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Bachelor-/Masterprojekte
Sie interessieren sich für unsere Forschung? Das freut uns! Ob Sie nun lieber Solarzellen selber herstellen möchten, an Messaufbauten tüfteln oder physikalische Prozesse simulieren, wir finden bestimmt das Richtige. Für mögliche Themen für Bachelor-, Master-, oder Staatsexamensarbeiten sprechen Sie uns gerne an.
Mögliche Bachelor/Master-Projekte:
Schnelle Photolumineszenz-Spannungsmessung zur Charakterisierung mobiler Ionen in Perowskit-Solarzellen (Bachelor- oder Masterarbeit)
Bild: Dr. Lukas Wagner Projektbeschreibung
Perowskit-Solarzellen sind eine vielversprechende Technologie für die nächste Generation von Solarzellen. Aufgrund ihrer ionischen Kristallbindungen unterscheiden sich Metallhalogenid-Perowskite von herkömmlichen, kovalent gebundenen Solarzellenmaterialien wie Silizium oder III-V-Halbleitern. Infolgedessen führen mobile Ionen in Perowskit-Solarzellen zu zeitabhängigen Verhaltensweisen wie Hysterese, d. h. die Solarzelle „erinnert“ sich an ihren vorherigen Zustand. Die Ionenwanderung kann zu Leistungsverlusten und Degradation führen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Ionenwanderung in diesen Bauelementen zu verstehen.
Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Messwerkzeugen zur Analyse und zum Verständnis der ionischen Eigenschaften von Perowskit-Solarzellen. Dazu entwickeln Sie einen „Fast-PL”-Messaufbau. Dieses Werkzeug ermöglicht die Durchführung von Photolumineszenz (PL)-Spannungs (PL-V)-Scans, wobei die Scan-Geschwindigkeit zwischen 0,1 und 1.000 V/s variiert wird. Dies erfolgt mit Hilfe eines optischen Aufbaus zur Messung der PL-Intensität über eine Photomultiplierröhre, einen Funktionsgenerator und ein digitales Oszilloskop. Zusätzlich muss ein Pufferverstärker hinzugefügt und eine Abschirmung gegen elektrische Störungen implementiert werden.Ziel
Sie richten ein System für schnelle PL-Scans unter simuliertem Sonnenlicht ein. Sie nehmen das System mit verschiedenen Perowskit-Zellen in Betrieb. Anschließend verwenden Sie diese Methode, um Leistungsverluste und Degradationsmechanismen zu bewerten, wobei Sie unsere auf einem Maximum Power Point Tracker basierende Solarzellen-Alterungsstation einsetzen.
Wenn Sie das Projekt im Rahmen einer Masterarbeit bearbeiten, fertigen Sie die Perowskit-Solarzellen auch selbst an.Zu erwerbende Fertigkeiten
In diesem Projekt lernen Sie, ein optoelektrisches Messsystem aufzubauen, das aus einer Photomultiplierröhre, Funktionsgeneratoren, Oszilloskopen, Verstärkern und Hochfrequenzabschirmungen besteht. Sie sammeln praktische Erfahrungen mit einer Vielzahl komplementärer optoelektrischer Charakterisierungstechniken, angefangen bei Strom-Spannungs-Messungen bis hin zu fortgeschrittenen Techniken wie Photolumineszenz (PL)-Quantenausbeute, PL-Bildgebung, zeitaufgelöste PL usw.
Im Rahmen einer Masterarbeit lernen Sie, Ihre eigenen Perowskit-Solarzellen herzustellen, zu charakterisieren und zu altern.
Darüber hinaus erwerben Sie ein tiefgreifendes Verständnis der Ionenmigration und der Ladungsträgerdynamik in Perowskit-Halbleitern.Weiterführende Literatur
(Die Literatur befasst sich nicht direkt mit dem Messinstrument, sondern gibt eine Einführung in das Thema.)
