung von Forschungsergebnissen ist der Übergang von Laborskalen zu industriellen Dimensionen, was grundlegende Anpassungen im Herstellungsprozess notwenig macht. Hier hat sich die physikalische Gasphasenabscheidung für andere Materialklassen bereits als gute Lösung bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Dünnschichten erwiesen. In dieser Arbeit wird die Vakuumabscheidung von FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ für die Anwendung in Solarzellen durch Dreiquellenkoverdampfung erforscht. Durch eine Kombination aus optischen und Röntgen-basierten Messverfahren konnte eine Veränderung der Aufnahme des organischen Halogensalzes, Formamidiniumiodid (FAI), in die Perowkitverbindung in Abhängigkeit vom Kammerdruck festgestellt werden. Dadurch tritt eine Stöchiometrieänderung auf, welche sich in einer Bandlückenverschiebung niederschlägt. Außerdem wurde eine Veränderung der Kristallitorientierung beobachtet. Diese Ergebnisse motivieren eine genauere Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Halogensalzes. Mit Hilfe von Massenspektrometriemessungen und einer detaillierten Erfassung der Prozessparameter konnte eine Zersetzung von FAI während der Verdampfung festgestellt werden. Desweiteren wurden weitere Besonderheiten im Abscheideverhalten, wie zum Beispiel Verdampfunsgrenzen und Veränderungen des Toolingfaktors beobachtet. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zum tieferen Verständnis der Vakuumabscheidung von organischinorganischen Metall-Halogen Perowskiten.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86 / In the last decade, hybrid metal halide perovskite-based solar cells have enjoyed an unprecedented surge in development within the research community. The next steps to further improve this technology will involve the transition from the laboratory to commercial-scale production, which will require adjustments in their fabrication processes. Here, physical vapour deposition has proven to be a good option for the fabrication of high-quality thin films for perovskites and other materials, like organic semiconductors. In this work, triple-source co-evaporation deposition of FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ for the production of thin films for solar cell applications is investigated. With a combination of optical and X-ray-based measurement methods, a decrease in the incorporation of the organic halide salt formamidinium iodide (FAI) was found with increasing background pressure. This decrease results in a change in stoichiometry of the compound and, with it, a shift of the band gap. Furthermore, a change in crystallite orientation was observed. These findings motivate the examination of the evaporation behaviour of formamidinium iodide in more detail. With mass spectrometry measurements and detailed tracking of the process parameters, a degradation of FAI during evaporation was found. Furthermore, several effects of the deposition behaviour, evaporation limits, and tooling shifts were observed. These findings will be substantial for the deeper understanding of vacuum deposition of organic-inorganic metal halide perovskites, and will be significant in the expansion of perovskite-based solar technology.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86

Solarzellen auf Basis von hybriden Perowskiten, wie zum Beispiel Methylammoniumbleitriiodid (CH3NH3PbI3), stellen eine der vielversprechendsten Solarzellenkonzepte dar. Dabei wurden Wirkungsgrade über 20 % gezeigt. Perowskite werden durch verschiedene lösungsbasierte Techniken abgeschieden. Daher konzentriert sich der erste Teil dieser Dissertation auf die Bildung von hybriden Perowskiten in der Lösung, während der zweite Teil der Stabilität von hybriden Perowskiten gewidmet ist. Im ersten Teil, wird die Bildung von Polyiodidplumbaten aus PbI2 in Lösung nachgewiesen. Die Bildung dieser Polyiodidplumbate konnte unabhängig von dem gewählten Lösungsmittel sowie unabhängig von der Beigabe von Methylammoniumiodid (CH3NH3I) beobachtet werden. Die Polyiodidplumbate zeigten, ähnlich wie CH3NH3PbI3, ein Photolumineszenzmaximum bei einer Wellenlänge von 760 nm, was auf einen gemeinsamen Ursprung des angeregten Zustands in PbI2-Komplexen und CH3NH3PbI3 hindeutet. Im zweiten Teil wurden darüber hinaus die Lichtbeständigkeit sowie die thermische und kompositionelle Stabilität untersucht. Die Untersuchung