TY  - THES
A1  - Hoffmann, Mathias
T1  - Improving measurement and modelling approaches of the closed chamber method to better assess dynamics and drivers of carbon based greenhouse gas emissions
N2  - The trace gases CO2 and CH4 pertain to the most relevant greenhouse gases and are important exchange fluxes of the global carbon (C) cycle. Their atmospheric quantity increased significantly as a result of the intensification of anthropogenic activities, such as especially land-use and land-use change, since the mid of the 18th century. To mitigate global climate change and ensure food security, land-use systems need to be developed, which favor reduced trace gas emissions and a sustainable soil carbon management. This requires the accurate and precise quantification of the influence of land-use and land-use change on CO2 and CH4 emissions. A common method to determine the trace gas dynamics and C sink or source function of a particular ecosystem is the closed chamber method. This method is often used assuming that accuracy and precision are high enough to determine differences in C gas emissions for e.g., treatment comparisons or different ecosystem components.
However, the broad range of different chamber designs, related operational procedures and data-processing strategies which are described in the scientific literature contribute to the overall uncertainty of closed chamber-based emission estimates. Hence, the outcomes of meta-analyses are limited, since these methodical differences hamper the comparability between studies. Thus, a standardization of closed chamber data acquisition and processing is much-needed. 
Within this thesis, a set of case studies were performed to: (I) develop standardized routines for an unbiased data acquisition and processing, with the aim of providing traceable, reproducible and comparable closed chamber based C emission estimates; (II) validate those routines by comparing C emissions derived using closed chambers with independent C emission estimates; and (III) reveal processes driving the spatio-temporal dynamics of C emissions by developing (data processing based) flux separation approaches.
The case studies showed: (I) the importance to test chamber designs under field conditions for an appropriate sealing integrity and to ensure an unbiased flux measurement. Compared to the sealing integrity, the use of a pressure vent and fan was of minor importance, affecting mainly measurement precision; (II) that the developed standardized data processing routines proved to be a powerful and flexible tool to estimate C gas emissions and that this tool can be successfully applied on a broad range of flux data sets from very different ecosystem; (III) that automatic chamber measurements display temporal dynamics of CO2 and CH4 fluxes very well and most importantly, that they accurately detect small-scale spatial differences in the development of soil C when validated against repeated soil inventories; and (IV) that a simple algorithm to separate CH4 fluxes into ebullition and diffusion improves the identification of environmental drivers, which allows for an accurate gap-filling of measured CH4 fluxes.  
Overall, the proposed standardized data acquisition and processing routines strongly improved the detection accuracy and precision of source/sink patterns of gaseous C emissions. Hence, future studies, which consider the recommended improvements, will deliver valuable new data and insights to broaden our understanding of spatio-temporal C gas dynamics, their particular environmental drivers and underlying processes.
N2  - Die Spurengase CO2 und CH4 gehören zu den wichtigsten atmosphärischen Treibhausgasen und sind zugleich wichtige Austauschflüsse im globalen Kohlenstoff-(C)-Kreislauf. Als Ergebnis zunehmender anthropogener Aktivitäten insbesondere auch im Bereich der Landnutzung und des Landnutzungswandel stiegen seit Mitte des 18 Jahrhunderts die atmosphärischen CO2 und CH4 Konzentrationen deutlich an. Um die zu erwartenden Auswirkungen des globalen Klimawandels abzuschwächen aber auch um die weltweite Ernährungssicherheit zu gewährleisten, bedarf es der Entwicklung neuer Landnutzungssysteme welche sich durch verminderte Treibhausgasemissionen und ein nachhaltiges Management der Bodenkohlenstoffvorrate auszeichnen. 
Dies erfordert die akkurate und präzise Quantifizierung des Einflusses von Landnutzung und Landnutzungswandel auf die CO2 und CH4 Emissionen. Eine gängige Methode zur Bestimmung von Spurengasemissionen und darauf aufbauend der C Senken bzw. Quellenfunktion verschiedenster Ökosysteme stellen Haubenmessungen dar. Unterschiedliche Haubendesigns, Messprozeduren und Strategien bei der Datenaufbereitung führen jedoch mitunter zu erheblichen Unsicherheiten bei den gemessenen C Emissionen. Dies kann die Aussagekraft von Metastudien maßgeblich beeinträchtigen, da die Vergleichbarkeit mittels geschlossener Hauben durchgeführter Untersuchungen nicht gewährleistet werden kann. Daher ist eine Standardisierung der Erfassung und Auswertung von Haubenmessungen dringend erforderlich. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb eine Reihe von Fallstudien durchgeführt um: (I) standardisierte Routinen zu entwickeln welche eine fehlerfreiere Datenerfassung und Bearbeitung von Haubenmessungen erlauben und so nachvollziehbare, reproduzierbare und vergleichbare C Emissionen liefern; (II) erarbeitete Routinen zu validieren indem auf geschlossenen Haubenmessungen basierende C Emissionen mit unabhängigen Daten verglichen werden; und (III) mittels entwickelter Separationsverfahren Teilflüsse präzise zu quantifizieren um Beziehungen zwischen CO2 und CH4 Flüssen und ihren Treibern besser analysieren zu können. Die durchgeführten Fallstudien zeigen: (I) die Notwendigkeit eingesetzte Hauben unter möglichst realistischen (Feld)-Bedingungen hinsichtlich ihrer Dichtigkeit (insbesondere an der Abdichtung zwischen Rahmen und Haube) zu überprüfen, da nur so fehlerfreie Messungen sichergestellt werden können; (II) das die entwickelten Routinen zur standardisierten Datenbearbeitung ein geeignetes flexibles Werkzeug darstellen um eine verlässliche Abschatzung gasförmige C Emissionen vorzunehmen; (III) das die zeitliche Dynamik von CO2 und CH4 Flüssen sowie kleinräumige Unterschiede in der Entwicklung von Bodenkohlenstoffvorraten gut mittels automatischer Haubenmesssysteme erfasst werden können (Validierung der Ergebnisse mittels wiederholter Bodeninventarisierung); und (IV) das ein einfacher Algorithmus zur Separation von CH4 in seine Flusskompartimente (blasenförmiger Massenfluss vs. Diffusion) die Identifizierung von Treibern verbessert und so ein akkurateres Füllen von Messlücken ermöglicht. 
