Organic solar cells offer attractive properties for novel applications and continuous advances in material and concept development have led to significant improvements in device performance. To exploit their full potential (roll-to-roll production of flexible and top-illuminated devices, using e.g. opaque metal foil or textile as substrate), highly transparent, conductive, mechanically flexible, and cost-efficient top electrodes are of great importance. The current standard material indium tin oxide (ITO) is rigid, expensive and requires a high energy / high temperature deposition process, limiting ITO (and other transparent conductive oxides) to bottom electrode applications. This work presents fundamental investigations to understand and control the properties of transparent conductors and documents four different approaches to prepare transparent electrodes on top of efficient small molecule organic solar cells, with the aim to replace ITO. Fullerene C60 layers are investigated as completely carbon-based electrodes. For an optimized doping concentration, sheet resistance and transmittance are improved and efficient solar cells are realized. Since the lateral charge transport is still limited, a combination with a microstructured conductor is suggested. Pulsed laser deposition allows for the first time a damage-free preparation of gallium doped zinc oxide (ZnO:Ga) layers on top of organic devices by careful optimization of the deposition atmosphere. ZnO:Ga electrodes with a transmittance of Tvis = 82.7 % and sheet resistance Rs = 83 Ohm/sq are obtained. The formation of local shunts due to ZnO:Ga droplets is identified and then prevented by a shadow mask between the target and the sample, enabling solar cells with similar efficiency (2.9 %) compared to a reference device using a state-of-the-art metal top contact. Another very promising alternative are intrinsically flexible, ultra-thin silver layers. By introducing an oxide interlayer, the adverse interpenetration of silver and organic materials is prevented and the charge extraction from the solar cells is improved. With a second oxide layer on top, the silver electrode is significantly stabilized, leading to an increased solar cell lifetime of 4500 h (factor of 107). Scanning electron micrographs of Ag thin films reveal a poor wetting on organic and oxide substrates, which strongly limits the electrode performance. However, it is significantly improved by a 1 nm thin seed layer. An optimized Au/Ag film reaches Tvis = 78.1 % and Rs = 19 Ohm/sq, superior to ITO. Finally, silver electrodes blended with calcium show a unique microstructure which enables unusually high transmittance (84.3 % at 27.3 Ohm/sq) even above the expectations from bulk material properties and thin film optics. Such values have not been reached for transparent electrodes on top of organic material so far. Solar cells with a Ca:Ag top electrode achieve an efficiency of 7.2 %, which exceeds the 6.9 % of bottom-illuminated reference cells with conventional ITO electrodes and defines a new world record for top-illuminated organic solar cells. With these electrodes, semi-transparent and large-area devices, as well as devices on opaque and flexible substrates are successfully prepared. In summary, it is shown that ZnO:Ga and thin metal electrodes can replace ITO and fill the lack of high performance top electrodes. Moreover, the introduced concepts are not restricted to specific solar cell architectures or organic compounds but are widely applicable for a variety of organic devices.