“Ion-induced field screening as a dominant factor in perovskite solar cell operational stability”. Thiesbrummel et al. Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01487-w
“Intensity-Modulated Photoluminescence Spectroscopy for Revealing Ionic Processes in Halide Perovskites”, Gillespie et al. ACS Energy Letters (2025). DOI: 10.1021/acsenergylett.5c01102
Kontaktperson: Dr. Lukas Wagner
Optimierung von Perowskit-Solarzellen mit großer Bandlücke für hocheffiziente Tandem-Photovoltaik (Masterarbeit)
Bild: Gülüsüm Babayeva Projektbeschreibung
Perowskit-Absorber mit großer Bandlücke (WBG) sind Schlüsselkomponenten für Tandem-Photovoltaikzellen der nächsten Generation, da sie in Kombination mit Bottom-Zellen mit kleiner Bandlücke eine effiziente Nutzung des Sonnenspektrums ermöglichen. Allerdings leiden WBG-Perowskit-Solarzellen häufig unter erheblichen Verlusten der Leerlaufspannung Voc, die in erster Linie auf nicht-radiative Rekombination an kritischen Grenzflächen zurückzuführen sind, insbesondere am Kontakt zwischen Perowskit und Elektronentransportschicht.
Ziel
Ziel dieses Projekts ist es, diese Spannungsverluste durch systematisches Grenzflächen-Engineering und die Entwicklung ultradünner Zwischenschichten zu untersuchen und zu mindern. Ausgehend von einer etablierten Zusammensetzung für WBG-Perowskit-Absorber werden verschiedene Strategien zur Grenzflächenmodifikation umgesetzt, um die Grenzflächenrekombination zu unterdrücken und die Ladungsabführung zu verbessern. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Wechselwirkung zwischen dem Perowskit-Absorber und den Elektronentransportschichten auf Fullerenbasis.
Durch die Optimierung der Grenzflächeneigenschaften und der Herstellungsparameter zielt die Arbeit darauf ab, einen reproduzierbaren Prozessablauf für hochleistungsfähige WBG-Perowskit-Solarzellen zu etablieren. Die daraus resultierenden Bauelemente werden eine verbesserte Plattform für die Integration in Tandem-Photovoltaik-Architekturen bieten und zur Entwicklung stabiler und hocheffizienter Tandem-Solarzellen beitragen.
Hauptaufgaben
• Herstellung von Perowskit-Solarzellen mit großer Bandlücke
• Untersuchung der Mechanismen für den Verlust der offenen-Kreislauf-Spannung (Voc) an der Perowskit/ETL-Grenzfläche
• Umsetzung von Strategien zur Grenzflächenoptimierung
• Charakterisierung von photovoltaischen Bauelementen mittels optischer und elektrischer Verfahren (JV, PL, UV-Vis, EQE)
• Bewertung der Eignung von Bauelementen mit großer Bandlücke für die Integration in Tandem-Solarzellenarchitekturen
Methoden und Werkzeuge
• Spin-Coating und automatisierte Abscheidung (Spinbot)
• Thermische Verdampfung und Sputtern
• Atomlagenabscheidung (ALD) zur Bildung von Zwischenschichten
• Dünnschichtfertigung in der Glovebox
• Standardverfahren zur Charakterisierung von Solarzellen
Bevorzugte Vorkenntnisse
• Physik, Chemie, Materialwissenschaften oder verwandte Fachgebiete
• Interesse an Dünnschicht-Photovoltaik und Grenzflächen-Engineering
• Erfahrung mit der Arbeit in Gloveboxen oder der Herstellung von Solarzellen ist von Vorteil
• Fähigkeit, in einem kooperativen Forschungsumfeld selbstständig zu arbeiten
Kontaktperson: Gülüsüm Babayeva (englischsprachig)
Bildungsmechanismus von niedrigdimensionalen Perowskitstrukturen auf 3D-Perowskitfilmen (Bachelorarbeit oder Vertiefungspraktikums im Bereich Physik/Chemie)
Projektbeschreibung
Innerhalb einer 6-10-wöchigen Arbeitsphase soll der Bildungsmechanismus von niedrigdimensionalen Perowskitstrukturen (LDPs) untersucht werden, die auf dreidimensionalen (3D) Perowskitfilmen entstehen. Ziel ist es, die Bildung, Struktur und Eigenschaften von LDPs besser zu verstehen, die für die Passivierung von Oberflächen in Perowskit-Solarzellen von großer Bedeutung sind.
