TY - JOUR A1 - Malyar, I. V. A1 - Gorin, D. A. A1 - Stetsyura, S. V. A1 - Santer, Svetlana T1 - Effect of a nanodimensional polyethylenimine layer on current-voltage characteristics of hybrid structures based on single-crystal silicon JF - Journal of electronic materials N2 - In this paper the study of the tunneling current-voltage (I-V) characteristics of silicon surfaces with n- and p-type conductivity as a function of roughness in the presence of an adsorbed insulating layer of polyethylenimine (PEI) is presented. A new approach is proposed for analysis of the tunnel current-voltage characteristics of a metal-insulator-semiconductor structure based on the combination of two models (Simmons and Schottky). Such joint analysis demonstrates the effect of surface states and evaluates changes in the band bending and electron affinity after the deposition of the polyelectrolyte layer on the semiconductor surface. As a result, we are able to differentiate between the equilibrium tunnel barrier (q phi (0)) and the barrier height (q phi (B)). It is shown that the deposition of the polymer leads to an increase of the equilibrium tunnel barrier by more than 250 meV, irrespective of the roughness and the conductivity type of the silicon substrate. The PEI deposition also leads to changes in the barrier height (less than 25 meV) that are smaller than the equilibrium tunnel barrier changes, indicating pinning of the Fermi level by the electron surface states that are energetically close to it. These surface states can trap charge carriers, a process leading to the formation of a depletion region and band bending on the semiconductor surface. Moreover, the change in the barrier height q Delta phi (B) depends on the conductivity type of the semiconductor, being positive for n-type and negative for p-type, in contrast to q Delta phi (0), which is positive for all substrates. The change is explained by capture of electrons preferably from the semiconductor space-charge region in the presence of a cationic polyelectrolyte, e.g., PEI. KW - Electronic properties KW - tunnel barrier KW - barrier height KW - polyelectrolyte layer KW - silicon Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1007/s11664-012-2266-4 SN - 0361-5235 VL - 41 IS - 12 SP - 3427 EP - 3435 PB - Springer CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Nguyen, Minh N. A1 - Meharg, Andy A. A1 - Carey, Manus A1 - Dultz, Stefan A1 - Marone, Federica A1 - Cichy, Sarah Bettina A1 - Tran, Chinh T. A1 - Le, Giang H. A1 - Mai, Nga T. A1 - Nguyen, Thinh T. H. T1 - Fern, Dicranopteris linearis, derived phytoliths in soil BT - Morphotypes, solubility and content in relation to soil properties JF - European journal of soil science N2 - Ferns are among the most popular groups of plants in the tropics and subtropics, and their role as carbon sequestrators has been widely recognized. However, there is little understanding of the silicaceous structures (phytoliths) of ferns, rate of phytolith turnover, the consequences for organic matter sequestered in phytoliths and consequences for other soil properties. In the study reported here, high-resolution X-ray tomographic microscopy and chemical characterization were applied to examine the traits of phytoliths of the fern Dicranopteris linearis (Burm.f.) Underw. (D. linearis), with a focus on their dissolution properties and accumulation in northern Vietnamese soils in relation to soil properties. Tomographic images revealed an inter-embedding structure of silica and organic matter, especially in leaf-derived material. We propose that organic matter and silica can preserve each other against decomposition. In batch experiments, there was a relatively small rate of dissolution of phytoliths with dry ashing and subsequent H2O2 treatment. Silicon (Si) dissolution for D. linearis phytolith samples was much less than that for rice phytoliths. Despite the fact that the aluminum (Al) content was large in D. linearis leaves, batch dissolution data did not confirm a relation between Al and the slow rate of phytolith dissolution. The soil phytolith content varied from 0.9 to 7.5 g kg(-1) in the topsoil across the mountainous areas in northern Vietnam, whereas it tended to be smaller in the subsoil. The data indicate a relation between phytolith and soil organic matter, clay content, oxalate-soluble Al and electrical conductivity, suggesting that these soil properties are among the important factors affecting the size of the soil phytolith Si pool. Highlights KW - accumulation in soils KW - dissolution properties KW - phytolith KW - silicon Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1111/ejss.12754 