der thermischen Stabilität hat gezeigt, dass Tempern bei T <190 °C zu einer Verbesserung der Morphologie und der optoelektronischen Eigenschaften führt. Oberhalb einer Temperatur von 190 °C kam es dabei zur Zersetzung des Materials. Die Stabilität der Komposition wurde anhand von CsPb(I[1-x]Br[x])3-Perowskiten untersucht. Die Herstellung von Perowskiten mit einer großen Bandlücke war zunächst nicht möglich, da es bei den dafür notwendigen Kompositionen (0,3<x<1) zur Phasentrennung kommt. Im Gegensatz dazu konnte durch den Zusatz von Ethylendiammoniumdiodid (EDDI) zu CH3NH3PbI3 die Bandlücke zwischen 1,6 und 1,8 eV variiert werden. Die Lichtstabilität von CH3NH3PbI3, CH(NH2)2PbI3 sowie gemischt Perowskiten wurde mittels in-situ Infrarotspektroskopie analysiert. Die Zersetzung des Materials war durch die lichtinduzierte Spaltung der N-H-Bindungen bei hv ≥ 2,72 eV gekennzeichnet. / Hybrid perovskites such as methylammonium lead iodide, CH3NH3PbI3, are one of the most promising absorber materials for photovoltaic energy conversion with demonstrated power conversion efficiencies beyond 20 %. In addition, hybrid perovskites can be deposited by various solution-based fabrication techniques. Therefore, the first part of this dissertation is focused on the formation of hybrid perovskites in the precursor solution, while the second part is dedicated to the study of the stability of hybrid perovskites. In the first part of this thesis, the formation of polyiodide plumbates between molecules of PbI2 was detected. Importantly, the formation of polyiodide plumbates was observed independently of the solvent choice or the presence of CH3NH3I. The polyiodide plumbates exhibited a photoluminescence peak located at 760 nm, similarly to CH3NH3PbI3, which suggests a common origin of the excited state in PbI2 complexes and CH3NH3PbI3. In the second part of this thesis, the thermal, compositional, and photostability of perovskite thin films were evaluated. The study of the thermal stability has shown that post-annealing at T < 190 °C leads to the improvement of morphology and optoelectronic properties. Above 190 °C, CH3NH3PbI3 was found to degrade. Next, the compositional stability of mixed CsPb(I[1-x]Br[x])3 perovskites was investigated. A fundamental miscibility gap between 0.3 < x <1 was demonstrated, that impedes the preparation of high band-gap perovskites. To overcome this intrinsic instability, a new approach for band-gap engineering was developed. An addition of ethylenediammonium diiodide (EDDI) allowed to alter the band gap of CH3NH3PbI3 from 1.6 to 1.8 eV. Finally, the influence of light on the stability of hybrid perovskites was studied. A degradation of CH3NH3PbI3, CH(NH2)2PbI3, as well as mixed perovskites, was observed through photo-dissociation of N-H bonds with hν ≥ 2.72 eV by means of in-situ Fourier-transform infrared spectroscopy.

Perowskite und Perowskit-artige Materialien sind von großem Interesse, da sie eine Vielzahl von strukturellen und physikalischen Eigenschaften haben, welche die Möglichkeit bieten, sie für unterschiedliche Anwendungen einzusetzen. Die Methode der Liquid-Delivery Metal Organic Chemical Vapour Deposition (LD-MOCVD) wurde gewählt, da sie eine gute Kontrolle über die Zusammensetzung ternärer Oxide und eine hohe Homogenität der Filme ermöglicht. Darüber hinaus können mit dieser Methode Filme hergestellt werden, die aus Elementen bestehen, für welche nur feste Precursor oder welche mit niedrigem Dampfdruck zur Verfügung stehen. Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe der LD-MOCVD Filme aus SrRuO3, Bi4Ti3O12 und (Na,Bi)4Ti3O12 abzuscheiden und den Einfluss der Wachstumsbedingungen auf die Eigenschaften der Filme zu untersuchen. Zusätzlich wurde die Wirkung der Verspannung, die durch die Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Film entsteht, auf die physikalischen Eigenschaften der Schichten untersucht. SrRuO3 Filme wurden auf gestuften SrTiO3(001), NdGaO3(110) und DyScO3(110) Substraten gewachsen, deren Oberflächenterminierung durch oberflächensensitive Proton-induzierte Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) bestimmt wurde. Die Substrate wurden unter verschiedenen Bedingungen durch Änderung der Temperdauer und -atmosphäre präpariert. Die systematische Untersuchung der Beziehung zwischen Verspannung und Curie-Temperatur von dünnen SrRuO3(100) Filmen