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Versuche

Analyse der Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen

In diesem Versuch analysieren Sie industriell gefertigte Silizium-Solarzellen anhand von gemessenen  Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V-Kurven). Dabei lernen Sie die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen kennen und gewinnen Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Darüber hinaus lernen Sie die Programmierumgebung LabView kennen, die in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt. Im ersten Teil des Versuches messen Sie die I-V Kennlinie der Solarzelle im Dunkeln, um ihre Rekombinationseigenschaften zu untersuchen. Anschließend messen Sie die I-V-Kennlinie unter Beleuchtung, um den Wirkungsgrad sowie einige andere Parameter zu bestimmen und zu interpretieren. Um die Kennlinien computergesteuert aufnehmen zu können, programmieren Sie selber in LabView die Ansteuerung des Messaufbaus. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

Anleitung

Analyse der Lumineszenzemission von Solarzellen

Lumineszenzemission in Solarzellen ist der Umkehrprozess der Absorption von Licht unter Generation von elektrischen Ladungsträgern. Die Analyse der Lumineszenzemission gibt Aufschluss über verschiedene Eigenschaften der untersuchten Probe wie z.B. die Temperatur der Probe, Rekombination von Ladungsträgern, lokale Spannung oder die Rauhigkeit der Oberflächen.

In diesem Versuch analysieren Sie die Elektro- und Photolumineszenzemission von Silizium-Solarzellen und Silizium-Wafern sowohl spektral aufgelöst unter Verwendung eines Spektrometers als auch ortsaufgelöst mit Hilfe einer Kamera. Dabei lernen Sie die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen kennen und gewinnen Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Außerdem erlernen Sie den Umgang mit Diodenarray-Spektrometern und wissenschaftlichen Silizium-CCD-Kameras. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

Anleitung

Bestimmung der Oberflächenmorphologie mit einem Rastertunnelmikroskop

Mit einem Rastertunnelmikroskop sollen verschiedene Oberflächen an Luft auf ihre Morphologie hin untersucht werden. Zur Einarbeitung stehen eine Goldaufdampfschicht und ein Graphitkristall mit frisch zu präparierender Oberfläche zur Untersuchung zur Verfügung; auf letzterem kann sogar an Luft eine atomare Auflösung erreicht werden. Im weiteren Verlauf des Versuches sollen andere Oberflächen (teilweise im Ultrahochvakuum) gezielt präpariert und dann mit dem STM charakterisiert werden.

Anleitung

Bestimmung und Veränderung der Oberflächenmorphologie mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM)

Beispiel einer AFM-Aufnahme sowie Betrieb im EFM-Modus

Mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope - AFM) sollen verschiedene Oberflächen an Luft auf ihre Morphologie hin untersucht werden. Das AFM bietet zwar nicht die hoche Auflösung eines Rastertunnelmikroskops, ermöglicht jedoch die Untersuchung auch nichtleitender Materialien auf atomarer Skala.
Der erste Teil des Versuchs dient der Einarbeitung in diese höchst empfindliche Meßmethode. Im zweiten Teil können sowohl die Stufenstruktur von nichtleitenden Ionenkristallen und die Veränderung der Oberfläche durch die umgebende Atmosphäre bestimmt werden, als auch gezielt Defekte eingebracht und vermessen werden.

Anleitung

Software

Elektronenmikroskopie (SEM)

Beispiel einer SEM Aufnahme

In diesem Praktikumsversuch soll der Umgang mit dem Rasterelektronenmikroskop (engl.: Scanning Electron Microscope = SEM) erlernt werden. Grundlegend, um hochauflösende und detailreiche Bilder mit dem Elektronenmikroskop zu erzielen, ist das Verständnis des Aufbaus der Elektronensäule, der Wechselwirkung der Elektronen mit Materie und der Detektion der sekundär und/oder gestreuten Elektronen.

Im ersten Teil des Versuchs geht es um das "Kennenlernen" des Mikroskops und dem Erreichen der Auflösungsgrenze im Nanometerbereich mit vorhandenen Proben. Dann im zweiten Teil stehen die Probenpräpartion beliebiger Proben und die Probenanalyse im Vordergrund. Zum Schluss werden dann noch spezielle Aspekte des SEMs, wie z.B. Elektronenbeugung an Einkristallen untersucht.