SN - 1351-0754 SN - 1365-2389 VL - 70 IS - 3 SP - 507 EP - 517 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - GEN A1 - Spiekermann, Georg A1 - Harder, M. A1 - Gilmore, Keith A1 - Zalden, Peter A1 - Sahle, Christoph J. A1 - Petitgirard, Sylvain A1 - Wilke, Max A1 - Biedermann, Nicole A1 - Weis, Thomas A1 - Morgenroth, Wolfgang A1 - Tse, John S. A1 - Kulik, E. A1 - Nishiyama, Norimasa A1 - Yavaş, Hasan A1 - Sternemann, Christian T1 - Persistent Octahedral Coordination in Amorphous GeO₂ Up to 100 GPa by Kβ'' X-Ray Emission Spectroscopy T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - We measure valence-to-core x-ray emission spectra of compressed crystalline GeO₂ up to 56 GPa and of amorphous GeO₂ up to 100 GPa. In a novel approach, we extract the Ge coordination number and mean Ge-O distances from the emission energy and the intensity of the Kβ'' emission line. The spectra of high-pressure polymorphs are calculated using the Bethe-Salpeter equation. Trends observed in the experimental and calculated spectra are found to match only when utilizing an octahedral model. The results reveal persistent octahedral Ge coordination with increasing distortion, similar to the compaction mechanism in the sequence of octahedrally coordinated crystalline GeO₂ high-pressure polymorphs. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 699 KW - rutile-type KW - glass KW - crystalline KW - pressures KW - complexes KW - silicon KW - oxygen KW - SIO₂ KW - MO KW - CU Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427755 SN - 1866-8372 IS - 699 ER - TY - JOUR A1 - Spiekermann, Georg A1 - Harder, M. A1 - Gilmore, Keith A1 - Zalden, Peter A1 - Sahle, Christoph J. A1 - Petitgirard, Sylvain A1 - Wilke, Max A1 - Biedermann, Nicole A1 - Weis, Thomas A1 - Morgenroth, Wolfgang A1 - Tse, John S. A1 - Kulik, E. A1 - Nishiyama, Norimasa A1 - Yavaş, Hasan A1 - Sternemann, Christian T1 - Persistent Octahedral Coordination in Amorphous GeO₂ Up to 100 GPa by Kβ'' X-Ray Emission Spectroscopy JF - Physical Review X N2 - We measure valence-to-core x-ray emission spectra of compressed crystalline GeO₂ up to 56 GPa and of amorphous GeO₂ up to 100 GPa. In a novel approach, we extract the Ge coordination number and mean Ge-O distances from the emission energy and the intensity of the Kβ'' emission line. The spectra of high-pressure polymorphs are calculated using the Bethe-Salpeter equation. Trends observed in the experimental and calculated spectra are found to match only when utilizing an octahedral model. The results reveal persistent octahedral Ge coordination with increasing distortion, similar to the compaction mechanism in the sequence of octahedrally coordinated crystalline GeO₂ high-pressure polymorphs. KW - rutile-type KW - glass KW - crystalline KW - pressures KW - complexes KW - silicon KW - oxygen KW - SIO₂ KW - MO KW - CU Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.011025 SN - 2469-9926 SN - 0556-2791 SN - 1050-2947 SN - 1094-1622 VL - 9 IS - 1 PB - American Physical Society by the American Institute of Physics CY - Melville, NY ER - TY - THES A1 - Kegelmann, Lukas T1 - Advancing charge selective contacts for efficient monolithic perovskite-silicon tandem solar cells T1 - Entwicklung Ladungsselektiver Kontakte für Effiziente Monolithische Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen N2 - Hybrid organic-inorganic perovskites are one of the most promising material classes for photovoltaic energy conversion. In solar cells, the perovskite absorber is sandwiched between n- and p-type contact layers which selectively transport electrons and holes to the cell’s cathode and anode, respectively. This thesis aims to advance contact layers in perovskite solar cells and unravel the impact of interface and contact properties on the device performance. Further, the contact materials are applied in monolithic perovskite-silicon heterojunction (SHJ) tandem solar cells, which can overcome the single junction efficiency limits and attract increasing attention. Therefore, all contact layers must be highly transparent to foster light harvesting in the tandem solar cell design. Besides, the SHJ device restricts processing temperatures for the selective contacts to below 200°C. A comparative study of various electron selective contact materials, all processed below 180°C, in n-i-p type perovskite solar cells highlights that selective contacts and their interfaces to the absorber govern the overall device performance. Combining fullerenes and metal-oxides in a TiO2/PC60BM (phenyl-C60-butyric acid methyl ester) double-layer contact allows to merge good charge extraction with minimized interface