TY - THES A1 - Herrero Alonso, Yohana T1 - Properties of high-redshift galaxies in different environments T1 - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen N2 - The Lyman-đ›Œ (Lyđ›Œ) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Lyđ›Œ gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6. N2 - Die Lyman-đ›Œ (Lyđ›Œ)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthĂŒllt nicht nur die großrĂ€umige Struktur des Universums in frĂŒhen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. DarĂŒber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Lyđ›Œ-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere BeitrĂ€ge zur Verbesserung des Wissens ĂŒber diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden. KW - high-redshift KW - Lyman-alpha emitters KW - clustering KW - large-scale structure KW - Lyman-Alpha-Emitter KW - Clustering KW - hoher Rotverschiebung KW - großrĂ€umige Struktur des Universums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von PalĂ€osaisonalitĂ€t und darĂŒber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere FĂ€higkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hĂ€ngt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu frĂŒheren ZustĂ€nden zurĂŒckzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltĂ€glichen Erfahrungswelt: regelmĂ€ĂŸige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfĂŒr nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur VerfĂŒgung, um die Wiederkehreigenschaften von SystemzustĂ€nden quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes VerstĂ€ndnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant fĂŒr das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natĂŒrlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten KlimaverĂ€nderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit ĂŒber die Periode hinaus gehen, fĂŒr die instrumentelle Daten verfĂŒgbar sind. PalĂ€oklimatologische Datenreihen reprĂ€sentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die KomplexitĂ€ten von palĂ€oklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewĂ€hrter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhĂ€ngiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um palĂ€osaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘PalĂ€osaisonalitĂ€t’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer AnsĂ€tze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (palĂ€o)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte ÜbergĂ€nge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen ZustĂ€nden erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche ZustandsĂŒbergĂ€nge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-AbhĂ€ngigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von ZustandsĂŒbergĂ€ngen bewĂ€hrt und sind darĂŒber hinaus geeignet, SkalenabhĂ€ngigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengefĂŒhrt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstĂ€hnlicher Strukturen und RPs, um abrupte ZustandsĂŒbergĂ€nge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten fĂŒhrt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares AbhĂ€ngigkeitsmaß einzufĂŒhren. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter AbhĂ€ngigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-AbhĂ€ngigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige AbhĂ€ngigkeiten zu charakterisieren. Bei rĂ€umlich ausgedehnten komplexen Systemen fĂŒhren Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung rĂ€umlicher Muster. Diese rĂ€umlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische ZustĂ€nde untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden rĂ€umlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir ĂŒber zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von PalĂ€osaisonalitĂ€t zuwenden. Messreihen palĂ€oklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen ĂŒber die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhĂ€rente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmĂ€ĂŸige ZeitabstĂ€nde zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationĂ€rer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von palĂ€osaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adĂ€quate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine ZusammenfĂŒhrung interdisziplinĂ€rer FĂ€higkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natĂŒrliches Archiv fĂŒr potentielle VerĂ€nderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) wĂ€hren des mittleren HolozĂ€ns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der AusprĂ€gung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler VerĂ€nderungen eine Rolle fĂŒr die StabilitĂ€t von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen DĂŒrren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß fĂŒr saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen ĂŒber die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit fĂŒr die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen AnsĂ€tze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen fĂŒr zukĂŒnftige Untersuchungen in der RA und PalĂ€osaisonalitĂ€t auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - PalĂ€oklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte ÜbergĂ€nge KW - SelbstĂ€hnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER - TY - THES A1 - Scholz, Markus Reiner T1 - Spin polarization, circular