Die in der Arbeit vorgestellten Routinen zur standardisierten Datenerfassung und Bearbeitung finden gegenwärtig national wie international Anwendung und helfen somit bei der Generierung  vergleichbarer, akkurater und präziser Abschätzungen von standort-/ökosystemspezifischen C Emissionen.
N2  - Следовые газы CO2 и CH4 относятся к наиболее значимым парниковым газам и являются важнейшими компонентами глобального углеродного (С) цикла. С середины XVIII столетия их атмосферная концентрация значительно увеличилась, в результате возросшей антропогенной деятельности, в особенности за счет такой сферы как землепользование и изменение землепользования. С целью смягчения последствий глобального изменения климата и обеспечения продовольственной безопасности, необходима разработка систем землепользования, которые будет способствовать сокращению эмиссии следовых газов и обеспечат устойчивое управление углеродными запасами почв. В свою очередь, это требует проведения аккуратной и точной количественной оценки воздействия землепользования и изменения землепользования на эмиссии CO2 и CH4. Стандартным способом для оценки динамики следовых газов и определения функции накопления или потери углерода экосистемой является метод закрытых камер. Данный метод часто используется с учетом предположения, что аккуратность и точность полученных результатов достаточно высоки, чтобы оценить разность между потоками углеродсодержащих газов. Например, при сравнении способов воздействия на экосистему либо для оценки углеродных потоков от ее компонентов. 
В научной литературе описано множество различных вариантов конструкций закрытых камер, связанных с ними операционных процедур и стратегий обработки данных. Это широкое разнообразие вносит свой вклад в общую неопределенность при оценке эмиссии парниковых газов методом закрытых камер. В результате, полученные на основе мета-анализа выводы обладают определенными ограничениями, т.к. методологические различия между разными исследованиями затрудняют сравнение их результатов. В связи с этим, необходимо проведение стандартизации сбора и обработки данных для методики закрытых камер. 
В рамках данных тезисов, был выполнен ряд тематических исследований с целью:(1) разработать для методики закрытых камер стандартизированные процедуры несмещенного сбора и обработки данных, которые позволят получить явно отслеживаемые, воспроизводимые и сопоставимые оценки углеродных потоков; (2) провести валидацию этих процедур, путем сравнения оценок потоков углерода, полученных методом закрытых камер с результатами оценки других независимых методов; (3) разработать, на основе анализа данных, способы для разделения углеродных потоков и установить процессы, регулирующие их пространственно-временную динамику. 
Результаты тематических исследований показали: (1) Важно проводить испытания конструкции камер на герметичность в полевых условиях и удостовериться, что измерения потоков углерода несмещенные. В сравнении с влиянием герметичности камеры, использование клапанов для выравнивания давления и вентиляторов имело несущественное значение и влияло только на точность измерений; (2) Было подтверждено, что разработанные стандартизированные методы обработки данных являются мощным и гибким инструментом оценки эмиссии углерода. На сегодняшний день эти методы успешно применяются на широком спектре разнообразных наборов данных углеродных потоков для различных типов экосистем; (3) Измерения, выполненные автоматическими закрытыми камерами, отчетливо демонстрируют временную динамику потоков CO2 и CH4 и, что наиболее важно, они хорошо выявляют мелкомасштабные пространственные различия в накоплении почвенного углерода, что было подтверждено с помощью повторяемой инвентаризации почвенных запасов углерода; (4) Простой алгоритм разделения эмиссии CH4 на потоки выбросов в виде диффузии газа и выделения в виде пузырей улучшает идентификацию экологических факторов, которые их регулируют, что позволяет более точно оценить эмиссии CH4 в периоды между измерениями. 
В целом предложенные стандартизированные методы сбора и обработки данных значительно увеличивают точность моделей выделения-поглощения газообразных углеродных эмиссий. Таким образом, будущие исследования, проведенные с учетом рекомендуемых усовершенствований, позволят получить новые ценные данные и гипотезы для расширения нашего понимания пространственно-временной динамики потоков углеродсодержащих газов, экологических факторов их регулирования и лежащих в их основе процессов.
N2  - Le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) font partie des gaz à effet de serre les plus importants et sont également des éléments majeurs du cycle global du carbone. Depuis le milieu du XVIIIe siècle, leur quantité dans l’atmosphère a considérablement augmenté en raison de l'intensification des activités anthropiques, notamment l'exploitation des terres et la modification de l'utilisation de ces dernières. Afin d’atténuer les effets du changement climatique et d’assurer la sécurité alimentaire, il faut mettre au point des systèmes d’utilisation des terres qui favorisent la réduction des émissions de gaz à effet de serre ainsi qu’une gestion durable des stocks de carbone dans les sols. Cela exige une quantification exacte et précise de l'influence de l'utilisation des terres et de la modification de l'utilisation des sols sur les émissions de CO2 et de CH4. La méthode à chambre fermée est une méthode courante pour déterminer l’évolution des gaz présents à faible concentration atmosphérique et du puits de carbone, ou pour analyser la fonction primaire d'un écosystème singulier. Cette méthode est souvent utilisée en supposant que l’exactitude et la précision sont suffisamment élevées pour déterminer les différences dans les émissions de gaz à effet de serre, par exemple pour comparer les traitements ou les différentes composantes de l’écosystème.