erfolgte unter Verwendung von Substraten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten. Die beobachtete Curie-Temperatur sank mit erhöhter kompressiver Verspannung und nahm mit erhöhter tensiler Verspannung zu. Um stöchiometrische und epitaktische Bi4Ti3O12(001) Filme zu wachsen, war aufgrund der Flüchtigkeit des Bismuts ein Bi Überschuss in der Precursor-Lösung notwendig. Die Substitution von Bi durch Na in Bi4Ti3O12 wurde zum ersten Mal in LD-MOCVD-Filmen erreicht. / Perovskites and perovskite-like materials are actually of great interest since they offer a wide range of structural and physical properties giving the opportunity to employ these materials for different applications. Liquid-Delivery Metal Organic Chemical Vapour deposition (LD-MOCVD) was chosen due to the easy composition control for ternary oxides, high uniformity and good conformal step coverage. Additionally, it allows growing the films, containing elements, for which only solid or low vapour pressure precursors, having mainly thermal stability problems over long heating periods, are available. The purpose of this work was to grow SrRuO3, Bi4Ti3O12 and (Na, Bi)4Ti3O12 films by LD-MOCVD and to investigate the influence of the deposition conditions on the properties of the films. Additionally, the effect of the strain due to the lattice mismatch between substrates and films on the physical properties of the films was also investigated. SrRuO3 films were grown on stepped SrTiO3(001), NdGaO3(110) and DyScO3(110) substrates, which were prepared under different conditions by changing the annealing time and atmosphere. The termination of the substrates was measured by surface sensitive proton-induced Auger Electron Spectroscopy (p-AES) technique. Another systematic study of the relation between epitaxial strain and Curie temperature of thin SrRuO3(100) films was performed by using substrates with different lattice constants. The observed Curie temperature decreased with compressive and increased with tensile strain. Thin films of Bi4Ti3O12 as well as (Na, Bi)4Ti3O12 were successfully deposited. In order to grow stoichiometric and epitaxial Bi4Ti3O12(001) films, Bi excess in the precursor solution was necessary, due to the volatility of Bi. Substitution of Bi with Na in Bi4Ti3O12 was achieved for the first time for the films deposited by LD-MOCVD.

Die Existenz metallreicher Perowskite der Zusammensetzung (SE3X)M (X = O, N; SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Er, Ho, Tm, Lu; M = Al, Ga, In, Sn) wurde untersucht. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mit Röntgenpulverdiffraktometrie und Elementaranalysen (O und N). Oxide (SE3O)Al mit SE = La, Ce, Pr, Nd und Sm und (SE3O)In mit SE = Ce, Pr und Nd wurden erhalten. Die Reihe der Verbindungen (SE3N)Al (SE = La, Ce, Pr, Nd, Sm) wurde um die Seltenerd-Metalle SE = Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm erweitert. Die metallreichen Perowskite (SE3N)Sn (SE = La, Ce, Pr, Sm) und (SE3N)Ga (SE = Ce, Pr, Sm, Gd, Tb) wurden erstmals beschrieben. Die thermische Stabilität (DSC) der Phasen (SE3X)M ist für die Nitride allgemein am höchsten. Nitride von Al und Ga zersetzen zwischen 1000 °C und 1200 °C, Stannide bleiben bis 1250 °C thermisch stabil. Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der LIII-Absorbtionskanten sind in Einklang mit einer Elektronenkonfiguration SE3+. Die gemessenen elektrischen Widerstände sind charakteristisch für schlechte metallische Leiter. Verschiedene Gehaltschnitte SE3Al-(SE3X)Al und SE3In-(SE3X)In wurden mit Röntgenpulverdiffraktometrie und DTA untersucht. Die Oxide und Nitride (SE3X1-y)M (SE = La, Ce; X = N, O) weisen nur geringe Phasenbreiten auf. Die Carbide (Ce3C1-y)In zeigen hingegen signifikante Phasenbreiten. In den Systemen EA-In-N wurden röntgenografisch phasenreine Pulver von (Ca4N)[In]2 und (EA19N7)[In4]2 (EA = Ca, Sr) erhalten. Durch Elementaranalysen auf H, C, N, O, EA und In und Neutronenbeugung am Pulver können alternative Zusammensetzungen mit einer ausgeglichenen Ladungsbilanz im Sinne des Zintl-Konzepts für diese Phasen ausgeschlossen werden. Im System La-Al wurde die neue Phase La16Al13 beobachtet und an Einkristallen sowie an Pulvern charakterisiert. Das in der Literatur im Cu3Au-Strukturtyp beschrieben kubische Polymorph von Ce3Al wurde auf einen ternären metallreichen Perowskit (Ce3X)Al zurückgeführt.