dichroism, and robustness of topological surface states T1 - Spinpolarisation, Zirkulardichroismus und Robustheit Topologischer OberflĂ€chenzustĂ€nde BT - a photoemission study BT - eine Photoemissionsstudie N2 - Dreidimensionale topologische Isolatoren sind ein neues Materialsystem, welches dadurch charakterisiert ist, dass es in seinem Inneren isolierend an der Ober Ă€che jedoch leitend ist. UrsĂ€chlich fĂŒr die LeitfĂ€higkeit an der Ober Ă€che sind sogenannte topologische Ober- Ă€chenzustĂ€nde, welche das Valenzband des Inneren mit dem Leitungsband des Inneren verbinden. An der Ober Ă€che ist also die BandlĂŒcke, welche die isolierende Eigenschaft verursacht, geschlossen. Die vorliegende Arbeit untersucht diese Ober Ă€chenzustĂ€nde mittels spin- und winkelauf- gelöster Photoemissionsspektroskopie. Es wird gezeigt, dass in den Materialien Bi2Se3 und Bi2Te3, in ĂŒbereinstimmung mit der Literatur, die entscheidenden Charakteristika eines topologischen Ober Ă€chenzustands vorzu nden sind: Die Ober Ă€chenzustĂ€nde dieser Sys- teme durchqueren die BandlĂŒcke in ungerader Anzahl, sie sind nicht entartet und weisen folgerichtig eine hohe Spinpolarisation auf. Weiterhin wird durch Aufdampfen diverser Adsorbate gezeigt, dass der Ober Ă€chenzustĂ€n- de von Bi2Se3 und Bi2Te3, wie erwartet, extrem robust ist. Ober Ă€chenzustĂ€nde topologisch trivialer Systeme erfĂŒllen diese Eigenschaft nicht; bereits kleine Verunreinigungen kön- nen diese ZustĂ€nde zerstören, bzw. die Ober Ă€che isolierend machen. Die topologischen Ober Ă€chenzustĂ€nde können in der vorliegenden Arbeit noch bis zur Detektionsgrenze der experimentellen Messmethode nachgewiesen werden und die Ober Ă€che bleibt LeitfĂ€hig. Unter den Adsorbaten be ndet sich auch Eisen, ein bekanntermaßen magnetisches Materi- al. Eine der Grundvoraussetzungen fĂŒr topologische Isolatoren ist die Zeitumkehrsymme- trie, die Elektronen, welche den topologischen Ober Ă€chenzustand besetzen, vorschreibt, dass sie eine bestimmte Spinrichtung haben mĂŒssen, wenn sie sich beispielsweise nach links bewegen und den entgegengesetzten Spin wenn sie sich nach rechts bewegen. In magnetischen Materialien ist die Zeitumkehrsymmetrie jedoch explizit gebrochen und die gezeigte Robustheit des Ober Ă€chenzustands gegen magnetische Materialien daher uner- wartet. Die Zeitumkehrsymmetrie sorgt auch dafĂŒr, dass eine Streuung der Elektronen um 180°, beispielsweise an einem Gitterdefekt oder an einem Phonon strikt verboten ist. Bei einem solchen Streuprozess bleibt die Spinrichtung erhalten, da aber in der Gegenrichtung nur ZustĂ€nde mit entgegengesetztem Spin vorhanden sind kann das Elektron nicht in diese Richtung gestreut werden. Dieses Prinzip wird anhand der Lebensdauer der durch Pho- toemission angeregten ZustĂ€nde untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Kopplung der Elektronen des Ober Ă€chenzustands von Bi2Te3 an Phononen unerwartet hoch ist und dass sich eine Anisotropie in der Bandstruktur des Selbigen auch in den Lebensdauern der ange- regten ZustĂ€nde widerspiegelt. Weiterhin wird gezeigt, dass sich die Ein ĂŒsse von magne- tischen und nicht-magnetischen Verunreinigungen auf die Lebensdauern stark voneinander unterscheiden. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob eine Asymmetrie in der Inten- sitĂ€tsverteilung der winkelaufgelösten Photoemissionsspektren, bei Anregung mit zirku- lar polarisiertem Licht, in Bi2Te3 RĂŒckschlĂŒsse auf die Spinpolarisation der Elektronen erlaubt. Bei Variation der Energie des eingestrahlten Lichts wird ein Vorzeichenwechsel der Asymmetrie beobachtet. Daraus lĂ€sst sich schlussfolgern, dass die Asymmetrie keine RĂŒckschlĂŒsse auf die Spinpolarisation erlaubt. N2 - This thesis is focussed on the electronic properties of the new material class named topological insulators. Spin and angle resolved photoelectron spectroscopy have been applied to reveal several unique properties of the surface state of these materials. The first part of this thesis introduces the methodical background of these quite established experimental techniques. In the following chapter, the theoretical concept of topological insulators is introduced. Starting from the prominent example of the quantum Hall effect, the application of topological invariants to classify material systems is illuminated. It is explained how, in presence of time reversal symmetry, which is broken in the quantum Hall phase, strong spin orbit coupling can drive a system into a topologically non trivial phase. The prediction of the spin quantum Hall effect in two dimensional insulators an the generalization to the three dimensional case of topological insulators is reviewed together with the first experimental realization of a three dimensional topological insulator in the Bi1-xSbx alloys given in the literature. The experimental part starts with the introduction of the Bi2X3 (X=Se, Te) family of materials. Recent theoretical predictions and experimental findings on the bulk and surface electronic structure of these materials are introduced in close discussion to our own experimental results. Furthermore, it is revealed, that the topological surface state of Bi2Te3 shares its orbital symmetry with the bulk valence band and the observation of a temperature induced shift of the chemical potential is to a high probability unmasked as a doping effect due to residual gas