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Tremendous progress in the development of thin film solar cell techniques has been made over the last decade. The field of organic solar cells is constantly developing, new material classes like Perowskite solar cells are emerging and different types of hybrid organic/inorganic material combinations are being investigated for their physical properties and their applicability in thin film electronics. Besides typical single-junction architectures for solar cells, multi-junction concepts are also being investigated as they enable the overcoming of theoretical limitations of a single-junction. In multi-junction devices each sub-cell operates in different wavelength regimes and should exhibit optimized band-gap energies. It is exactly this tunability of the band-gap energy that renders organic solar cell materials interesting candidates for multi-junction applications. Nevertheless, only few attempts have been made to combine inorganic and organic solar cells in series connected multi-junction architectures. Even though a great diversity of organic solar cells exists nowadays, their open circuit voltage is usually low compared to the band-gap of the active layer. Hence, organic low band-gap solar cells in particular show low open circuit voltages and the key factors that determine the voltage losses are not yet fully understood. Besides open circuit voltage losses the recombination of charges in organic solar cells is also a prevailing research topic, especially with respect to the influence of trap states.
The exploratory focus of this work is therefore set, on the one hand, on the development of hybrid organic/inorganic multi-junctions and, on the other hand, on gaining a deeper understanding of the open circuit voltage and the recombination processes of organic solar cells.
In the first part of this thesis, the development of a hybrid organic/inorganic triple-junction will be discussed which showed at that time (Jan. 2015) a record power conversion efficiency of 11.7%. The inorganic sub-cells of these devices consist of hydrogenated amorphous silicon and were delivered by the Competence Center Thin-Film and Nanotechnology for Photovoltaics in Berlin. Different recombination contacts and organic sub-cells were tested in conjunction with these inorganic sub-cells on the basis of optical modeling predictions for the optimal layer thicknesses to finally reach record efficiencies for this type of solar cells.
In the second part, organic model systems will be investigated to gain a better understanding of the fundamental loss mechanisms that limit the open circuit voltage of organic solar cells. First, bilayer systems with different orientation of the donor and acceptor molecules were investigated to study the influence of the donor/acceptor orientation on non-radiative voltage loss. Secondly, three different bulk heterojunction solar cells all comprising the same amount of fluorination and the same polymer backbone in the donor component were examined to study the influence of long range electrostatics on the open circuit voltage. Thirdly, the device performance of two bulk heterojunction solar cells was compared which consisted of the same donor polymer but used different fullerene acceptor molecules. By this means, the influence of changing the energetics of the acceptor component on the open circuit voltage was investigated and a full analysis of the charge carrier dynamics was presented to unravel the reasons for the worse performance of the solar cell with the higher open circuit voltage. In the third part, a new recombination model for organic solar cells will be introduced and its applicability shown for a typical low band-gap cell. This model sheds new light on the recombination process in organic solar cells in a broader context as it re-evaluates the recombination pathway of charge carriers in devices which show the presence of trap states. Thereby it addresses a current research topic and helps to resolve alleged discrepancies which can arise from the interpretation of data derived by different measurement techniques.
In a bounded domain with smooth boundary in R^3 we consider the stationary Maxwell equations
for a function u with values in R^3 subject to a nonhomogeneous condition
(u,v)_x = u_0 on
the boundary, where v is a given vector field and u_0 a function on the boundary. We specify this problem within the framework of the Riemann-Hilbert boundary value problems for the Moisil-Teodorescu system. This latter is proved to satisfy the Shapiro-Lopaniskij condition if an only if the vector v is at no point tangent to the boundary. The Riemann-Hilbert problem for the Moisil-Teodorescu system fails to possess an adjoint boundary value problem with respect to the Green formula, which satisfies the Shapiro-Lopatinskij condition. We develop the construction of Green formula to get a proper concept of adjoint boundary value problem.
Complementarity in single photon interference – the role of the mode function and vacuum fields
(2017)
Background
In earlier experiments the role of the vacuum fields could be demonstrated as the source of complementarity with respect to the temporal properties (Heuer et al., Phys. Rev. Lett. 114:053601, 2015).
Methods
Single photon first order interferences of spatially separated regions from the cone structure of spontaneous parametric down conversion allow for analyzing the role of the mode function in quantum optics regarding the complementarity principle.
Results
Here the spatial coherence properties of these vacuum fields are demonstrated as the physical reason for complementarity in these single photon quantum optical experiments. These results are directly connected to the mode picture in classical optics.
Conclusion
The properties of the involved vacuum fields selected via the measurement process are the physical background of the complementarity principle in quantum optics.
Complementarity in single photon interference – the role of the mode function and vacuum fields
(2017)
Background
In earlier experiments the role of the vacuum fields could be demonstrated as the source of complementarity with respect to the temporal properties (Heuer et al., Phys. Rev. Lett. 114:053601, 2015).
Methods
Single photon first order interferences of spatially separated regions from the cone structure of spontaneous parametric down conversion allow for analyzing the role of the mode function in quantum optics regarding the complementarity principle.
Results
Here the spatial coherence properties of these vacuum fields are demonstrated as the physical reason for complementarity in these single photon quantum optical experiments. These results are directly connected to the mode picture in classical optics.