The key to success in separation of liquid mixtures is the efficient creation and utilization of vapour-liquid contact area. By packing the column with gas-liquid contact devices such as structured packing, the vapour-liquid contact area can be increased. However, the efficiency of these packed columns depends strongly on the local flow behaviour of the liquid and vapour phase inside the packing. The aim of this work was to develop three-dimensional CFD models to study the hydrodynamic behaviour on the corrugated sheets of packing. Different approaches are possible to simplify the problem and to extend it for more complex flow scenarios. In this work, three-dimensional CFD simulations were performed to study the complete fluid-dynamic behaviour. This was performed in two steps. As a first step, the developed model was validated with experimental studies using a simplified geometry i.e., an inclined plate. The three-dimensional Volume-of-Fluid (VOF) model was utilized to study the flow behaviour of the gas-liquid countercurrent flow. The influence of the liquid surface tension was taken into consideration using the Continuum Surface Force (CSF) model. The wetting characteristics of liquids with different viscosity (1 and 5 mPas) and contact angle (70° and 7°) were studied for different flow rates. Three different mixtures (water, water-glycerol (45 wt. %) and silicon-oil (DC5)) were considered. Initially, the rivulet width of experiments and simulations were compared and an error of 5 % maximum was determined. The results were also in good agreement with earlier studies. The percentage of wetting due to changes in flow rate, viscosity and contact angle was compared and discussed. For all tested systems, excellent agreement between the experiments and simulation studies was found. In addition, profiles of the velocity in the film at film flow conditions over a smooth inclined plate obtained from simulations were compared with experimental profiles obtained using a μPIV technique. A detailed sensitivity study was also performed in order to understand the changes in the velocity profiles due to small change in liquid flow rate, temperature and inclination angle. As a next step, the developed model was extended to geometries resembling real corrugated sheets of packing used in industrial applications. In earlier numerical studies of structured packing, geometries were simplified to enable easy meshing and faster computation. In this work, the geometries of corrugated sheets of packing were developed without any simplification and the flow behaviour was studied using the model validated in the first step. The flow behaviour on sheets with different geometrical modifications such as smooth and triangular crimp surfaces as well as perforations on the sheets were numerically studied and quantitatively compared with experimental studies for the three different fluid test systems. The agreement between the simulations and experiments was within an acceptable range for all system. The difference in the interfacial area between the corrugated sheets of a packing with and without perforation was analyzed and the prediction ability of different empirical correlations for the interfacial area available in literature was also compared and discussed. Furthermore, the numerical study was extended to understand the influence of the second corrugated sheet. Studying the flow behaviour between two sheets experimentally is very challenging, especially inside opaque packing. The model proved to be a very suitable tool to study the hold-up of the liquid between two sheets, the change in wetting behaviour due to small change in liquid inlet position. The results are also in good agreement with the earlier experimental studies, where researchers measured the liquid hold-up mainly in the region where two corrugated sheets touch each other. The three-dimensional CFD model was validated to study the flow behaviour on corrugated sheets of packing. The results from the simulations agree very well with findings from the experimental studies in terms of wetting and hold-up.

The increasing demand for more efficient cooling options in the areas of fuel cell technology motivates the development of novel cooling strategies with improved heat transfer. Cooling through phase transition of the coolant from the liquid to the gaseous state is therefore a suitable approach. In this context, the phase transition behaviour in the inner structure of bipolar plates, which is determined by the flow field and its surface properties, must be understood and designed as a central functional element for cooling in a fuel cell. For the integrated development of a metallic bipolar plate based on the phase change cooling with modified surfaces, this paper discusses the design of the flow field, the design of the associated forming technology as well as the coating technology that meets the requirements of the bipolar plates with phase change cooling principle. In this regard, the wetting and the corrosion behaviour of different surface coatings and the in-situ phase transition behaviour within the bipolar plates are demonstrated and discussed.

Während die Wasserdissoziation mit der Hilfe von Gleichstrom (Wasser-Elektrolyse) einen gut untersuchten Prozess darstellt, war der Mechanismus der Wasserdissoziation durch Einwirkung hochfrequenter (HF) elektromagnetischer Felder als relativ neues Phänomen noch nicht vollständig aufgeklärt. Für die Realisierung der Wasserdissoziation in HF-Feldern mit einer Frequenz von 13,56 MHz wurde in dieser Arbeit ein neuartiger experimenteller Aufbau verwendet, dessen Kernstück aus einem sich zwischen zwei parallelen Elektroden befindlichen Glasreaktor, der über eine Durchmesserverjüngung verfügte, bestand. Dieser Aufbau ermöglichte die Untersuchung der wässrigen Elektrolytlösung in den drei Phasen Erwärmung, Blasenbildung und Entladung mit Gasbildung. Die messbare Gasbildungsrate wurde als ein Maß für die Intensität der Wasserdissoziation gewählt. Ihre Abhängigkeit von der HF-Spannung, der HF-Leistung, der Art des Elektrolyten, der Konzentration des Elektrolyten und dem geometrischen Aufbau des Reaktors wurden untersucht. Bei vielen Elektrolyten bestand das produzierte Gas vollständig aus Wasserstoff und Sauerstoff im molaren Verhältnis von 2 zu 1 sowie aus Wasserdampf. Für einige Elektrolyte wurden davon abweichende Verhalten hinsichtlich der Stöchiometrie beobachtet. Das im Zusammenhang mit der Wasserdissoziation emittierte Licht wurde spektroskopisch untersucht. Es konnten angeregte OH-, H- und O-Radikale nachgewiesen werden. Dieser Befund legt nahe, dass die Wasserdissoziation durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Elektronen mit Wassermolekülen verursacht wird. Der Versuchsaufbau ermöglichte also die Ausbildung eines nicht-thermischen Plasmas in der Gasphase im Bereich der Reaktorverjüngung. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnte der Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Elektrolytkonzentration für den gewählten Versuchsaufbau modelliert werden. Das Erreichen der für die Initiierung von selbsterhaltenden Entladungen in Wasserdampf notwendigen Feldstärke von 2,6 MV/m wurde durch die Modellierung verifiziert. Modellrechnungen stehen im Einklang mit dem vorgeschlagenen Mechanismus der HF-Wasserdissoziation. Des Weiteren wurde das Anwendungspotenzial der Radikalbildung für den Abbau von Modellschadstoffen wie Perfluoroktansäure (PFOA) untersucht. Der Abbau perfluorierter Verbindungen, der bisher durch eine wenig effiziente thermische Totaloxidation erreicht werden kann, konnte mit dem Plasmaprozess erfolgreich demonstriert werden.