Organisch-anorganische Perowskite sind attraktiv für Dünnschichtsolarzellen. Die Übertragung laborbasierter Herstellungsverfahren, typischerweise Rotationsbeschichtung, auf industrielle Prozesse erfordert ein tiefgehendes Verständnis der physikalisch-chemischen Auswirkungen auf die Schichtqualität. Diese Arbeit zeigt, dass die Effizienz-Reproduzierbarkeit von Perowskit-Solarzellen (PSCs) nicht primär durch Unterschiede zwischen Laboren, sondern durch interne Prozessschwankungen beeinflusst wird. Verglichen wurden PSCs mit PEDOT und PTAA als Lochleiter auf den beiden Perowskiten, MAPI und 3CAT. PEDOT-basierte PSCs zeigten neben geringerer Reproduzierbarkeit eine niedrigere Effizienz, bedingt durch Voc- und FF-Verluste, schlechtere energetische Angleichung und morphologische Grenzflächenprobleme. Im Vergleich zu 3CAT, war die Effizienz von MAPI-basierten Zellen schlechter reproduzierbar, was durch eine stärkere Abhängigkeit der MAPI-Schichten von Prozessschwankungen erklärt werden kann. Die Anwendung eines Anti-Lösungsmittel-Tropfens (AS-Tropfen) während des in dieser Rotationsbeschichtungsprozesses beeinflusst die Morphologie und Effizienz der Solarzellen erheblich. Das optimale Zeitfenster für den AS-Tropfen ist für MAPI (~10 s) kleiner als für 3CAT (~50 s). Ein falsches Timing führt zu morphologischen Hohlräumen und vermindert die Effizienz. Optische In-situ-Studien zeigten, dass der AS-Tropfen vor Beginn der natürlichen Perowskit-Kristallisation appliziert werden sollte. Für MAPI beginnt diese nach 20 Sekunden, für 3CAT nach 100 Sekunden. Ein zu später AS-Tropfen reduziert die Verfügbarkeit von Lösungsmittel für die Rekristallisation und verschlechtert die Morphologie der Perowskit-Phase. 3CAT toleriert zeitliche Variationen besser, da es während der natürlichen Kristallisation sowohl lösungsmittelhaltige Vorphasen als auch Perowskit-Phasen bildet, während MAPI hauptsächlich lösungsmittelhaltige Vorphasen bildet, was die Prozessanfälligkeit erhöht. / Organic-inorganic perovskites are promising materials for thin-film solar cells, with potential for industrial-scale production through scalable manufacturing. The transition from laboratory-based spin-coating to scalable processes requires understanding the factors affecting perovskite film quality. High-performance reproducibility is essential for commercializing perovskite solar cells (PSCs), currently challenging for certain perovskite combinations. Reproducibility issues are evident from performance variations in published PSC results fabricated from different laboratories. Even within a single laboratory, process fluctuations can lead to efficiency irreproducibility, as this study shows. Different PSC stack combinations were compared using two hole conductors, PEDOT and PTAA, with two perovskite compositions, MAPI and 3CAT. PEDOT solar cells showed low reproducibility and lower efficiency due to poor energetic alignment and morphological issues. MAPI and 3CAT with PTAA achieved higher efficiencies. However, MAPI is more sensitive to process variations, leading to lower reproducibility. This hypothesis is supported by in-situ measurements, which show that the timinng window for the addition of an anti-solvent drip (AS-drip) during spin-coating is narrower for MAPI (~10 s) than for 3CAT (~50 s). AS-drip outside this window causes morphological voids, reducing efficiency. The optical in-situ studies show that AS-drip timing is crucial: crystallization onset occurs earlier for MAPI (20s) than for 3CAT (100s). Late AS-drip results in solvate phase formation, reducing solvent availability and negatively impacting morphology. MAPI forms solvate exclusively during crystallization, while 3CAT forms both solvate and perovskite phases, increasing tolerance to timing variations.