Halbleiterspektroskopie

In diesem Versuchen sollen Kenntnisse zur Halbleiterphysik, Optik und tiefen Temperaturen vermittelt werden. Ziel ist die Messung der Photolumineszenz eines einzelnen Halbleiter-Quantenpunktes bei Heliumtemperatur. Im ersten Teil des Versuches justieren Sie die hochauflösende Optik bei Raumtemperatur und messen ein erstes Photolumineszenzspektrum. Anschließend kühlen Sie die Halbleiterprobe auf Heliumtemperatur ab und führen Untersuchungen bei tiefen Temperaturen durch. Analysiert wird die Intensität und die Polarisation der Photolumineszenz eines einzelnen Quantenpunktes in Abhängigkeit von der Anregungsintensität des Lasers. Als Vorbereitung zu dem Versuch sollen die ersten beiden Kapitel dieser Diplomarbeit gelesen werden.

Kernspinresonanz in Festkörpern

Die Kernspinresonanz (NMR) in Festkörpern wurde von E. Purcell und F. Bloch nahezu zeitgleich mittels unterschiedlicher Apparaturen im Labor entdeckt. Die Entdeckung führte zu spektroskopischen Methoden, die noch heute von Physikern, Chemikern, Geologen und Biologen benutzt wird, um Erkenntnisse über die mikroskopische Struktur der Materie zugewinnen. Eine Probe wird dazu in ein konstantes magnetisches Feld gebracht und elektromagnetische Wellen bestimmter Leistung und Energie eingestrahlt. Die Strahlung regt Übergänge zwischen Zuständen von Kernen im Material an, die elektrisch detektiert werden. Einzige physikalische Voraussetzung zur Anwendung dieser Methode ist dabei ein Kernspin ungleich null. Sie werden in diesem Versuch die Grundlagen der Kernspinresonanz selbstständig erarbeiten und mittels eines gepulsten Kernspinspektrometers praktische Erfahrungen im Labor sammeln. Auch die Untersuchung der räumlichen Struktur eigener Proben ist dabei möglich.

Kristallstrukturbestimmung mit Röntgenstrahlen und Elektronen

In diesem Versuch werden Grundkenntnisse über Kristallstrukturen und Beugung von Röntgenstrahlen und Elektronen an Kristallgittern erarbeitet.

Im ersten Teil dieses Versuches sollen wie im Versuch Röntgenbeugung die Gitterkonstanten von mehreren kubischen Kristallen mit Hilfe des Debye-Scherrer-Verfahrens bestimmt werden.
Im zweiten Teil soll die Orientierung von verschiedenen Einkristallen bestimmt werden (nach Laue) und soweit möglich eine Schnittfläche mit einer bestimmten Orientierung aus einem größeren Einkristall präpariert werden.
Im dritten Teil werden im Ultrahochvakuum verschiedene Oberflächen von Einkristallen mit Hilfe der Beugung langsamer Elektronen untersucht. Dieser Teil des Versuches gibt Gelegenheit, an aktuell laufenden Forschungsarbeiten teilzuhaben.

Oberflächenuntersuchungen im Ultrahochvakuum

LEED-Picture

Ein sehr gutes Ultrahochvakuum (UHV) ist die Voraussetzung, reine Oberflächen von Materialien zu untersuchen und ihre Reaktion mit gezielt angebotenen reinen Gasen zu bestimmen. In diesem Versuch soll in einer Ultrahochvakuumapparatur mit Hilfe der Elektronenbeugung die Struktur der Oberfläche von Einkristallen und ihre Veränderung durch Adsorbate an der Oberfläche untersucht werden. Es sollen Kenntnisse vermittelt werden im Umgang mit UHV (Erzeugung und Messung des Drucks, Materialien) und der Manipulation von Proben im UHV sowie den Untersuchungsmethoden Spotprofil Analyse bei Elektronenbeugung (SPA-LEED) und Massenspektrometrie. Dazu werden unter anderem die Rauigkeiten von kristallinen Silizium Proben mittels G(S)- und H(S)-Analyse bestimmt.