Toutefois, la vaste gamme de conceptions de chambres différentes, les procédures de mesure et les stratégies de traitement des données décrites dans la documentation scientifique contribuent à l’incertitude générale quant à l’analyse des émissions récoltées en chambre fermée. Par conséquent, les résultats des méta-analyses sont limités, car ces différences méthodologiques entravent la comparabilité des études. La standardisation de l’acquisition et du traitement des données en chambre fermée est donc indispensable.
Dans le cadre de cette thèse, une série d'études de cas ont été réalisées pour: (I) élaborer des routines standardisées pour l'acquisition et le traitement de données impartiales, dans le but de fournir des estimations des émissions de carbone en chambre fermée traçables, reproductibles et comparables; (II) valider ces routines en comparant les émissions de carbone obtenues par la méthode des chambres fermées avec des estimations indépendantes des émissions de carbone; et (III) révéler les processus qui déterminent la dynamique spatio-temporelle des émissions de carbone en développant un processus de traitement de données basé sur l’approche de la séparation des flux.
Les études de cas montrent: (I) l'importance de tester la conception des chambres dans des conditions de terrain pour une étanchéité appropriée et pour assurer une mesure impartiale des flux. Comparé à l'intégrité de l'étanchéité, l'utilisation d'une soupape de compensation de pression et d'un ventilateur était d'une importance mineure, affectant principalement la précision des mesures; (II) que les routines de traitement des données standardisées développées se sont avérées être un outil puissant et flexible pour estimer les émissions de carbone. L'outil est maintenant appliqué avec succès sur un large éventail de séries de données de flux provenant d'écosystèmes très différents; (III) que les mesures faites à l’aide de chambres automatiques montrent très bien la dynamique temporelle des flux CO2 et de CH4 et, surtout, qu'elles détectent avec précision les différences spatiales à petite échelle dans le développement des réserves de carbone dans le sol lorsqu'elles sont validées par des inventaires périodiques du sol; et (IV) qu’un algorithme simple pour séparer les flux de CH4 en ébullition et en diffusion améliore l'identification de facteurs environnementaux, ce qui permet de combler avec précision les données manquantes des flux de CH4 mesurés.
Dans l'ensemble, les routines standardisées proposées pour l'acquisition et le traitement des données ont grandement amélioré l'exactitude de la détection des profils source/évier des émissions de carbone gazeux. Par conséquent, les études futures, qui tiennent compte des améliorations recommandées, fourniront de nouvelles données et de nouvelles perspectives précieuses pour élargir notre compréhension de la dynamique spatio-temporelle du gaz carbone, de ses moteurs environnementaux spécifiques et des processus sous-jacents.
N2  - Los gases traza CO2 y CH4 pertenecen a los gases de efecto invernadero más importantes del ciclo global del carbono (C). Su concentración en la atmósfera se ha incrementado significativamente desde mediados del siglo XVIII como resultado de la intensificación de las actividades antropogénicas, como el uso del suelo y el cambio en los usos de la tierra. Para mitigar el cambio climático global y garantizar la seguridad alimentaria es necesario desarrollar sistemas de uso del suelo que favorezcan la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y una gestión sostenible del carbono en el suelo.
Esto requiere un cálculo exacto y preciso de la influencia del uso del suelo y de los cambios en el uso del suelo en las emisiones de CO2 y CH4. Un método común para determinar las dinámicas del gas traza y la función de fuente o sumidero de C de un ecosistema es el método de las cámaras cerradas. Este método se utiliza comúnmente asumiendo que la exactitud y precisión son lo suficientemente elevadas para determinar las diferencias en la emisiones de gases C, por ejemplo, comparaciones de tratamientos o de los diferentes componentes del ecosistema.
Sin embargo, la amplia gama de diseños de cámaras, los procedimientos operativos relacionados y las estrategias de procesamiento de datos descritas en la literatura científica contribuyen a la incertidumbre general de las estimaciones de emisiones basadas en cámaras cerradas. Además, los resultados de los metanálisis son limitados, ya que estas diferencias metodológicas dificultan la comparabilidad entre los estudios. Por lo tanto, la estandarización en la obtención y procesamiento de datos en el método de la cámara cerrada es muy necesaria. En esta tesis se desarrollan un conjunto de casos de estudio para: (I) Desarrollar rutinas estandarizadas para una obtención y procesamiento de datos imparcial, con el objetivo de proporcionar estimaciones de emisiones de C basadas en cámaras cerradas trazables, reproducibles y comparables; (II) Validar esas rutinas comparando las emisiones de C derivadas del método de las cámaras cerradas con estimaciones independientes de emisiones de C; y (III) revelar procesos que impulsan la dinámica espacio temporal de las emisiones de C, a través del desarrollo de un proceso de tratamiento de datos basado en el enfoque de la separación de flujos. Los casos de estudio muestran: (I) La importancia de someter a prueba el diseño de las cámaras a las condiciones de campo para una apropiada integridad del sellado y para garantizar una medición de flujo imparcial. Comparado con la integridad del sellado, el uso de la ventilación a presión y del ventilador resultó de menor importancia, afectando principalmente a la precisión de las mediciones. (II) que las rutinas estandarizadas desarrolladas para el procesamiento de datos demostraron ser una herramienta poderosa y flexible para estimar las emisiones de gases de C. La herramienta ahora se aplica con éxito en una amplia gama de conjuntos de datos de flujo de ecosistemas muy diferentes; (III) que las mediciones con cámaras automáticas muestran claramente la dinámica temporal de las emisiones de CO2 y lo más importante, que detectan con precisión diferencias espaciales a pequeña escala en el desarrollo del C en el suelo cuando se validan con inventarios periódicos del suelo ; y (IV) que un simple algoritmo para separar flujos de CH4 entre ebullición y difusión mejora la identificación de los impulsores ambientales, lo cual permite un procedimiento más exacto para el relleno del vacío de datos de las mediciones de los flujos de CH4.