Die Transporteigenschaften eines Elektronengases mit reduzierter Dimensionalität werden von den Welleneigenschaften der Elektronen bestimmt. Dies ermöglicht es, verschiedene Quanteneffekte, wie Quanteninterferenz, zu beobachten. Im ersten Teil dieser Arbeit werden geätzte Quantenringe und eindimensionale (1D) Verengungen, basierend auf AlxGa1-xAs/GaAs-Heterostrukturen, hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften untersucht. Messungen des thermischen Rauschens im Gleichgewichtszustand zeigen, dass der Erwartungswert mit den Rauschspektren aller 1D Verengungen übereinstimmt, jedoch um bis zu 60 % bei allen Quantenringen überschritten wird. Rauschmessungen im thermischen Nichtgleichgewicht ergeben, dass der Wärmefluss in Quantenringen mithilfe einer globalen Steuerelektrode (Topgate) an- und ausgeschaltet werden kann. Die magnetische Widerstandsänderung der Quantenringe zeigt Oszillationen, die dem Aharonov-Bohm-Effekt zugeordnet werden. Die Beobachtbarkeit dieser Oszillationen hängt stark von dem Abkühlvorgang der Probe ab und die Oszillationen zeigen Hinweise auf ein Schwebungsmuster sowie auf Phasenstarre. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Oberflächenzustände von exfolierten Bi2Se3 Mikroflocken untersucht. Für Mikroflocken mit metallischen Temperaturabhängigkeiten des Widerstandes wurde schwache Anti-Lokalisierung beobachtet. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass sich die magnetische Widerstandsänderung weniger ausschließlich aus den 2D Oberflächenkanälen als vielmehr aus einem geschichtetem Transport von 2D Kanälen im Volumenkörper zusammensetzt. Eine Mikroflocke mit halbleitenden Eigenschaften zeigt keine Hinweise auf solch einen geschichteten 2D Transport und es wird angenommen, dass ihre magnetische Widerstandsänderung ausschließlich von den 2D Oberflächenzuständen verursacht wird. / The transport properties of an electron gas with reduced dimensionality are dominated by the electron’s wave nature. This allows to observe various quantum effects, such as quantum interference. In the first part of this thesis etched quantum rings and one-dimensional (1D) constrictions, based on AlxGa1-xAs/GaAs heterostructures, are investigated with respect to their transport properties. Thermal noise measurements in equilibrium show that the expectation value agrees with the noise spectra of all 1D constrictions but is exceeded by up to 60 % for the noise spectra of all quantum rings. Noise measurements in thermal non-equilibrium reveal that the heat flow can be switched on and off for a quantum ring by a global top-gate. The measured magnetoresistance of the quantum rings shows oscillations that are attributed to the Aharonov-Bohm effect. The observability of these oscillations strongly depends on the cooling process of the sample and the oscillations show indications of a beating as well as phase rigidity. In the second part of the thesis the surface states of exfoliated Bi2Se3 microflakes are studied. For microflakes that show a metallic temperature dependence of the resistance weak anti-localization is observed. This observation suggests that the magnetoresistance is a result of layered transport of 2D channels in the bulk rather than just the surface 2D channels. A microflake with semiconducting characteristics does not show indications of such a 2D layered transport and its magnetoresistance is considered to be carried by the 2D surface states only.

Der vorliegende Artikel skizziert eine methodische Vorgehensweise zur Analyse und Gestaltung von Mensch-Technik Interaktionen, die die kognitiven Prozesse des menschlichen Bedieners/Nutzers explizit berücksichtigt (kognitionsbasierte Mensch-Technik Interaktion, Ko-MTI). Das Vorgehen ist eingebettet in die Konzeption Cyber-Physischer Systeme und erweitert diese explizit um die menschliche Perspektive. An einem Applikationsbeispiel aus der Oberflächentechnik (Thermisches Spritzen) wird die erste Ko-MTI Phase „Ganzheitliche Systemanalyse“ skizziert und anhand von Ergebnissen einer Beobachtungsstudie mit Eye-Tracking dargestellt.