This work deals with the structural and dielectric properties of Bariumtitanate (BTO) / Strontiumtitanate (STO) superlattices. The investigations were carried during the research for a doctoral thesis on the IFW Dresden, Institute for Metallic Materials (under supervision of Prof. Schulz). These multilayers have been prepared on single crystalline STO of (100) and (111) orientated substrates. All films where grown in an epitaxial mode. Additional superlattices and Bariumstrontiumtitanate (BSTO) thin films on silicon substrates with platinum bottom electrodes have been prepared. Thereby, (111) fibre-textured polycrystalline superlattices were produced. According to our knowledge this result was achieved for the first time (is unique in the world at the moment). According to high resolution TEM investigations of (001) oriented superlattices multilayers with atomically thin interfaces without noticeable interdiffusion have been prepared. XRD pattern of a multilayer consisting of BTO and STO monolayers that have only a thickness adequate one unit cell of BTO respective STO confirm this assumption. Multilayers on (111) oriented STO substrates show a much higher interface roughness than (001) orientated films. Regarding to the examinations in this thesis it is suggested that the roughness is correlated with the reduction of internal stresses by deformation of the stack and not with interdiffusion between the monolayers. For electrical measurements the film thickness has been varied from 30 nm to 300 nm and the periodicity in the range from 0.8 nm to 20 nm. Additionally, BSTO films of equivalent thickness and integral chemical composition were produced. Dielectical measurements were carried out in the temperature range from 20 K to 600 K and hysteresis measurements were done. It has to be pointed out, that multilayers have always lower dielectrical performances then BSTO films. In all cases the dielectric constant (DC) decreases with decreasing film thickness. Multilayers of a small periodicity show the highest DC?s, decreasing with increasing monolayer thickness in all cases. The maximum of DC shifted with decreasing film thickness to higher temperatures thus correlating with an increase of the out of plane lattice parameter. In this paper the mismatch between the stack respectivly the BSTO layers and the substrate has widely been discussed. In the case of BSTO the dielectric data can be qualitatively explained with the theory of strained films, developed mainly by Pertsev, under the assumption of a strain gradient in the thin film. Strain effects do also play an important role in ferroelectric multilayers as well as size and coupling effects between the monolayers. An adequate theory for the description of the dielectric behaviour of the ferroelectric superlattice produced during this research does yet not exist. Some thesis where pointed out, which effects have to be essentially included in to a consistent theory of ferroelectric multilayer. Some practical tips are also given, how to prepare monolayers and superlattices with very high DC and exellent hysteretic behaviour. / Es wurden (001) und (111) orientierte symmetrische BTO/STO-Multilagen auf niobdotierten STO-Einkristallen abgeschieden. Hierbei wurde sowohl die Gesamtschichtdicke, als auch deren Periodizität variiert. Zum Vergleich wurden weiterhin Ba0.5Sr0.5TiO3-Mischschichten unterschiedlicher Dicke präpariert. Aus den HRTEM und XRD Untersuchungen kann geschlossen werden, dass alle erhaltenen Schichten sowohl phasenrein als auch perfekt biaxial texturiert sind. Im Falle der (001) orientierten Multilagen konnten atomar scharfe Grenzflächen zwischen Einzellagen erhalten werden, wobei sich die Einzellagendicke bis auf eine Monolage (0.4 nm) reduzieren lässt. Aus der Schichtdickenabhängigkeit von d(001), dem mittleren out-of-plane Gitterparameter der Schicht, wird geschlossen, dass die Schichten auf den STO-Einkristallen Spannungsgradienten in den Schicht-normalen besitzen und an der Grenzfläche zum Substrat am stärksten verspannt sind. Die (111) orientierten Multilagen auf den STO-Einkristallen zeigen gegenüber den Schichten auf den (100) orientierten STO-Einkristallen eine deutlich erhöhte Interfacerauhigkeit. Vermutet wird, dass dies einerseits durch die andere kristallographische Orientierung der