En términos generales puede decirse que los algoritmos de obtención y procesamiento de datos estandarizados propuestos mejoraron en gran medida la precisión de detección de los patrones fuente / sumidero de emisiones de C gaseoso. Por lo tanto, los futuros estudios, que consideren las mejoras recomendadas, ofrecerán nuevos datos y conocimientos útiles para ampliar nuestra comprensión de la dinámica espacio-temporal del C de los gases, sus impulsores ambientales específicos y los procesos subyacentes.
T2  - Verbesserung von Mess- und Modellierungsansätzen der geschlossenen Haubenmessmethode zur besseren Erfassung von raumzeitlichen Veränderungen und potentiellen Treibern kohlenstoffbasierter Treibhausgasemissionen
KW  - greenhouse gases
KW  - closed chamber method
KW  - carbon dioxide
KW  - methane
KW  - Kohlenstoffdioxid
KW  - geschlossene Haubenmessmethode
KW  - Treibhausgase
KW  - Methan
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421302
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kolk, Jens
T1  - The long-term legacy of historical land cover changes
T1  - Die Langzeitfolgen historischer Landbedeckungsveränderungen
BT  - patterns and dynamics in herb-layer species richness in deciduous forests of the Prignitz region (NE Germany)
BT  - Muster und Dynamik der Artenvielfalt von Waldpflanzengemeinschaften in Laubwäldern der Prignitz (Nordostdeutschland)
N2  - Over the last years there is an increasing awareness that historical land cover changes and associated land use legacies may be important drivers for present-day species richness and biodiversity due to time-delayed extinctions or colonizations in response to historical environmental changes. Historically altered habitat patches may therefore exhibit an extinction debt or colonization credit and can be expected to lose or gain species in the future. However, extinction debts and colonization credits are difficult to detect and their actual magnitudes or payments have rarely been quantified because species richness patterns and dynamics are also shaped by recent environmental conditions and recent environmental changes.
In this thesis we aimed to determine patterns of herb-layer species richness and recent species richness dynamics of forest herb layer plants and link those patterns and dynamics to historical land cover changes and associated land use legacies. The study was conducted in the Prignitz, NE-Germany, where the forest distribution remained stable for the last ca. 100 years but where a) the deciduous forest area had declined by more than 90 per cent (leaving only remnants of "ancient forests"), b) small new forests had been established on former agricultural land ("post-agricultural forests"). Here, we analyzed the relative importance of land use history and associated historical land cover changes for herb layer species richness compared to recent environmental factors and determined magnitudes of extinction debt and colonization credit and their payment in ancient and post-agricultural forests, respectively.
We showed that present-day species richness patterns were still shaped by historical land cover changes that ranged back to more than a century. Although recent environmental conditions were largely comparable we found significantly more forest specialists, species with short-distance dispersal capabilities and clonals in ancient forests than in post-agricultural forests. Those species richness differences were largely contingent to a colonization credit in post-agricultural forests that ranged up to 9 species (average 4.7), while the extinction debt in ancient forests had almost completely been paid. Environmental legacies from historical agricultural land use played a minor role for species richness differences. Instead, patch connectivity was most important. Species richness in ancient forests was still dependent on historical connectivity, indicating a last glimpse of an extinction debt, and the colonization credit was highest in isolated post-agricultural forests. In post-agricultural forests that were better connected or directly adjacent to ancient forest patches the colonization credit was way smaller and we were able to verify a gradual payment of the colonization credit from 2.7 species to 1.5 species over the last six decades.
N2  - In den vergangenen Jahren reift immer mehr die Erkenntnis, dass historische Landnutzungsveränderungen und deren Folgewirkungen einen wichtigen Einfluss auf die heutige Artenvielfalt und Biodiversität haben können. In Habitaten, deren Landnutzung und Fläche sich in historischer Zeit verändert hat kann aufgrund von verzögerten Aussterbe- und Einwanderungsprozessen eine erhöhte oder verringerte Artenvielfalt vorliegen, die nicht den heutigen Umweltbedingungen entspricht. Es liegen Aussterbeschulden oder Einwanderungs- bzw. Kolonisierungskredite vor, welcher über die Zeit mit Artverlusten oder Zugewinnen von Arten bezahlt werden. Aussterbeschulden oder Einwanderungskredite und deren Bezahlung sind schwierig zu ermitteln, da einerseits Informationen zu historischen Landnutzungsveränderungen oft fehlen und andererseits auch heutige Umweltfaktoren einen wichtigen Einfluss auf die Artenvielfalt haben.
Das Ziel dieser Arbeit war es die heutigen Muster der Artenvielfalt von Waldbodenpflanzen in Laub- und Mischwäldern und deren Veränderungen über die letzten 60 Jahre zu ermitteln und diese Muster im Hinblick auf historische Landnutzungsveränderungen zu untersuchen. Das Studiengebiet umfasst große Teile der Prignitz (Brandenburg und angrenzende Teile von Sachsen-Anhalt), ein Gebiet, dessen Waldanteil sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert hat, in dem sich jedoch seit dem Ende des 19ten Jahrhunderts der Anteil historisch alter Wälder (ohne historische nachgewiesene agrarliche Nutzung) um mehr als 90% reduziert hat, während an anderer Stelle wenige neue Wälder auf vorigen Agrarflächen etabliert wurden. Im Rahmen dieser Studie wurde zunächst die Artenvielfalt und deren aktuelle Veränderung in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern untersucht und verglichen. Um den Einfluss von historischen Landnutzungsveränderungen auf die Artenvielfalt zu ermittlen, wurde die historische und heutige Vernetzung der Waldflächen analysiert, die Umweltbedingungen in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern verglichen und der Umfang und die Bezahlung der Aussterbeschulden und der Kolonisierungskredite ermittelt.