Quanten-Hall-Effekt

Quantum Hall Effect

Der Quanten-Hall-Effekt ist auch ein Vierteljahrhundert nach seiner Entdeckung Gegenstand der aktuellen Forschung. Insbesondere der fraktionale Quanten-Hall-Effekt ist in seiner theoretischen Beschreibung so anspruchsvoll, dass noch nicht alle experimentellen Ergebnisse verstanden sind. In diesem Praktikum werden die Grundlagen der Quanten-Hall-Physik vorgestellt. Es wird ein Ãœberblick über die Theorie hinter dem Quanten-Hall-Effekt gegeben und ein Einblick in die Probenherstellung. In eigenen Magnetotransportmessungen sollen die Eigenschaften der verwendeten Heterostrukturen untersucht und bestimmt werden.

Anleitung

Resonante Tunneldioden (RTD)

Inhalt des Versuchs ist die Untersuchung von resonanten Tunneldioden (RTD). Resonantes Tunneln durch eine Doppelbarrierenstruktur beruht auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt, der es ermöglicht, dass Ladungsträger dünne Barrieren - entgegen dem klassischen Verständnis - überwinden können. Resonante Tunneldioden aus Halbleitermaterialien (GaAs/AlAs) werden hierbei bei verschiedenen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 4.2 K vermessen. Mithilfe von Strom-Spannungs Kennlinien können verschiedene Eigenschaften der Proben untersucht werden.

Anleitung

Röntgenbeugung

Debye Scherrer Verfahren
Debye Scherrer Verfahren

Mit Hilfe des Debye-Scherrer-Verfahrens wird die Gitterkonstantenbestimmung von mehreren kubischen Kristallen durchgeführt. Dabei werden Grundkenntnisse über Kristallstrukturen - Kristallgitter und reziprokes Gitter - und die Beugung von Röntgenstrahlen erarbeitet. Die Auswertung der Messergebnisse erfordert eine besondere Berücksichtigung von systematischen Fehlern. Zusätzlich wird auf die Probleme des Strahlenschutzes eingegangen.

Anleitung

Röntgenphotoemission (XPS)

Die XPS-Kammer

Die Analyse der Morphologie und elektronischen von Grenz- bzw. Oberflächen erfolgt mit Hilfe verschiedener Methoden (z.B. XPS, UPS, LEED, STM, AFM).  Die Photoelektronenspektroskopie (XPS,UPS) stellt eine der wichtigsten Methoden zur  Untersuchung der chemischen Zusammensetzung, der Bindungsverhältnisse und der elektronischen von Grenz- bzw. Oberflächen dar.  Je nach Anregungsenergie der Lichtquelle hin unterscheidet man zwischen UPS ("Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy") hn=5...41eV und XPS ("X-Ray Photoelectron Spectroscopy") hn=100...1500eV. Die Informationstiefe dieser Methode liegt nur zwischen 5Ã… und 30Ã…, das entspricht etwa 2 bis 15 Atomlagen. Dieses Abhängigkeit lässt sich andererseits gezielt einsetzten um beispielsweise die Schichtdicke von Adsorbaten zu studieren.  Neben der Bestimmung der Bindungsenergie von Primärstrukturen, sollen innerhalb dieses Versuches auch Sekundäreffekte, wie z.B. Ghost-peaks, Shake-up, Shake-off, näher studiert werden

Anleitung Versuch

Spindynamik in Halbleitern

In diesem Versuch sollen Kenntnisse zur Halbleiterphysik, Optik und Spindynamik bei tiefen Temperaturen vermittelt werden. Ziel ist die Messung der Lebensdauer einer optischen Spinanregung im Magnetfeld in einem leicht mit Elektronen dotierten Halbleiter auf optischem Wege. Im ersten Teil des Versuches werden die optischen und polarisationsauflösenden Komponenten justiert. Anschließend kühlen Sie die Halbleiterprobe auf Heliumtemperatur ab und führen Untersuchungen bei tiefen Temperaturen durch. Analysiert wird die Intensität und die Polarisation der angeregten Photolumineszenz in Abhängigkeit eines von außen angelegten Magnetfeldes. Diese Methode ist bekannt als Hanle-Depolarisationsmessung.

Anleitung