Wachstumsnormalen bedingt ist, weil damit jeweils keine geschlossenen SrO- bzw. BaO- und TiO3-Lagen ausgebildet werden. Andererseits zeigen die TEM-Aufnahmen eine deutliche Zunahme der Welligkeit der Einzellagen mit wachsendem Abstand vom Substrat, die rein mechanischen Effekten zugeschrieben wird. Die Verwölbung der Einzellagen könnte damit der Reduzierung der mechanischen Energie innerhalb des Systems dienen, wobei die Netzebenen dem Verlauf der Einzellagen folgen. Auf platinbeschichteten Siliziumsubstraten konnten erstmals phasenreine (111) fasertexturierte Mischschichten und BTO/STO-Multilagen abgeschieden werden. Grundlage hierfür war die Optimierung des Pt/Ti/SiO2/Si Schichtsystems hinsichtlich seiner thermischen Stabilität bis zu 800°C. Die Textur der Schichten wird von der Platingrundelektrode übernommen und deren Rauhigkeit teilweise verstärkt. Eine mechanische Verwölbung der Einzellagen konnte hier nicht beobachtet werden. Für die elektrischen Messungen wurden auf allen Schichten etwa 50 nm dicke Platinelektroden durch eine Hartmaske mittels Elektronenstrahlverdampfung im Hochvakuum bei etwa 300°C aufgebracht. Anschließend wurden die Schichten an Luft getempert, um das Sauerstoffdefizit, dass sich bei der Elektrodenabscheidung einstellt, auszugleichen. Die elektrischen Messungen zeichnen sich durch den sehr großen untersuchten Temperaturbereich aus. Temperaturabhängige Messungen im Bereich von 30-600 K finden sich für ferroelektrische Dünnschichten sehr selten in der Literatur und stellen für BTO/STO-Multilagen ein Novum dar. Auch die biasabhängige und teilweise auch temperaturabhängige Messung der Kapazität der Multilagen (C-V-Messungen) ist bisher einmalig. Durch die temperaturabhängigen Hysteresemessungen wurden Einblicke in den elektrischen Polungszustand der Schichten erhalten. Dadurch wird eine sinnvolle Interpretation der &amp;amp;#949;(T)-Kurven erst möglich. Der Vorteil der Integration des Polarisationsstromes unter Verwendung einer Dreieckspannung als Messsignal besteht in der direkten physikalischen Aussage der Strom-Spannungskurven über die Schaltspannung der Schichten.

Die Arbeit behandelt die vielseitigen Möglichkeiten im Bereich der Kristallstrukturanalyse mit Röntgenstrahlung, welche sich zusätzlich bei resonanter Anregung von Elektronenübergängen ergeben. Existierende resonante Methoden aus diesem Bereich werden im materialwissenschaftlichen Kontext neu dargelegt und ausgebaut. Zudem werden neue Methoden zur Strukturverfeinerung vorgestellt, welche darauf zielen, mithilfe resonanter Anregung kleine Abweichungen von der Idealstruktur oder aber Phasenumwandlungen zu beschreiben. Im Vordergrund steht dabei die hier erstmals ausgearbeitete Methode der Unterdrückung von Beugungsintensität durch Variation der atomaren Streufaktoren über gezieltes Einstellen der Röntgenenergie. Dies ist stark abhängig von internen Strukturparametern und ermöglichte so eine pikometergenaue Bestimmung von Atompositionen in einer neuen, polaren Oberflächenschicht des Strontiumtitanats. Weitere Anwendungen auf verschiedene Klassen kristalliner Materialien werden vorgestellt und basieren auf unterschiedlichen Aspekten resonanter Beugung wie zum Beispiel verbotenen Reflexen.

Die Arbeit behandelt die vielseitigen Möglichkeiten im Bereich der Kristallstrukturanalyse mit Röntgenstrahlung, welche sich zusätzlich bei resonanter Anregung von Elektronenübergängen ergeben. Existierende resonante Methoden aus diesem Bereich werden im materialwissenschaftlichen Kontext neu dargelegt und ausgebaut. Zudem werden neue Methoden zur Strukturverfeinerung vorgestellt, welche darauf zielen, mithilfe resonanter Anregung kleine Abweichungen von der Idealstruktur oder aber Phasenumwandlungen zu beschreiben. Im Vordergrund steht dabei die hier erstmals ausgearbeitete Methode der Unterdrückung von Beugungsintensität durch Variation der atomaren Streufaktoren über gezieltes Einstellen der Röntgenenergie. Dies ist stark abhängig von internen Strukturparametern und ermöglichte so eine pikometergenaue Bestimmung von Atompositionen in einer neuen, polaren Oberflächenschicht des Strontiumtitanats. Weitere Anwendungen auf verschiedene Klassen kristalliner Materialien werden vorgestellt und basieren auf unterschiedlichen Aspekten resonanter Beugung wie zum Beispiel verbotenen Reflexen.