adsorption. The surface state of Bi2Te3 is found to be highly spin polarized with a polarization value of about 70% in a macroscopic area, while in Bi2Se3 the polarization appears reduced, not exceeding 50%. We, however, argue that the polarization is most likely only extrinsically limited in terms of the finite angular resolution and the lacking detectability of the out of plane component of the electron spin. A further argument is based on the reduced surface quality of the single crystals after cleavage and, for Bi2Se3 a sensitivity of the electronic structure to photon exposure. We probe the robustness of the topological surface state in Bi2X3 against surface impurities in Chapter 5. This robustness is provided through the protection by the time reversal symmetry. Silver, deposited on the (111) surface of Bi2Se3 leads to a strong electron doping but the surface state is observed up to a deposited Ag mass equivalent to one atomic monolayer. The opposite sign of doping, i.e., hole-like, is observed by exposing oxygen to Bi2Te3. But while the n-type shift of Ag on Bi2Se3 appears to be more or less rigid, O2 is lifting the Dirac point of the topological surface state in Bi2Te3 out of the valence band minimum at $\Gamma$. After increasing the oxygen dose further, it is possible to shift the Dirac point to the Fermi level, while the valence band stays well beyond. The effect is found reversible, by warming up the samples which is interpreted in terms of physisorption of O2. For magnetic impurities, i.e., Fe, we find a similar behavior as for the case of Ag in both Bi2Se3 and Bi2Te3. However, in that case the robustness is unexpected, since magnetic impurities are capable to break time reversal symmetry which should introduce a gap in the surface state at the Dirac point which in turn removes the protection. We argue, that the fact that the surface state shows no gap must be attributed to a missing magnetization of the Fe overlayer. In Bi2Te3 we are able to observe the surface state for deposited iron mass equivalents in the monolayer regime. Furthermore, we gain control over the sign of doping through the sample temperature during deposition. Chapter6 is devoted to the lifetime broadening of the photoemission signal from the topological surface states of Bi2Se3 and Bi2Te3. It is revealed that the hexagonal warping of the surface state in Bi2Te3 introduces an anisotropy for electrons traveling along the two distinct high symmetry directions of the surface Brillouin zone, i.e., $\Gamma$K and $\Gamma$M. We show that the phonon coupling strength to the surface electrons in Bi2Te3 is in nice agreement with the theoretical prediction but, nevertheless, higher than one may expect. We argue that the electron-phonon coupling is one of the main contributions to the decay of photoholes but the relatively small size of the Fermi surface limits the number of phonon modes that may scatter off electrons. This effect is manifested in the energy dependence of the imaginary part of the electron self energy of the surface state which shows a decay to higher binding energies in contrast to the monotonic increase proportional to E$^2$ in the Fermi liquid theory due to electron-electron interaction. Furthermore, the effect of the surface impurities of Chapter 5 on the quasiparticle life- times is investigated. We find that Fe impurities have a much stronger influence on the lifetimes as compared to Ag. Moreover, we find that the influence is stronger independently of the sign of the doping. We argue that this observation suggests a minor contribution of the warping on increased scattering rates in contrast to current belief. This is additionally confirmed by the observation that the scattering rates increase further with increasing silver amount while the doping stays constant and by the fact that clean Bi2Se3 and Bi2Te3 show very similar scattering rates regardless of the much stronger warping in Bi2Te3. In the last chapter we report on a strong circular dichroism in the angle distribution of the photoemission signal of the surface state of Bi2Te3. We show that the color pattern obtained by calculating the difference between photoemission intensities measured with opposite photon helicity reflects the pattern expected for the spin polarization. However, we find a strong influence on strength and even sign of the effect when varying the photon energy. The sign change is qualitatively confirmed by means of one-step photoemission calculations conducted by our collaborators from the LMU MĂŒnchen, while the calculated spin polarization is found to be independent of the excitation energy. Experiment and theory together unambiguously uncover the dichroism in these systems as a final state effect and the question in the title of the chapter has to be negated: Circular dichroism in the angle distribution is not a new spin sensitive technique. KW - topological insulators KW - angle resolved photoelectron spectroscopy KW - spin resolved photoelectron spectroscopy KW - Bi2Se3 KW - Bi2Te3 KW - quasiparticle interactions KW - circular dichroism KW - spin-orbit coupling KW - time reversal symmetry KW - surface states KW - Spinpolarisation KW - Zirkulardichroismus KW - topologische Isolatoren KW - OberflĂ€chenzustĂ€nde KW - winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie KW - spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie KW - Magnetismus KW - Bi2Te3 KW - Bi2Se3 Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96686 ER - TY - THES A1 - Khosravi, Sara T1 - The effect of new turbulence parameterizations for the stable surface layer on simulations of the Arctic climate T1 - Die Auswirkung neuer Turbulenzparametrisierungen auf die stabile Grenzschicht in Simulationen des arktischen Klimas N2 - Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging. Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes. This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes. Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations. Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions. The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification. I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state. Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss. The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions. The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss. N2 - Der Klimawandel in der Arktis ist durch eine im Vergleich zum globalen Klimawandel verstĂ€rkte ErwĂ€rmung und einem damit verbundenen starken RĂŒckgang des arktischen Meereises gekennzeichnet. Da dieser verstĂ€rkte Klimawandel in der Arktis die atmosphĂ€rische Zirkulation in den mittleren Breiten auf komplexe Weise ĂŒber tropo- und stratosphĂ€rische Pfade beeinflussen kann, ist eine realistische Darstellung arktischer Prozesse in numerischen Klimamodellen fĂŒr zuverlĂ€ssige Simulationen gegenwĂ€rtiger und zukĂŒnftiger KlimaĂ€nderungen notwendig, stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein wesentlicher Grund fĂŒr Modelldefizite bei der Reproduktion der beobachteten arktischen Klimaprozesse sind UnzulĂ€nglichkeiten bei der Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen, die die Wechselwirkung zwischen AtmosphĂ€re, Meereis und Ozean bestimmen. GegenwĂ€rtige Klimamodelle verwenden fĂŒr die Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen in der Arktis hĂ€ufig Parametrisierungen, die fĂŒr Bedingungen in mittleren Breiten entwickelt wurden. Diese Arbeit zielt auf eine bessere Darstellung arktischer atmosphĂ€rischer Prozesse in Klimamodellen und ein besseres VerstĂ€ndnis der daraus resultierenden Auswirkungen auf die simulierte großskalige atmosphĂ€rische Zirkulation in mittleren Breiten ab. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine Hierarchie von verbesserten Turbulenzparametrisierungen in das globale atmosphĂ€rische Zirkulationsmodell ECHAM6 implementiert, die basierend auf arktischen Messungen kĂŒrzlich entwickelt wurden. Dabei wurden die StabilitĂ€tsfunktionen ĂŒber Meereis und Ozean fĂŒr stabile Schichtung sowie die RauhigkeitslĂ€nge ĂŒber dem Meereis fĂŒr alle Schichtungsbedingungen modifiziert. Anschließend wurde eine umfassende Analyse der jeweiligen SensitivitĂ€tsexperimente durchgefĂŒhrt, um den Einfluss dieser Modifikationen auf die Simulationen der arktischen Grenzschicht, der großrĂ€umigen atmosphĂ€rischen Zirkulation und der dynamischen Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in ECHAM6 zu bewerten. Durch eine schrittweise Implementierung der Hierarchie von verbesserten Turbulenzparameterisierungen in ECHAM6 wurden in einer Reihe von SensitivitĂ€tsexperimenten folgende Erkenntnisse gewonnen: Die kombinierte Auswirkung der reduzierten RauhigkeitslĂ€nge und der modifizierten StabilitĂ€tsfunktionen ist nichtlinear. Dennoch zeigt sich, dass beide Modifikationen zu einer besseren Darstellung arktischer Grenzschichtprozesse fĂŒhren, insbesondere stimmt die Verringerung des Transferkoeffizienten fĂŒr WĂ€rme gut mit den Beobachtungen ĂŒberein. Im Vergleich zu den Referenzbeobachtungen zeigt das ECHAM6-Modell jedoch eine unrealistische Darstellung des Auftretens labiler und stark stabiler Schichtungsbedingungen. Die geringere HĂ€ufigkeit von stark stabilen Bedingungen begrenzt den Einfluss der modifizierten StabilitĂ€tsfunktionen. Wenn in den Modelldaten nur die FĂ€lle mit stark stabiler Schichtung analysiert werden, fĂŒhrt die Verwendung der modifizierten StabilitĂ€tsfunktionen zu sehr kleinen turbulenten sensiblen WĂ€rmeflĂŒssen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Dieses Verhalten wurde in den Modellsimulationen mit der Standardturbulenzparametrisierung nicht reproduziert. Es wurde zudem festgestellt, dass die Änderungen in den Turbulenzparametrisierungen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die großskaligen Temperatur- und Windfelder in verschiedenen Höhen bis in die StratosphĂ€re sowohl in der Arktis als auch in den mittleren Breiten haben. Diese signifikanten Signale variieren in ihrer StĂ€rke und Lage je nach Monat und Jahr, was eine starke AbhĂ€ngigkeit vom Hintergrundzustand anzeigt. Des Weiteren wird in dieser Arbeit untersucht, wie die modifizierten Turbulenzparametrisierungen die Reaktion der troposphĂ€rischen und stratosphĂ€rischen Zirkulation auf den RĂŒckgang des arktischen Meereises beeinflussen. DafĂŒr wurden die geeignetsten Parametrisierungen zur Darstellung der arktischen Grenzschichtturbulenz anhand der SensitivitĂ€tsexperimente identifiziert. Anschließend wurde die Reaktion des Modells ECHAM6 auf den Meereisverlust durch weitere lange Simulationen mit unterschiedlichen vorgegebenen Meereisbedingungen bewertet. Dabei simuliert die ECHAM6 Modellversion mit verbesserter Turbulenzparametrisierung eine grĂ¶ĂŸere vertikale Ausdehnung der