Die Arbeit zeigt, dass historische Landnutzungsveränderungen die heutige Artenvielfalt noch immer beeinflussen. Obwohl die heutigen Umweltbedingungen in historisch-alten und neu etablierten Wäldern vergleichbar waren, war die Gesamtartenzahl in historisch-alten Wäldern signifikant höher und in diesen Wäldern wurden insbesondere mehr Waldspezialisten und sich nur über kurze Enfernung ausbreitende Pflanzenarten gefunden. Die Unterschiede in den Artenzahlen sind vor allem auf einen Kolonisierungskredit in neu etablierten Wäldern zurückzuführen, während die Aussterbeschulden in historisch-alten Wäldern weitgehend bezahlt wurden. Der Kolonisierungskredits war am höchsten in isoliert gelegenen Waldflächen und belief sich auf bis zu 9 Arten (im Mittel 4,7). Der Kolonisierungskredit in besser vernetzten und in direkt an historisch-alten Wäldern angrenzenden Flächen war deutlich geringer. In diesen Wäldern konnte eine Verringerung des Kolonisierungskredites von im Mittel 2,7 zu 1,5 Arten über die letzten sechs Jahrzehnte nachgewiesen werden.
KW  - ecology
KW  - plant science
KW  - extinction debt
KW  - colonization credit
KW  - species richness
KW  - land use history
KW  - Ökologie
KW  - Pflanzenwissenschaften
KW  - Botanik
KW  - Aussterbeschuld
KW  - Einwanderungskredit
KW  - Biodiversität
KW  - Landnutzungshistorie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439398
ER  - 
TY  - THES
A1  - Behm, Laura Vera Johanna
T1  - Thermoresponsive Zellkultursubstrate für zeitlich-räumlich gesteuertes Auswachsen neuronaler Zellen
T1  - Thermoresponsive cell culture substrates for spatio-temporal controlled outgrowth of neuronal cells
N2  - Ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften ist das Verständnis der komplexen und zugleich faszinierenden, hochgeordneten Vernetzung der Neurone im Gehirn, welche neuronalen Prozessen, wie zum Beispiel dem Wahrnehmen oder Lernen wie auch Neuropathologien zu Grunde liegt. Für verbesserte neuronale Zellkulturmodelle zur detaillierten Untersuchung dieser Prozesse ist daher die Rekonstruktion von geordneten neuronalen Verbindungen dringend erforderlich. Mit Oberflächenstrukturen aus zellattraktiven und zellabweisenden Beschichtungen können neuronale Zellen und ihre Neuriten in vitro strukturiert werden. Zur Kontrolle der neuronalen Verbindungsrichtung muss das Auswachsen der Axone zu benachbarten Zellen dynamisch gesteuert werden, zum Beispiel über eine veränderliche Zugänglichkeit der Oberfläche. 
In dieser Arbeit wurde untersucht, ob mit thermoresponsiven Polymeren (TRP) beschichtete Zellkultursubstrate für eine dynamische Kontrolle des Auswachsens neuronaler Zellen geeignet sind. TRP können über die Temperatur von einem zellabweisenden in einen zellattraktiven Zustand geschaltet werden, womit die Zugänglichkeit der Oberfläche für Zellen dynamisch gesteuert werden kann. Die TRP-Beschichtung wurde mikrostrukturiert, um einzelne oder wenige neuronale Zellen zunächst auf der Oberfläche anzuordnen und das Auswachsen der Zellen und Neuriten über definierte TRP-Bereiche in Abhängigkeit der Temperatur zeitlich und räumlich zu kontrollieren. Das Protokoll wurde mit der neuronalen Zelllinie SH-SY5Y etabliert und auf humane induzierte Neurone übertragen. Die Anordnung der Zellen konnte bei Kultivierung im zellabweisenden Zustand des TRPs für bis zu 7 Tage aufrecht erhalten werden. Durch Schalten des TRPs in den zellattraktiven Zustand konnte das Auswachsen der Neuriten und Zellen zeitlich und räumlich induziert werden. Immunozytochemische Färbungen und Patch-Clamp-Ableitungen der Neurone demonstrierten die einfache Anwendbarkeit und Zellkompatibilität der TRP-Substrate. 
Eine präzisere räumliche Kontrolle des Auswachsens der Zellen sollte durch lokales Schalten der TRP-Beschichtung erreicht werden. Dafür wurden Mikroheizchips mit Mikroelektroden zur lokalen Jouleschen Erwärmung der Substratoberfläche entwickelt. Zur Evaluierung der generierten Temperaturprofile wurde eine Temperaturmessmethode entwickelt und die erhobenen Messwerte mit numerisch simulierten Werten abgeglichen. Die Temperaturmessmethode basiert auf einfach zu applizierenden Sol-Gel-Schichten, die den temperatursensitiven Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B enthalten. Sie ermöglicht oberflächennahe Temperaturmessungen in trockener und wässriger Umgebung mit hoher Orts- und Temperaturauflösung. Numerische Simulationen der Temperaturprofile korrelierten gut mit den experimentellen Daten. Auf dieser Basis konnten Geometrie und Material der Mikroelektroden hinsichtlich einer lokal stark begrenzten Temperierung optimiert werden. Ferner wurden für die Kultvierung der Zellen auf den Mikroheizchips eine Zellkulturkammer und Kontaktboard für die elektrische Kontaktierung der Mikroelektroden geschaffen. 
Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren erstmalig das enorme Potential thermoresponsiver Zellkultursubstrate für die zeitlich und räumlich gesteuerte Formation geordneter neuronaler Verbindungen in vitro. Zukünftig könnte dies detaillierte Studien zur neuronalen Informationsverarbeitung oder zu Neuropathologien an relevanten, humanen Zellmodellen ermöglichen.
N2  - An important goal of neurosciences is to understand the fascinating, complex and highly ordered neuronal circuits of the brain that are underlying important neuronal processes such as learning and memory, as well as neuropathologies. For detailed studies of these processes improved neuronal cell culture models that allow a reconstruction of ordered neuronal connections are crucial. Neuronal cells can be patterned in vitro with structured surface coatings of cell repellent and cell attractive substances. For controlling also the direction of neuronal cell connections the outgrowth of the axons towards neighbouring cells needs to be dynamically controlled, which can be achieved for example by surface structures that can be changed due to switchable surface properties. 
The main goal of this work was to explore if cell culture substrates with coatings of thermoresponsive polymer (TRP) are suitable for dynamically controlling the outgrowth of neuronal cells. TRPs can be switched via temperature between a cell repellent and a cell attractive state, which enables a dynamic change of surface properties. The TRP coating was microstructured in order to pattern neuronal cells and to spatio-temporally control the outgrowth of cells and neurites across defined TRP-coated areas in dependence of the temperature. The protocol was established with the neuronal cell line SH-SY5Y and transferred to human induced neuronal cells. The cell patterns could be maintained for up to 7 days of cultivation when the TRP was kept in the cell repellent state. By switching the TRP to the cell attractive state the outgrowth of neurites and cells was induced at defined time points and areas. Immunocytochemical staining and patch-clamp recordings of the neurons demonstrated the cell compatibility and easy applicability of these TRP-substrates. 
A more precise spatial control of the outgrowth of cells should be further achieved by local switching of the TRP-coating. Therefore, microheaters comprising microelectrodes were developed for locally heating the substrate surface. For evaluation of the generated temperature profiles a thermometry method was developed and the values obtained were correlated with numerically simulated data. The thermometry method is based on easily applicable sol-gel-films containing the temperature-sensitive fluorophore Rhodamine B. It allows temperature measurements close to the surface under both dry and liquid conditions with high resolution regarding space (lower µm-range) and temperature (≤ 1°C). Numerical simulations of the temperature profiles correlated well with experimental data. On this basis geometry and material of the microelectrodes were optimized with regard to locally restricted temperature changes. Furthermore, a chip environment for cultivating the cells on the microheater chips was developed comprising a cell culture chamber and a contact board for electrically contacting the microelectrodes. 
The results presented in this work demonstrate for the first time the great potential of thermoresponsive cell culture substrates for a spatio-temporally controlled formation of neuronal connections in vitro. In future this could facilitate detailed studies of information processing in neuronal networks or of neuropathologies using relevant human neuronal cell models.
KW  - neuronale Netzwerke
KW  - Mikrostrukturierung
KW  - Neuritenwachstum
KW  - thermoresponsive Polymere
KW  - Lab-on-a-chip
KW  - Rhodamin B
KW  - Thermometrie
KW  - Mikroheizung
KW  - Oberflächentemperatur
KW  - Sol-Gel
KW  - Zelladhäsionskontrolle
KW  - neuronal networks
KW  - microstructures
KW  - neurite outgrowth
KW  - thermoresponsive polymers
KW  - lab-on-a-chip
KW  - Rhodamine B
KW  - thermometry
KW  - microheating
KW  - surface temperature
KW  - sol-gel
KW  - cell adhesion control
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436196
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TY  - THES
A1  - López García, Patricia
T1  - Coiled coils as mechanical building blocks
T1  - Coiled Coils als mechanische Bausteine
N2  - The natural abundance of Coiled Coil (CC) motifs in cytoskeleton and extracellular matrix proteins suggests that CCs play an important role as passive (structural) and active (regulatory) mechanical building blocks. CCs are self-assembled superhelical structures consisting of 2-7 α-helices. Self-assembly is driven by hydrophobic and ionic interactions, while the helix propensity of the individual helices contributes additional stability to the structure. As a direct result of this simple sequence-structure relationship, CCs serve as templates for protein design and sequences with a pre-defined thermodynamic stability have been synthesized de novo. Despite this quickly increasing knowledge and the vast number of possible CC applications, the mechanical function of CCs has been largely overlooked and little is known about how different CC design parameters determine the mechanical stability of CCs. Once available, this knowledge will open up new applications for CCs as nanomechanical building blocks, e.g. in biomaterials and nanobiotechnology.
With the goal of shedding light on the sequence-structure-mechanics relationship of CCs, a well-characterized heterodimeric CC was utilized as a model system. The sequence of this model system was systematically modified to investigate how different design parameters affect the CC response when the force is applied to opposing termini in a shear geometry or separated in a zipper-like fashion from the same termini (unzip geometry). The force was applied using an atomic force microscope set-up and dynamic single-molecule force spectroscopy was performed to determine the rupture forces and energy landscape properties of the CC heterodimers under study. Using force as a denaturant, CC chain separation is initiated by helix uncoiling from the force application points. In the shear geometry, this allows uncoiling-assisted sliding parallel to the force vector or dissociation perpendicular to the force vector. Both competing processes involve the opening of stabilizing hydrophobic (and ionic) interactions. Also in the unzip geometry, helix uncoiling precedes the rupture of hydrophobic contacts.
In a first series of experiments, the focus was placed on canonical modifications in the hydrophobic core and the helix propensity. Using the shear geometry, it was shown that both a reduced core packing and helix propensity lower the thermodynamic and mechanical stability of the CC; however, with different effects on the energy landscape of the system. A less tightly packed hydrophobic core increases the distance to the transition state, with only a small effect on the barrier height. This originates from a more dynamic and less tightly packed core, which provides more degrees of freedom to respond to the applied force in the direction of the force vector. In contrast, a reduced helix propensity decreases both the distance to the transition state and the barrier height. The helices are ‘easier’ to unfold and the remaining structure is less thermodynamically stable so that dissociation perpendicular to the force axis can occur at smaller deformations.