Gas nitriding is known as a convenient process to improve the wear resistance of steel components. A precipitation-free hardening by low-temperature processes is established to retain the good corrosion resistance of stainless steel. In cases of thermal spray coatings, the interstitial solvation is achieved without an additional surface activation step. The open porosity permits the penetration of the donator media and leads to a structural diffusion. An inhomogeneous diffusion enrichment occurs at the single spray particle edges within the coating’s microstructure. A decreasing diffusion depth is found with increasing surface distance. The present study investigates an adjusted process management for low-temperature gas nitriding of high velocity oxy-fuel-sprayed AISI 316L coatings. To maintain a homogeneous diffusion depth within the coating, a pressure modulation during the process is studied. Additionally, the use of cracked gas as donator is examined. The process management is designed without an additional surface activation step. Regardless of surface distance, microstructural investigations reveal a homogeneous diffusion depth by a reduced processing time. The constant hardening depth allows a reliable prediction of the coatings’ properties. An enhanced hardness and improved wear resistance is found in comparison with the as-sprayed coating condition.

In dieser Arbeit wird das epitaktische Wachstum von GaP/Si Heterostrukturen zur Herstellung von rauscharmen GaP/Si Nanodiodenarrays untersucht, wobei eine top-down Ätztechnik zur Herstellung der verwendeten Nanodiodenarrays genutzt wurde. Zur Untersuchung der gewachsenen Schichten wurden Röntgenstreuung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs und Kapazität-Spannungsmessungen verwendet. Zudem wurde die Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat mittels Niederfrequenter Rauschspektroskopie (LFN) untersucht. Die GaP-Schichten wurden auf p-dotierten Si (100) Substraten mittels eines Riber-32P Gasquellen-Molekularstrahlepitaxiesystems gewachsen. Die Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität von denWachstumsbedingungen, wie der Wachstumstemperatur, wurden intensiv untersucht, um die Defektdichte zu minimieren. Dafür wurden nominal 500 nm dicke Heterostrukturschichten beiWachstumstemperaturen von 550 °C, 400 °C und 250 °C gewachsen, wobei 400 °C als die optimale Wachstumstemperatur bestimmt wurde. Trotzdem waren die erhaltenen Schichten aufgrund der hohen Versetzungsdichte von schlechter Qualität. Eine nur sehr geringe Qualitätsverbesserung konnte durch einen in situ durchgeführten thermischen Annealingschritt bei 500 °C für 10 Minuten erreicht werden. Daher wurde eine neue Annealingmethode vorgeschlagen, die in dieser Arbeit step-graded annealing (SGA) genannt wird. Bei dieser Methode wurde die Temperatur schrittweise von 400 °C auf 480 °C innerhalb von 90 Minuten erhöht. Dabei wurde die Oberfläche die gesamte Zeit mittels Reflexion hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Die Oberflächenrekonstruktion, die während des Annealens mittels RHEED beobachtet wurde, zeigte schließlich eine große Verbesserung der Kristallqualität. Die Gitterparameter von GaP wurden mittels asymmetrischer XRD gemessen, wobei festgestellt wurde, dass sie exakt denen von Volumen-GaP entsprechen. Zudem wurde festgestellt, dass die GaP-Schicht automatisch n-dotiert ist und diodentypisches Gleichrichtungsverhalten aufweist. Interessante Informationen über Fallenzustände in den Heterostrukturfilmen konnten mittels LFN-Messungen gefunden werden. In einer nicht annealten Probe wurden beispielsweise zwei Fallenzustände im Bereich der Bandlücke festgestellt. In den mittels der SGA-Methode annealten Proben wurde hingegen ein rauscharmes und fallenfreies System erhalten. Anschließend wurde Elektronenstrahllithografie (EBL) zum Erstellen von Nanomustern auf der Oberfläche genutzt, die zur Herstellung von Nanodrähten genutzt werden sollen. Zur Optimierung der Elektronenstrahllithografie wurden dabei GaPSubstrate aufgrund der im Vergleich zu den epitaktischen Schichten besseren und glatteren Oberflächenstruktur genutzt. Dabei konnten in einer Goldschicht 200 nm große Löcher in einem Gitter mit hoher Dichte auf GaP erstellt und in die GaPSchicht übertragen werden. Die metallunterstütztes chemisches Ätzen (MacEtch) genannte Technik wurde kürzlich vorgeschlagen und eignet sich für die Herstellung von Nanodrähten. Die Anwendung zur Herstellung von Nanodrähten aus GaP war herausfordernd aufgrund bisher begrenzter Anwendung für III-V Halbleiter. Zur Optimierung der MacEtch Technik wurde zunächst wieder GaP-Substrat verwendet, um den Einfluss von Kristalldefekten und der Oberflächenrauigkeit auf die Ergebnisse zu minimieren. Genutzt wurde ein Gemisch aus Lösungen von HF/KMnO4 mit verschiedenen Konzentrationen. Mit den so bestimmten Prozessbedingungen konnten erfolgreich GaP Nanodrähte aus GaP-Epilayern hergestellt werden. GaP/Si Heteroübergangsnanodioden wurden anschließend unter Nutzung von Au-Ge/Ni Kontakten zu GaP-Schicht und Al/Ni Kontakten zum rückseitigen Si hergestellt. Die Transporteigenschaften des Nanodiodenarrays bestätigen die Möglichkeit, diese Arrays als elektronische NiederLärmbauelemente einzusetzen. / An epitaxial growth of GaP/Si heterostructures for the fabrication of low-noise GaP/Si nanodiode array based on nanowires is reported. The grown films were characterized using X-ray diffraction, scanning-electron microscopy, atomic-force microscopy and electrical measurements. Besides that, the interface between the epilayer and the substrate was deeply studied using a low-frequency noise (LFN) spectroscopy. The GaP epilayers were grown on p-type Si (100)substrates using gas-source molecular-beam epitaxy system. The dependence of surface morphology and crystal quality on the growth conditions was intensively investigated for minimizing the defects. The heterostructure films were grown at an optimal growth temperature of 400 °C and a nominal thickness of 500 nm. In order to improve the crystalline quality of the heterostructures, a new thermal annealing method was proposed, and referred to as step-graded annealing (SGA). In this method, the temperature was increased gradually to the annealing temperature to reduce the strain relaxation in the epilayers. A highly improvement in the crystal quality was confirmed using the SGA method. In addition, the epilayers were found to be n-type autodoped, and exhibited diode rectification behavior. Furthermore, the trap levels in the band gap, which were revealed via LFN measurements, were found to be suppressed in the annealed films. Thereafter, gold-mesh nanopatterns on the GaP surfaces were fabricated using an electron-beam lithography, as a step for the fabrication of GaP nanowires. A metal-assisted chemical etching technique with a mixture of HF:KMnO4 was carried out to fabricate GaP nanowires. GaP/Si heterojunction nanodiodes were then fabricated using an Au-Ge/Ni contact on the top of the GaP nanowires as well as an Al/Ni contact on the backside of Si. Transport properties of the nanodiode array confirmed the possibility of using the array as a low-frequency electronic device.