arktischen troposphĂ€rischen ErwĂ€rmung bei MeereisrĂŒckgang und zeigt somit eine verbesserte Übereinstimmung mit den Reanalyse-Daten. DarĂŒber hinaus treten in dieser Simulation im Gegensatz zu den Kontrollexperimenten hĂ€ufiger bevorzugte Zirkulationsmuster auf, die dafĂŒr bekannt sind, dass sie Änderungen in der Arktis dynamisch mit den mittleren Breiten verknĂŒpfen. Insbesondere treten blockierende Hochdrucklagen ĂŒber Skandinavien/Ural im FrĂŒhwinter und die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation im SpĂ€twinter hĂ€ufiger auf. Daher lĂ€sst sich ableiten, dass durch eine Verbesserung der Turbulenzparametrisierung der Effekt von Meereisverlust in ECHAM6 realistischer dargestellt werden kann. KW - boundary layer KW - atmosphere KW - atmospheric modelling KW - turbulence parameterizations KW - AtmosphĂ€re KW - AtmosphĂ€renmodellierung KW - Grenzschicht KW - Turbulenzparametrisierungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643520 ER - TY - THES A1 - De Andrade Queiroz, Anna Barbara T1 - The Milky Way disks, bulge, and bar sub-populations T1 - Die Scheiben, der Bulge und der Balken der Milchstraße Subpopulationen BT - a chemo-dynamical view of our Galaxy in the APOGEE + Gaia era BT - ein chemodynamischer Blick auf unsere Galaxie in der APOGEE + Gaia Ära N2 - In recent decades, astronomy has seen a boom in large-scale stellar surveys of the Galaxy. The detailed information obtained about millions of individual stars in the Milky Way is bringing us a step closer to answering one of the most outstanding questions in astrophysics: how do galaxies form and evolve? The Milky Way is the only galaxy where we can dissect many stars into their high-dimensional chemical composition and complete phase space, which analogously as fossil records can unveil the past history of the genesis of the Galaxy. The processes that lead to large structure formation, such as the Milky Way, are critical for constraining cosmological models; we call this line of study Galactic archaeology or near-field cosmology. At the core of this work, we present a collection of efforts to chemically and dynamically characterise the disks and bulge of our Galaxy. The results we present in this thesis have only been possible thanks to the advent of the Gaia astrometric satellite, which has revolutionised the field of Galactic archaeology by precisely measuring the positions, parallax distances and motions of more than a billion stars. Another, though not less important, breakthrough is the APOGEE survey, which has observed spectra in the near-infrared peering into the dusty regions of the Galaxy, allowing us to determine detailed chemical abundance patterns in hundreds of thousands of stars. To accurately depict the Milky Way structure, we use and develop the Bayesian isochrone fitting tool/code called StarHorse; this software can predict stellar distances, extinctions and ages by combining astrometry, photometry and spectroscopy based on stellar evolutionary models. The StarHorse code is pivotal to calculating distances where Gaia parallaxes alone cannot allow accurate estimates. We show that by combining Gaia, APOGEE, photometric surveys and using StarHorse, we can produce a chemical cartography of the Milky way disks from their outermost to innermost parts. Such a map is unprecedented in the inner Galaxy. It reveals a continuity of the bimodal chemical pattern previously detected in the solar neighbourhood, indicating two populations with distinct formation histories. Furthermore, the data reveals a chemical gradient within the thin disk where the content of đ›Œ-process elements and metals is higher towards the centre. Focusing on a sample in the inner MW we confirm the extension of the chemical duality to the innermost regions of the Galaxy. We find stars with bar shape orbits to show both high- and low-đ›Œ abundances, suggesting the bar formed by secular evolution trapping stars that already existed. By analysing the chemical orbital space of the inner Galactic regions, we disentangle the multiple populations that inhabit this complex region. We reveal the presence of the thin disk, thick disk, bar, and a counter-rotating population, which resembles the outcome of a perturbed proto-Galactic disk. Our study also finds that the inner Galaxy holds a high quantity of super metal-rich stars up to three times solar suggesting it is a possible repository of old super-metal-rich stars found in the solar neighbourhood. We also enter into the complicated task of deriving individual stellar ages. With StarHorse, we calculate the ages of main-sequence turn-off and sub-giant stars for several public spectroscopic surveys. We validate our results by investigating linear relations between chemical abundances and time since the đ›Œ and neutron capture elements are sensitive to age as a reflection of the different enrichment timescales of these elements. For further study of the disks in the solar neighbourhood, we use an unsupervised machine learning algorithm to delineate a multidimensional separation of chrono-chemical stellar groups revealing the chemical thick disk, the thin disk, and young đ›Œ-rich stars. The thick disk is shown to have a small age dispersion indicating its fast formation contrary to the thin disk that spans a wide range of ages. With groundbreaking data, this thesis encloses a detailed chemo-dynamical