Having elucidated how canonical sequence modifications influence CC mechanics, the pulling geometry was investigated in the next step. Using one and the same sequence, the force application points were exchanged and two different shear and one unzipping geometry were compared. It was shown that the pulling geometry determines the mechanical stability of the CC. Different rupture forces were observed in the different shear as well as in the unzipping geometries, suggesting that chain separation follows different pathways on the energy landscape. Whereas the difference between CC shearing and unzipping was anticipated and has also been observed for other biological structures, the observed difference for the two shear geometries was less expected. It can be explained with the structural asymmetry of the CC heterodimer. It is proposed that the direction of the α-helices, the different local helix propensities and the position of a polar asparagine in the hydrophobic core are responsible for the observed difference in the chain separation pathways. In combination, these factors are considered to influence the interplay between processes parallel and perpendicular to the force axis.
To obtain more detailed insights into the role of helix stability, helical turns were reinforced locally using artificial constraints in the form of covalent and dynamic ‘staples’. A covalent staple bridges to adjacent helical turns, thus protecting them against uncoiling. The staple was inserted directly at the point of force application in one helix or in the same terminus of the other helix, which did not experience the force directly. It was shown that preventing helix uncoiling at the point of force application reduces the distance to the transition state while slightly increasing the barrier height. This confirms that helix uncoiling is critically important for CC chain separation. When inserted into the second helix, this stabilizing effect is transferred across the hydrophobic core and protects the force-loaded turns against uncoiling. If both helices were stapled, no additional increase in mechanical stability was observed. When replacing the covalent staple with a dynamic metal-coordination bond, a smaller decrease in the distance to the transition was observed, suggesting that the staple opens up while the CC is under load.
Using fluorinated amino acids as another type of non-natural modification, it was investigated how the enhanced hydrophobicity and the altered packing at the interface influences CC mechanics. The fluorinated amino acid was inserted into one central heptad of one or both α-helices. It was shown that this substitution destabilized the CC thermodynamically and mechanically. Specifically, the barrier height was decreased and the distance to the transition state increased. This suggests that a possible stabilizing effect of the increased hydrophobicity is overruled by a disturbed packing, which originates from a bad fit of the fluorinated amino acid into the local environment. This in turn increases the flexibility at the interface, as also observed for the hydrophobic core substitution described above. In combination, this confirms that the arrangement of the hydrophobic side chains is an additional crucial factor determining the mechanical stability of CCs.
In conclusion, this work shows that knowledge of the thermodynamic stability alone is not sufficient to predict the mechanical stability of CCs. It is the interplay between helix propensity and hydrophobic core packing that defines the sequence-structure-mechanics relationship. In combination, both parameters determine the relative contribution of processes parallel and perpendicular to the force axis, i.e. helix uncoiling and uncoiling-assisted sliding as well as dissociation. This new mechanistic knowledge provides insight into the mechanical function of CCs in tissues and opens up the road for designing CCs with pre-defined mechanical properties. The library of mechanically characterized CCs developed in this work is a powerful starting point for a wide spectrum of applications, ranging from molecular force sensors to mechanosensitive crosslinks in protein nanostructures and synthetic extracellular matrix mimics.
N2  - Das „Coiled Coil“ (CC) Faltungsmotiv ist Bestandteil vieler Proteine im Zytoskelett und der extrazellulären Matrix. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass CCs essentielle mechanische Bausteine darstellen, die sowohl passive (strukturelle) als auch aktive (regulatorische) Aufgaben erfüllen. CCs bestehen aus 2-7 α-helikalen Untereinheiten, die eine superhelikale Struktur formen. Die Faltung und Stabilität der Superhelix wird durch hydrophobe und ionische Wechselwirkungen bestimmt, sowie durch die Helixpropensität der einzelnen Aminosäuren. Auf der Grundlage dieser gut verstandenen Struktur-Funktionsbeziehungen werden CCs häufig als Vorlage für das de novo Proteindesign genutzt. Trotz stetig wachsender wissenschaftlicher Erkenntnisse und der mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten von CCs, ist ihre mechanische Funktion noch weitestgehend unerforscht. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen der Aminosäuresequenz und der mechanischen Stabilität kaum bekannt. Dieses Wissen ist jedoch essentiell für die Anwendung von CCs als nanomechanische Bausteine.
Um die mechanischen Struktur-Funktionsbeziehungen von CCs zu beleuchten, wurde ein gut charakterisiertes CC-Heterodimer als Modellsystem genutzt. Dessen Sequenz wurde systematisch modifiziert, um den Einfluss verschiedener Strukturparameter auf die mechanische Stabilität des CCs zu untersuchen. Mittels Rasterkraftmikroskop-basierter Einzelmolekülkraftspektroskopie wurden die Kraftangriffspunkte so platziert, dass das CC entweder geschert oder wie ein Reißverschluss geöffnet wurde („Unzip“-Geometrie). Dabei wurde die Kraft bestimmt, die zur Separation der beiden Helices benötigt wird. Diese sogenannte Abrisskraft wurde bei verschiedenen Ladungsraten gemessen, um Rückschlüsse auf die Energielandschaft der CCs zu ziehen. Die anliegende Kraft führt zunächst zur Entfaltung der Helix-Enden an den Kraftangriffspunkten. Diese partielle Entfaltung ermöglicht in der Scher-Geometrie zwei Mechanismen, die letztlich zur Separation der Helices führen: die Verschiebung der Helices entlang des Kraftvektors und die Dissoziation senkrecht zur angelegten Kraft. Auch in der „Unzip“-Geometrie geht die teilweise Entfaltung der Dissoziation voraus.