recombination. The layer sequence thereby achieved high stabilized solar cell performances up to 18.0% and negligible current-voltage hysteresis, an otherwise pronounced phenomenon in this device design. Double-layer structures are therefore emphasized as a general concept to establish efficient and highly selective contacts. Based on this success, the concept to combine desired properties of different materials is transferred to the p-type contact. Here, a mixture of the small molecule Spiro-OMeTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’-spirobifluoren] and the doped polymer PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)] is presented as a novel hole selective contact. PEDOT thereby remarkably suppresses charge recombination at the perovskite surface, allowing an increase of quasi-Fermi level splitting in the absorber. Further, the addition of Spiro-OMeTAD into the PEDOT layer is shown to enhance charge extraction at the interface and allow high efficiencies up to 16.8%. Finally, the knowledge on contact properties is applied to monolithic perovskite-SHJ tandem solar cells. The main goal is to optimize the top contact stack of doped Spiro-OMeTAD/molybdenum oxide(MoOx)/ITO towards higher transparency by two different routes. First, fine-tuning of the ITO deposition to mitigate chemical reduction of MoOx and increase the transmittance of MoOx/ITO stacks by 25%. Second, replacing Spiro-OMeTAD with the alternative hole transport materials PEDOT/Spiro-OMeTAD mixtures, CuSCN or PTAA [poly(triaryl amine)]. Experimental results determine layer thickness constrains and validate optical simulations, which subsequently allow to realistically estimate the respective tandem device performances. As a result, PTAA represents the most promising replacement for Spiro-OMeTAD, with a projected increase of the optimum tandem device efficiency for the herein used architecture by 2.9% relative to 26.5% absolute. The results also reveal general guidelines for further performance gains of the technology. N2 - Hybride, organisch-anorganische Perowskite gelten als eine der vielversprechendsten Materialklassen für die photovoltaische Energieumwandlung. Dazu werden Perowskit-Absorber in Solarzellen zwischen n- und p-Typ Kontaktschichten angeordnet, die Elektronen oder Löcher selektiv zur Kathode bzw. Anode der Zelle transportieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die ladungsselektiven Transportschichten in Perowskit-Solarzellen zu verbessern und Einflüsse der Grenzflächen- und Kontakteigenschaften auf die Zelleffizienz herauszustellen. Darüber hinaus werden die selektiven Schichten in monolithischen Perowskit-Silizium-Heterokontakt (SHK) Tandem-Solarzellen eingesetzt. Diese können höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen erzielen und erfahren zunehmende Aufmerksamkeit aus der Forschung. Hierfür müssen alle Kontaktschichten hochtransparent sein, um eine möglichst effiziente Lichtausnutzung im Tandem-Solarzellen-Design zu erzielen. Des Weiteren limitiert die SHK-Solarzelle die höchst mögliche Temperatur zur Abscheidung der selektiven Kontakte auf 200°C. In einer Vergleichsstudie werden deshalb zunächst verschiedene elektronenselektive Kontaktmaterialien, die alle unter 180°C prozessiert werden, in n-i-p-Typ Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Es zeigt sich hierbei, wie wesentlich die selektiven Kontakte und ihre Grenzflächen zum Absorber die Effizienz der Solarzellen bestimmen. Eine Kombination aus Fulleren und Metalloxid in einem TiO2/PC60BM (Phenyl-C60-Buttersäuremethylester) Doppelschichtkontakt ermöglicht dabei eine besonders gute Ladungsextraktion und stark reduzierte Grenzflächenrekombination. Die Materialzusammenstellung erreicht in der Studie hohe stabilisierte Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,0% und eine vernachlässigbare Strom-Spannungs-Hysterese, ein üblicherweise ausgeprägtes Phänomen in diesem Zellaufbau. Das Ergebnis stellt Doppelschicht-Strukturen als generelles Konzept zur Herstellung effizienter und hochselektiver Kontakte heraus. Basierend auf diesem Erfolg wird das Konzept, Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu kombinieren, anschließend auf den p-Typ Kontakt übertragen. Dazu wird ein neuartiger lochselektiver Kontakt vorgestellt, bestehend aus einer Mischung des kleinen Moleküls Spiro-OMeTAD [2,2‘7,7‘-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9‘-spirobifluoren] und dem dotierten Polymer PEDOT [poly(3,4-ethylendioxythiophen)]. PEDOT unterdrückt dabei bemerkenswerter Weiße die Ladungsträgerrekombination an der Perowskit-Grenzfläche, wodurch eine Erhöhung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung im Absorber erzielt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass die Zugabe von Spiro-OMeTAD in die PEDOT-Schicht die Lochextraktion an der Grenzfläche verbessert und folglich hohe Solarzellenwirkungsgrade von bis zu 16,8% ermöglicht. Schließlich wird das gewonnene Wissen über die Bedeutung der Kontakt- und Grenzflächeneigenschaften auf monolithische Perowskit-SHK-Tandemsolarzellen angewandt. Das Hauptziel dabei ist die Optimierung des oberen Kontaktstapels, bestehend aus dotiertem Spiro-OMeTAD/Molybdän Oxid (MoOx)/ITO, hin zu verbesserter Transparenz. Zwei verschiedene Ansätze werden hierzu verfolgt. Erstens, durch Feinanpassung der ITO-Abscheidung kann eine chemische Reduktion von MoOx verringert und die Transmission von MoOx/ITO-Schichtstapeln um 25% erhöht werden. Zweitens: Durch Ersetzen des Spiro-OMeTAD mit alternativen, transparenteren Lochtransportmaterialien sollen parasitäre Absorptionsverluste vermieden werden. Als potentielle Lochkontakte werden dabei PEDOT/Spiro-OMeTAD-Mischungen, CuSCN und PTAA [Poly(triarylamin)] analysiert. Experimentelle Untersuchungen liefern optimierte Dicken der Lochkontakt und MoOx Schichten und dienen der Validierung optischer Simulationen der Schichtstapel. Dies erlaubt im Folgenden eine realistische Abschätzung der maximal erreichbaren Tandemsolarzelleneffizienzen. Dabei stellt PTAA den vielversprechendsten Ersatz für Spiro-OMeTAD dar, mit einer prognostizierten Erhöhung des erreichbaren Tandem-Solarzellenwirkungsgrad um 2,9% relativ auf 26,5% absolut. Die Ergebnisse stellen zudem einen Leitfaden zur weiteren Effizienzsteigerung der Tandemsolarzellen-Technologie dar. KW - perovskite KW - silicon KW - tandem solar cell KW - interface engineering KW - contact layers KW - Perowskit KW - Silizium KW - Tandem-Solarzelle KW - Interface-Engineering KW - Kontaktschichten Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426428 ER - TY - JOUR A1 - Schaller, Jörg A1 - Puppe, Daniel A1 - Kaczorek, Danuta A1 - Ellerbrock, Ruth A1 - Sommer, Michael T1 - Silicon cycling in soils revisited JF - Plants : open access journal N2 - Silicon (Si) speciation and availability in soils is highly important for ecosystem functioning, because Si is a beneficial element for plant growth. Si chemistry is highly complex compared to other elements in soils, because Si reaction rates are relatively slow and dependent on Si species. Consequently, we review the occurrence of different Si species in soil solution and their changes by polymerization, depolymerization, and condensation in relation to important soil processes. We show that an argumentation based on thermodynamic endmembers of Si dependent processes, as currently done, is often difficult, because some reactions such as mineral crystallization require months to years (sometimes even centuries or millennia). Furthermore, we give an overview of Si reactions in soil solution and the predominance of certain solid compounds, which is a neglected but important parameter controlling the availability, reactivity, and function of Si in soils. We further discuss the drivers of soil Si cycling and how humans interfere with these processes. The soil Si cycle is of major importance for ecosystem functioning; therefore, a deeper understanding of drivers of Si cycling (e.g., predominant speciation), human disturbances and the implication for important soil properties (water storage, nutrient availability, and micro aggregate stability) is of fundamental relevance. KW - andosols KW - clay neoformation KW - crop yield KW - land use change KW - micro KW - aggregate stability KW - phytoliths KW - sediments KW - silicon cycling KW - silicon KW - extraction methods KW - silicon pore water speciation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/plants10020295 SN - 2223-7747 VL - 10 IS - 2 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Haseeb, Haider T1 - Charge and heat transport across interfaces in nanostructured porous silicon T1 - Ladungs- und Wärmetransport über Grenzflächen in nanostrukturiertem porösem Silizium N2 - This thesis discusses heat and charge transport phenomena in single-crystalline Silicon penetrated by nanometer-sized pores, known as mesoporous Silicon (pSi). Despite the extensive attention given to it as a thermoelectric material of interest, studies on microscopic thermal and electronic transport beyond its macroscopic characterizations are rarely reported. In contrast, this work reports the interplay of both. PSi samples synthesized by electrochemical anodization display a temperature dependence of specific heat 𝐶𝑝 that deviates from the characteristic 𝑇^3 behaviour (at 𝑇<50𝐾). A thorough analysis reveals that both 3D and 2D Einstein and Debye modes contribute to this specific heat. Additional 2D Einstein modes (~3 𝑚𝑒𝑉) agree reasonably well with the boson peak of SiO2 in pSi pore walls. 