view of the disk and bulge of our Galaxy. Our findings on the Milky Way can be linked to the evolution of high redshift disk galaxies, helping to solve the conundrum of galaxy formation. N2 - In den letzten Jahrzehnten hat die Astronomie mit großen galaktischen Durchmusterungen einen Boom erlebt. Die dadurch gewonnenen detaillierten Informationen ĂŒber Millionen von Einzelsternen in der Milchstraße bringen uns der Beantwortung einer der wichtigsten Fragen der Astrophysik einen Schritt nĂ€her: Wie entstehen und entwickeln sich Galaxien? Die Milchstraße ist die einzige Galaxie, in der wir viele Sterne in ihre hochdimensionale chemische Zusammensetzung und ihren vollstĂ€ndigen Phasenraum zerlegen können, was analog zu fossilen Aufzeichnungen die Entstehungsgeschichte der Galaxie enthĂŒllen kann. FĂŒr kosmologische Modelle ist es von entscheidender Bedeutung, die Prozesse zu verstehen, die zur Bildung großer Strukturen wie der Milchstraße fĂŒhren; wir nennen diese Studienrichtung Galaktische ArchĂ€ologie oder Nahfeldkosmologie. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die BemĂŒhungen, die Scheiben und den Bulge unserer Galaxie chemisch und dynamisch zu charakterisieren. Die Ergebnisse, die wir in dieser Arbeit vorstellen, waren nur dank des starts des astrometrischen Satelliten Gaia möglich, der das Gebiet der galaktischen ArchĂ€ologie durch die prĂ€zise Messung der Positionen, Parallaxenwinkel und Eigenbewegungen von mehr als einer Milliarde Sterne revolutioniert hat. Ein weiterer, aber nicht minder wichtiger Durchbruch ist die APOGEE-Durchmusterung, die Spektren im nahen Infrarot beobachtet hat, was es uns erlaubt, durch die staubigen Regionen der Milchstraße hindurchzublicken und die chemischen FingerabdrĂŒcke von Hunderttausenden von Sternen zu bestimmen. Um die Struktur der Milchstraße genau darzustellen, verwenden und entwickeln wir das Isochrone-fitting-Tool StarHorse; diese Software kann Sternentfernungen, Aussterbezeiten und Alter vorhersagen, indem sie Astrometrie, Photometrie und Spektroskopie auf der Grundlage von Modellen der Sternentwicklung kombiniert. Der Code StarHorse ist von zentraler Bedeutung fĂŒr die Berechnung von Entfernungen, bei denen Gaia -Parallaxen allein keine Bestimmung ermöglichen. Wir zeigen, dass wir durch die Kombination von Gaia, APOGEE und StarHorse eine chemische Kartographie der Milchstraßenscheiben von ihrem Ă€ußersten bis zum innersten Teil erstellen können. Eine solche Karte ist in der inneren Galaxis beispiellos und zeigt ein bimodales chemisches Muster, das auf zwei Populationen mit unterschiedlichen Entstehungsgeschichten hinweist. DarĂŒber hinaus bestĂ€tigen die Daten einen chemischen Gradienten innerhalb der dĂŒnnen Scheibe, bei dem der Gehalt an Elementen und Metallen aus đ›Œ-Prozessen zum Zentrum hin zunimmt ist. Eine Überdichte in der Anzahl der Sterne bestĂ€tigt zudem die Signatur eines Balkens in der inneren Galaxie. Modelle der Galaxienentstehung sagen gewöhnlich deren Beginn im galaktischen Zentrum voraus. Wir konzentrieren uns auf eine Stichprobe in der inneren Galaxie und erwarten, dass wir primordiale stellare Populationen finden. Wir bestĂ€tigen die chemische BimodalitĂ€t der inneren Galaxie und dass der galaktische Balken sowohl aus Sternen mit hohem als auch mit niedrigem đ›Œ besteht, was darauf hindeutet, dass sich der Balken durch sĂ€kulare Evolution gebildet hat, bei der bereits existierende Sterne eingefangen wurden. Durch die Analyse des chemischen Orbitalraums der inneren galaktischen Regionen können wir die verschiedenen Populationen, die diese komplexe Region bewohnen, unterscheiden. Wir zeigen das Vorhandensein einer dĂŒnnen Scheibe, einer dicken Scheibe, eines Balkens und einer gegenlĂ€ufig rotierenden Population, die dem Ergebnis einer gestörten proto-galaktischen Scheibe Ă€hnelt. Unsere Studie zeigt auch, dass die innere Galaxie eine große Menge an supermetallreichen Sternen enthĂ€lt, die bis zum Dreifachen der solaren MetallizitĂ€t reichen. Möglicherweise handelt es sich bei der Gruppe alter supermetallreicher Sterne, die in der Sonnenumgebung gefunden wurden um Kandidaten fĂŒr Migranten aus den innersten Regionen. Wir befassen uns auch mit der komplizierten Aufgabe der Bestimmung individueller Sternalter. Mit StarHorse berechnen wir das Alter von Hauptreihenabzweig- und Unterriesensternen fĂŒr mehrere öffentliche spektroskopische Durchmusterungen. Wir validieren unsere Ergebnisse, indem wir lineare AbhĂ€ngigkeiten zwischen den chemischen HĂ€ufigkeiten und der Zeit untersuchen, da die đ›Œ- und Neutroneneinfang-Elemente empfindlich auf das Alter reagieren, was auf die unterschiedlichen Zeitskalen der Anreicherung dieser Elemente zurĂŒckzufĂŒhren ist. Zur weiteren Untersuchung der Scheiben in der Sonnenumgebung verwenden wir einen nicht ĂŒberwachten Algorithmus fĂŒr maschinelles Lernen, um eine mehrdimensionale Trennung der chrono-chemischen Sterngruppen vorzunehmen. Dies macht die chemisch dicke Scheibe, die dĂŒnne Scheibe und junge đ›Œ Sterne erkennbar. Es zeigt sich, dass die dicke Scheibe eine geringe Altersstreuung aufweist, was auf ihre schnelle Entstehung hindeutet, wĂ€hrend die dĂŒnne Scheibe eine große Altersspanne abdeckt. Mit bahnbrechenden Daten liefert diese Arbeit ein detailliertes chemodynamisches Bild der Scheibe und des Bulge der Galaxis. Unsere Erkenntnisse ĂŒber die Milchstraße können mit der Entwicklung