Conclusion
The properties of the involved vacuum fields selected via the measurement process are the physical background of the complementarity principle in quantum optics.
The present study explores the perceptual span, that is, the physical extent of
the area from which useful visual information is obtained during a single
fixation, during oral reading of Chinese sentences. Characters outside a
window of legible text were replaced by visually similar characters. Results
show that the influence of window size on the perceptual span was consistent
across different fixation and oculomotor measures. To maintain normal
reading behavior when reading aloud, it was necessary to have information
provided from three characters to the right of the fixation. Together with
findings from previous research, our findings suggest that the physical size of
the perceptual span is smaller when reading aloud than in silent reading. This
is in agreement with previous studies in English, suggesting that the mechanisms
causing the reduced span in oral reading have a common base that
generalizes across languages and writing systems.
Rezensiertes Werk
Pink, Katharina, Identitas Oriens: Diskursive Konstruktionen von Identität und Alterität in britischer Orient-Reiseliteratur - Würzburg, Ergon Verlag, 2014 337 S. - (Literatur - Kultur - Theorie, 19)
Die zerstörungsfreien Prüfungen von Bauwerken mit Hilfe von Ultraschallmessverfahren haben in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Durch Ultraschallmessungen können die Geometrien von Bauteilen bestimmt sowie von außen nicht sichtbare Fehler wie Delaminationen und Kiesnester erkannt werden.
Mit neuartigen, in das Betonbauteil eingebetteten Ultraschallprüfköpfen sollen nun Bauwerke dauerhaft auf Veränderungen überprüft werden. Dazu werden Ultraschallsignale direkt im Inneren eines Bauteils erzeugt, was die Möglichkeiten der herkömmlichen Methoden der Bauwerksüberwachung wesentlich erweitert. Ein Ultraschallverfahren könnte mit eingebetteten Prüfköpfen ein Betonbauteil kontinuierlich integral überwachen und damit auch stetig fortschreitende Gefügeänderungen, wie beispielsweise Mikrorisse, registrieren.
Sicherheitsrelevante Bauteile, die nach dem Einbau für Messungen unzugänglich oder mittels Ultraschall, beispielsweise durch zusätzliche Beschichtungen der Oberfläche, nicht prüfbar sind, lassen sich mit eingebetteten Prüfköpfen überwachen. An bereits vorhandenen Bauwerken können die Ultraschallprüfköpfe mithilfe von Bohrlöchern und speziellem Verpressmörtel auch nachträglich in das Bauteil integriert werden. Für Fertigbauteile bieten sich eingebettete Prüfköpfe zur Herstellungskontrolle sowie zur Überwachung der Baudurchführung als Werkzeug der Qualitätssicherung an. Auch die schnelle Schadensanalyse eines Bauwerks nach Naturkatastrophen, wie beispielsweise einem Erdbeben oder einer Flut, ist denkbar.
Durch die gute Ankopplung ermöglichen diese neuartigen Prüfköpfe den Einsatz von empfindlichen Auswertungsmethoden, wie die Kreuzkorrelation, die Coda-Wellen-Interferometrie oder die Amplitudenauswertung, für die Signalanalyse. Bei regelmäßigen Messungen können somit sich anbahnende Schäden eines Bauwerks frühzeitig erkannt werden.
Da die Schädigung eines Bauwerks keine direkt messbare Größe darstellt, erfordert eine eindeutige Schadenserkennung in der Regel die Messung mehrerer physikalischer Größen die geeignet verknüpft werden. Physikalische Größen können sein: Ultraschalllaufzeit, Amplitude des Ultraschallsignals und Umgebungstemperatur. Dazu müssen Korrelationen zwischen dem Zustand des Bauwerks, den Umgebungsbedingungen und den Parametern des gemessenen Ultraschallsignals untersucht werden.
In dieser Arbeit werden die neuartigen Prüfköpfe vorgestellt. Es wird beschrieben, dass sie sich, sowohl in bereits errichtete Betonbauwerke als auch in der Konstruktion befindliche, einbauen lassen. Experimentell wird gezeigt, dass die Prüfköpfe in mehreren Ebenen eingebettet sein können da ihre Abstrahlcharakteristik im Beton nahezu ungerichtet ist. Die Mittenfrequenz von rund 62 kHz ermöglicht Abstände, je nach Betonart und SRV, von mindestens 3 m zwischen Prüfköpfen die als Sender und Empfänger arbeiten. Die Empfindlichkeit der eingebetteten Prüfköpfe gegenüber Veränderungen im Beton wird an Hand von zwei Laborexperimenten gezeigt, einem Drei-Punkt-Biegeversuch und einem Versuch zur Erzeugung von Frost-Tau-Wechsel Schäden. Die Ergebnisse werden mit anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren verglichen. Es zeigt sich, dass die Prüfköpfe durch die Anwendung empfindlicher Auswertemethoden, auftretende Risse im Beton detektieren, bevor diese eine Gefahr für das Bauwerk darstellen. Abschließend werden Beispiele von Installation der neuartigen Ultraschallprüfköpfe in realen Bauteilen, zwei Brücken und einem Fundament, gezeigt und basierend auf dort gewonnenen ersten Erfahrungen ein Konzept für die Umsetzung einer Langzeitüberwachung aufgestellt.