In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Ver-fahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelo-tungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchge-führt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Über-prüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Fol-gerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstruc-tures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler ap-plication by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work dis-cusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.

Heat generation plays an important role for energy storage systems like batteries in electric and hybrid vehicles. In order to investigate the thermal and electrical behaviour the nickel metal hydride batteries were exposed to cycling programs including various methods of battery cooling by flowing air. The second part of the paper describes the simulation of the temperature distribution by using finite element methods (FEM). The electric-thermal battery model was compared with results obtained from temperature measurements at four selected points during battery cycling. The results serve environmentalcareful battery employment for the general, system-oriented viewpoint of the battery condition and form the basis for energy and enviroment save used. / Die Wärmeerzeugung spielt bei dem Einsatz von Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen eine wichtige Rolle. In der Arbeit wird das thermische und elektrische Verhalten der Batterien bei der Belastung mit schnell aufeinander folgenden Höchststromladeimpulsen und -entladeimpulsen untersucht. Die Kühlung der Batterie erfolgte mit verschiedenen Methoden der Luftkühlung. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Simulation der Temperaturverteilung mittels Finiter Element Methoden (FEM) beschrieben. Die mit einem elektrisch-thermischen Batteriemodell simulierten Temperaturen werden mit den an verschiedenen Punkten experimentell gemessenen Zelltemperaturen verglichen. Die Ergebnisse dienen zur ganzheitlichen, systemorientierten Betrachtungsweise des Batteriezustandes und bilden die Grundlage für einen energie- und umweltschonenden Batterieeinsatz.