von Scheibengalaxien mit hoher Rotverschiebung in Verbindung gebracht werden und so zur Lösung des RĂ€tsels der Galaxienbildung beitragen. KW - stars: distances KW - fundamental parameters KW - statistics KW - galaxy: general KW - disc KW - bulge KW - stellar content KW - Bulge KW - Scheibe KW - fundamentale Parameter KW - Galaxie: allgemein KW - Sterne: Entfernungen KW - Statistik KW - stellarer Inhalt Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590615 ER - TY - THES A1 - Canil, Laura T1 - Tuning Interfacial Properties in Perovskite Solar Cells through Defined Molecular Assemblies T1 - Anpassung von GrenzflĂ€cheneigenschaften von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von molekularen Schichten N2 - In the frame of a world fighting a dramatic global warming caused by human-related activities, research towards the development of renewable energies plays a crucial role. Solar energy is one of the most important clean energy sources and its role in the satisfaction of the global energy demand is set to increase. In this context, a particular class of materials captured the attention of the scientific community for its attractive properties: halide perovskites. Devices with perovskite as light-absorber saw an impressive development within the last decade, reaching nowadays efficiencies comparable to mature photovoltaic technologies like silicon solar cells. Yet, there are still several roadblocks to overcome before a wide-spread commercialization of this kind of devices is enabled. One of the critical points lies at the interfaces: perovskite solar cells (PSCs) are made of several layers with different chemical and physical features. In order for the device to function properly, these properties have to be well-matched. This dissertation deals with some of the challenges related to interfaces in PSCs, with a focus on the interface between the perovskite material itself and the subsequent charge transport layer. In particular, molecular assemblies with specific properties are deposited on the perovskite surface to functionalize it. The functionalization results in energy level alignment adjustment, interfacial losses reduction, and stability improvement. First, a strategy to tune the perovskite’s energy levels is introduced: self-assembled monolayers of dipolar molecules are used to functionalize the surface, obtaining simultaneously a shift in the vacuum level position and a saturation of the dangling bonds at the surface. A shift in the vacuum level corresponds to an equal change in work function, ionization energy, and electron affinity. The direction of the shift depends on the direction of the collective interfacial dipole. The magnitude of the shift can be tailored by controlling the deposition parameters, such as the concentration of the solution used for the deposition. The shift for different molecules is characterized by several non-invasive techniques, including in particular Kelvin probe. Overall, it is shown that it is possible to shift the perovskite energy levels in both directions by several hundreds of meV. Moreover, interesting insights on the molecules deposition dynamics are revealed. Secondly, the application of this strategy in perovskite solar cells is explored. Devices with different perovskite compositions (“triple cation perovskite” and MAPbBr3) are prepared. The two resulting model systems present different energetic offsets at the perovskite/hole-transport layer interface. Upon tailored perovskite surface functionalization, the devices show a stabilized open circuit voltage (Voc) enhancement of approximately 60 meV on average for devices with MAPbBr3, while the impact is limited on triple-cation solar cells. This suggests that the proposed energy level tuning method is valid, but its effectiveness depends on factors such as the significance of the energetic offset compared to the other losses in the devices. Finally, the above presented method is further developed by incorporating the ability to interact with the perovskite surface directly into a novel hole-transport material (HTM), named PFI. The HTM can anchor to the perovskite halide ions via halogen bonding (XB). Its behaviour is compared to that of another HTM (PF) with same chemical structure and properties, except for the ability of forming XB. The interaction of perovskite with PFI and PF is characterized through UV-Vis, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements combined with simulations. Compared to PF, PFI exhibits enhanced resilience against solvent exposure and improved energy level alignment with the perovskite layer. As a consequence, devices comprising PFI show enhanced Voc and operational stability during maximum-power-point tracking, in addition to hysteresis reduction. XB promotes the formation of a high-quality interface by anchoring to the halide ions and forming a stable and ordered interfacial layer, showing to be a particularly interesting candidate for the development of tailored charge transport materials in PSCs. Overall, the results exposed in this dissertation introduce and discuss a versatile tool to functionalize the perovskite surface and tune its energy levels. The application of this method in devices is explored and insights on its challenges and advantages are given. Within this frame, the results shed light on XB as ideal interaction for enhancing