2D Debye modes are proposed to account for surface acoustic modes causing a significant deviation from the well-known 𝑇^3 dependence of 𝐶𝑝 at 𝑇<50𝐾. A novel theoretical model gives insights into the thermal conductivity of pSi in terms of porosity and phonon scattering on the nanoscale. The thermal conductivity analysis utilizes the peculiarities of the pSi phonon dispersion probed by the inelastic neutron scattering experiments. A phonon mean-free path of around 10 𝑛𝑚 extracted from the presented model is proposed to cause the reduced thermal conductivity of pSi by two orders of magnitude compared to p-doped bulk Silicon. Detailed analysis indicates that compound averaging may cause a further 10-50% reduction. The percolation threshold of 65% for thermal conductivity of pSi samples is subsequently determined by employing theoretical effective medium models. Temperature-dependent electrical conductivity measurements reveal a thermally activated transport process. A detailed analysis of the activation energy 𝐸𝐴𝜎 in the thermally activated transport exhibits a Meyer Neldel compensation rule between different samples that originates in multi-phonon absorption upon carrier transport. Activation energies 𝐸𝐴𝑆 obtained from temperature-dependent thermopower measurements provide further evidence for multi-phonon assisted hopping between localized states as a dominant charge transport mechanism in pSi, as they systematically differ from the determined 𝐸𝐴𝜎 values. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit Wärme- und Ladungstransportphänomenen in mesoporösem Silizium (pSi) oder etwas genauer in einkristallinem Silizium, welches mit nanometergroßen Poren durchsetzt ist. Trotz der großen Aufmerksamkeit, die diesem thermoelektrischen Material zuteil wird, wird nur selten über Studien zum mikroskopischen thermischen und elektronischen Transport jenseits seiner makroskopischen Charakterisierung berichtet. Im Gegensatz dazu wird in dieser Studie das Zusammenspiel von beidem untersucht. PSi-Proben, die durch elektrochemische Anodisierung synthetisiert wurden, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme 𝐶𝑝, die vom charakteristischen 𝑇3 Verhalten (bei 𝑇<50𝐾) abweicht. Eine gründliche Analyse zeigt, dass sowohl 3D- als auch 2D-Einstein- und Debye-Moden zu dieser spezifischen Wärme beitragen. Zusätzliche 2D-Einstein-Moden (~3 𝑚𝑒𝑉) stimmen gut mit dem Bosonen-Peak von SiO2 in teilweise oxidierten pSi-Porenwänden überein. 2D-Debye-Moden werden vorgeschlagen, um akustische Oberflächenmoden zu erklären, die eine signifikante Abweichung von der bekannten 𝑇3Abhängigkeit von 𝐶𝑝 bei 𝑇<50𝐾 verursachen. Ein neuartiges theoretisches Modell gibt Einblicke in die Wärmeleitfähigkeit von pSi in Bezug auf Porosität und Phononenstreuung auf der Nanoskala. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit nutzt die Besonderheiten der pSi-Phononendispersion, die durch Experimente mit inelastischer Neutronenstreuung untersucht wurden. Ein mittlerer freier Weg der Phononen von etwa 10 𝑛𝑚, der aus dem vorgestellten Modell extrahiert wurde, wird als Ursache für die um zwei Größenordnungen geringere Wärmeleitfähigkeit von pSi im Vergleich zu p-dotiertem Silizium vorgeschlagen. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Porosität selbst eine weitere Verringerung der Wärmeleitfähigkeit um 10-50% verursachen kann. Die Perkolationsschwelle von 65 % für die Wärmeleitfähigkeit von pSi-Proben wird anschließend mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes für effektive Medien bestimmt. Temperaturabhängige Messungen der elektrischen Leitfähigkeit lassen einen thermisch aktivierten Transportprozess erkennen. Eine detaillierte Analyse der Aktivierungsenergie 𝐸𝐴𝜎 im thermisch aktivierten Transport zeigt eine Meyer-Neldel-Kompensationsregel zwischen verschiedenen Proben, die auf Multiphononenabsorption beim Ladungsträgertransport zurückzuführen ist. Aktivierungsenergien 𝐸𝐴𝑆, die aus temperaturabhängigen Seebeck-Messungen gewonnen wurden, liefern weitere Beweise für Multiphononen-unterstütztes Springen zwischen lokalisierten Zuständen als dominanten Ladungstransportmechanismus in pSi, da sie sich systematisch von den ermittelten 𝐸𝐴𝜎 Werten unterscheiden. KW - mesoporous KW - silicon KW - Meyer-Neldel-rule KW - nanomaterials KW - Meyer-Neldel-Regel KW - mesoporös KW - Nanomaterialien KW - Silizium Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-611224 ER -