Zunächst wurde der Einfluss von hydrophoben Wechselwirkungen im Kern des CCs sowie der Helixpropensität systematisch untersucht. In der verwendeten Scher-Geometrie führten entsprechende Aminosäuremodifikationen zu einer Änderung der Abrisskraft des CCs, wobei spezifische Unterschiede in der Energielandschaft festzustellen sind. Weniger dicht gepackte hydrophobe Wechselwirkungen verlängern hauptsächlich den Abstand zum Übergangszustand, da sie die Freiheitsgrade des Entfaltungspfades erhöhen. Eine verringerte Helixpropensität verringert sowohl die Aktivierungsenergie als auch den Abstand zum Übergangszustand. Die niedrige thermodynamische Stabilität dieser Modifikation führt dazu, dass weniger Kraft angewandt werden muss, um die Dissoziation der Helices senkrecht zum Kraftvektor zu erreichen.
Mit diesem Wissen über den Einfluss der Helixpropensität und der hydrophoben Wechselwirkungen, wurde anschließend die mechanische Entfaltung in zwei verschiedenen Scher-Geometrien, sowie der „Unzip“-Geometrie untersucht. Dazu wurde jeweils die gleiche Sequenz verwendet, wobei nur die Kraftangriffspunkte modifiziert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Positionierung der Kraftangriffspunkte essentiell für die gemessene mechanische Stabilität des CC ist. Wie auch in anderen biologischen Strukturen zu beobachten, besteht ein Unterschied zwischen Scher- und „Unzip“-Geometrie. Jedoch weist das CC auch in den beiden Scher-Geometrien Unterschiede in der Stabilität auf. Dies ist auf eine Asymmetrie der ansonsten hochrepetitiven Sequenz zurückzuführen.
Die Rolle der Helixstabilität wurde durch die lokale Stabilisierung von Helixwindungen mit kovalenten und dynamischen molekularen Klammern genauer erforscht. Die Klammern verknüpfen zwei benachbarte Windungen und stabilisieren diese so gegen die mechanische Entfaltung. Die kovalente Klammer wurde entweder direkt am Kraftangriffspunkt eingefügt oder in der Partnerhelix, an der die Kraft nicht direkt angreift. Es wurde gezeigt, dass die Klammern die mechanische Stabilität des CCs erhöhen. Dem liegen eine Verringerung des Abstands zum Übergangszustand und eine leichte Erhöhung der Energiebarriere zu Grunde. Helix-stabilisierende Effekte können durch die hydrophoben Wechselwirkungen auf die Partnerhelix übertragen werden. Das Klammern beider Helices führte nicht zu einer weiteren Erhöhung der mechanischen Stabilität. Bei Einfügen einer dynamischen Klammer direkt am Kraftangriffspunkt fällt die Verringerung des Abstands zum Übergangszustand kleiner aus. Dies ist auf das Öffnen der reversiblen Klammer bei Krafteinwirkung zurückzuführen.
Auch die Rolle der hydrophoben Wechselwirkungen wurde unter Verwendung einer nicht-natürlichen Modifikation detaillierter untersucht. Dazu wurde eine fluorinierte Aminosäure im zentralen Teil des CCs eingebaut. Die fluorinierte Aminosäure ist hydrophober als die Ursprüngliche und verändert die Packung der Seitenketten im hydrophoben Kern. Die Anwesenheit der fluorinierten Aminosäure in einer der beiden Helices führte zu einer Erniedrigung der Aktivierungsenergie sowie zu einer gleichzeitigen Erhöhung des Abstandes zum Übergangszustand. Dies zeigt, dass die fluorinierte Aminosäure in erster Linie die Packung der hydrophoben Aminosäuren stört, während der Einfluss des hydrophoben Effekts ehr gering ist. Die fluorinierte Aminosäure kann nicht gut in die lokale Umgebung der anderen Aminosäuren integriert werden und zeigt so, dass die Anordnung und Wechselwirkung der hydrophoben Aminosäuren im Kern essentiell für die mechanische Stabilität von CCs ist.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass allein auf Grundlage der thermodynamischen Stabilität nicht auf die mechanische Stabilität von CCs geschlossen werden kann. Das Zusammenspiel zwischen Helixstabilität und hydrophoben Wechselwirkungen ist maßgebend um die Zusammenhänge zwischen Sequenz, Struktur und mechanischer Stabilität von CCs zu verstehen. Beide Faktoren tragen zu den Entfaltungsmechanismen parallel und senkrecht zur Kraftrichtung bei. Diese neuen mechanistischen Einblicke in die sequenzabhängige mechanische Stabilität von CCs ermöglichen die Entwicklung von CCs mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften. Die hier charakterisierte CC-Bibliothek ist ein hervorragender Ausgangspunkt für ein breites Spektrum an potentiellen Anwendungen, von molekularen Kraftsensoren bis zu mechanosensitiven Bausteinen für Proteinnanostrukturen und künstlichen extrazellulären Matrices.
KW  - biochemistry
KW  - peptides
KW  - coiled coils
KW  - mechanics
KW  - single-molecule force spectroscopy
KW  - Biochemie
KW  - Peptide
KW  - Coiled coils
KW  - mechanische Stabilität
KW  - Einzelmolekülkraftspektroskopie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429568
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Lettl, Tobias
T1  - Familie Veistenauer
BT  - Übungsblätter für Studenten
T2  - Juristische Arbeitsblätter : JA; Zeitschrift für Studenten und Referendare
Y1  - 2019
SN  - 0720-6356
SN  - 0022-6904
VL  - 51
SP  - 492
EP  - 498
PB  - Vahlen
CY  - München
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  -