stability and efficiency in perovskite-based devices. N2 - Im Kampf gegen den menschengemachten Klimawandel spielt die Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien eine tragende Rolle. Solarenergie ist eine der wichtigsten grĂŒnen Energiequellen und von steigender Bedeutung fĂŒr die Deckung des globalen Energiebedarfs. In diesem Kontext hat eine bestimme Materialklasse aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt: Halogenid-Perowskit. Perowskit-Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine beeindruckende Entwicklung durchgemacht und erreichen heutzutage Effizienzen, die mit weit entwickelten Photovoltaik-Technologien wie Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Jedoch existieren immer noch mehrere HĂŒrden, die einer marktweiten Kommerzialisierung dieser jungen Technologie im Wege stehen. Eines der kritischen Probleme befindet sich an den GrenzflĂ€chen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Damit die Solarzelle bestmöglich funktioniert, mĂŒssen diese Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein. Diese Dissertation beschĂ€ftigt sich mit einigen Herausforderungen im Zusammenhang mit GrenzflĂ€chen in Perowskit-Solarzellen, dabei liegt der Fokus auf der GrenzflĂ€che zwischen Perowskit-Absorber und der angrenzenden Ladungstransportschicht. Insbesondere werden organische MolekĂŒle mit spezifischen Eigenschaften verwendet um die OberflĂ€che des Perowskiten zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Bandanpassung erreicht, GrenzflĂ€chenverluste reduziert und die StabilitĂ€t der Solarzellen erhöht. ZunĂ€chst wird eine Strategie zum Anpassen der Bandenergien vorgestellt: Selbst-organisierende Monoschichten dipolarer MolekĂŒle werden auf die Perowskit-OberflĂ€che abgeschieden, um diese zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Anpassung des Energie-Levels im Perowskiten und die SĂ€ttigung von ungebundenen Elektronenbindungen (engl. dangling bonds) an der OberflĂ€che erreicht. Die Richtung der Energielevel-Verschiebung hĂ€ngt von der Richtung des kollektiven GrenzflĂ€chen-Dipols ab. Der Betrag der Energielevel-Verschiebung kann ĂŒber die Depositionsparameter wĂ€hrend der Schichtherstellung eingestellt werden. Die Energielevel-Verschiebung bei der Verwendung verschiedener MolekĂŒle wird mit Hilfe verschiedener non-invasiver Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere mit der Hilfe von Kelvin-Sonde Messungen. Diese Messungen ermöglichen interessante Erkenntnisse ĂŒber die Dynamik der Deposition der MolekĂŒle. Es ist möglich die Energielevel in beide Richtungen um mehrere hundert meV zu verschieben. Als Zweites wird die Anwendung dieser Stategie in Perowskit-Solarzellen erforscht. Solarzellen mit Perowskit-Absorbern unterschiedlicher Zusammensetzung (“Dreifach-Kationen-Perowskit” und MAPbBr3) werden prĂ€pariert; die beiden Modellsysteme besitzen dann unterschiedliche energetische Offsets an der Perowskit-Lochleiter GrenzflĂ€che. Mit einer maßgeschneiderter Funktionalisierung der Perowskit-OberflĂ€che zeigen die MAPbBr3 Solarzellen eine permanente Verbesserung der offene-Klemmen-Spannung (engl. open circuit voltage, Voc) um durchschnittlich 60 meV, wĂ€hrend der Einfluss auf die Solarzellen mit Dreifach-Kationen-Perowskit gering ist. Dies zeigt, dass die vorgestellte Methode zur Bandanpassung funktioniert, aber ihre EffektivitĂ€t zudem von weiteren Faktoren abhĂ€ngt: Die Relevanz des energetischen Offsets im Vergleich zu anderen Verlustmechanismen beeinflusst unter anderem die EffektivitĂ€t der Funktionalisierung. Abschließend wird beschrieben, wie die prĂ€sentierte Methode zur Bandanpassung weiterentwickelt wird, indem das Vermögen, mit der Perowskit-OberflĂ€che zu interagieren, direkt in einen neuartigen Lochleiter („PFI“) integriert wird. Der Lochleiter kann sich ĂŒber Halogenbindungen an den Perowskiten anlagern. Das Verhalten von PFI wird verglichen mit dem eines anderen Lochleiters („PF“), welcher die fast gleiche chemische Struktur und sehr Ă€hnliche Eigenschaften aufweist, ausgenommen der FĂ€higkeit eine Halogenbindung zu formen. Die PFI-Perowskit und PF-Perowskit Interaktion wird durch UV-Vis Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde Messungen, kombiniert mit Simulationen, charakterisiert. Beim direkten Vergleich von PFI und PF zeigt sich die Bildung der Halogenbindung in einer bei PFI verbesserten Widerstandskraft gegen Lösungsmittel und Bandanpassung zum Perowskiten. Beim Folgerichtig zeigen Solarzellen mit PFI zusĂ€tzlich zu einer verringerten Hysterese einen höheren Voc und eine erhöhte StabilitĂ€t wĂ€hrend des Betriebs unter Maximum-Power-Point Tracking Zusammenfassend stellt diese Dissertation somit ein vielseitiges Werkzeug zur Funktionalisierung von Perowskit-OberflĂ€chen und der dadurch erreichten Bandanpassung vor. Die Anwendung dieses Werkzeugs an Solarzellen wird erprobt und Einsichten in seine Vorteile und Nachteile erlangt. Die Halogenbindung wird als spezifische Interaktion identifiziert, die sich ideal zur Steigerung von Effizienz und StabilitĂ€t von Perowskit-basierten optoelektronischen Bauteilen erweisen könnte. KW - photovoltaic KW - perovskite solar cells KW - interfaces KW - energy levels KW - halogen bonding KW - GrenzflĂ€chen KW - Perowskit Solarzellen KW - Photovoltaik KW - Bandenenergien KW - Halogenbindung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-546333 ER -