Die Arbeit umfasst die Herstellung dünner Perowskitfilme mittels etablierten, nasschemischen Verfahren in Handschuhboxen. Anschließend werden die Proben mit verschiedenen spektroskopischen und mikroskopischen Methoden charakterisiert. Im Mittelpunkt steht die spektroskopische und ortsaufgelöste Photolumineszenz, ergänzt durch weitere Analysetechniken wie UV-Vis-Absorptionsspektroskopie, Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Je nach Fortschritt des Projekts besteht außerdem die Möglichkeit, vollständigePerowskit-Solarzellen herzustellen und durch Strom-Spannungs-Messungen den Effekt von LDPs in Solarzellen zu untersuchen.
Voraussetzungen:
Gesucht wird eine engagierte Studierende oder ein engagierter Studierender mit Interesse an experimenteller Laborarbeit und physikalisch-chemischen Fragestellungen. Erwartet werden Spaß an praktischen Tätigkeiten, Interesse anchemischen Prozessen sowie eine gewisse Frustrationstoleranz.
Kontaktperson: Malwine Lühder
Elektrooptische Simulation von Perowskit-Solarzellen (SETFOS) (Masterarbeit)
Projektbeschreibung
Dieses Projekt konzentriert sich auf die Modellierung von Einfach- und monolithischen Tandem-Perowskit-Solarzellen mit SETFOS. Die Arbeit umfasst die Simulation von Lichtabsorption, -emission, -streuung und optischen Verlusten unter Berücksichtigung von Rauheit, Kristallinität und parasitärer Absorption in den verschiedenen Schichten. Auf der elektrischen Seite modellieren Sie den Elektronen-, Loch- und Ionentransport, um JV-Kurven, EQE, Rekombinationswege, Ionenmigration und Hysterese zu reproduzieren. Gezielte Charakterisierungsexperimente, wie z. B. Dickenvariationen und Interlayer-Engineering, werden durchgeführt, um die entwickelten Modelle zu validieren und zu verfeinern.
Hauptaufgaben
Sie entwickeln und testen optoelektronische Modelle in SETFOS, implementieren und optimieren Materialparameter, simulieren komplette Gerätestapel und vergleichen die Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten, um die physikalische Genauigkeit der Modelle zu verbessern.
Lernergebnisse
Durch die Fertigstellung dieser Abschlussarbeit erwerben Sie ein solides Verständnis der optischen und elektrischen Prozesse, die Perowskit-Solarzellen steuern, praktische Erfahrung mit Drift-Diffusions- und Transfermatrix-Simulationen sowie die Fähigkeit, Modellierung mit experimentellen Beobachtungen zur Geräteoptimierung zu verknüpfen. Durch regelmäßige Diskussionen und Präsentationen Ihrer Ergebnisse innerhalb des Teams stärken Sie außerdem Ihre wissenschaftlichen Kommunikationsfähigkeiten.
Zielgruppe / Anforderungen
Dieses Projekt richtet sich an Masterstudierende der Physik, die über Vorkenntnisse in der Physik von Halbleiter- und Perowskit-Solarzellen, grundlegende Programmier- und Rechenkenntnisse sowie Interesse an der Kombination von theoretischer Modellierung und Experimenten verfügen. Selbstständiges und zuverlässiges Arbeiten wird erwartet.
Kontaktperson: Christopher Janas