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Versuche

Analyse der Quanteneffizienz von Solarzellen

Die Quanteneffizienz von Solarzellen beschreibt, welcher Anteil der auf die Solarzelle treffenden Photonen Elektron-Loch-Paare erzeugt, die zum generierten elektrischen Strom beitragen. Sie ist damit ein Maß sowohl für optische als auch elektrische Verluste, die in der Solarzelle auftreten. Die Bestimmung der Quanteneffizienz für verschiedene Wellenlängen gibt darüber hinaus Aufschluss über die elektrischen und optischen Eigenschaften verschiedener Bereiche der Solarzelle. Aus diesem Grund ist die Messung der Quanteneffizienz ein wichtiges Charakterisierungsverfahren, das vielfach in der Photovoltaik-Forschung und Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Versuch bestimmen Sie die Quanteneffizienz verschiedener Solarzellentypen und interpretieren die Messkurven. Dabei lernen Sie die Funktionsweise von Silizium-Solarzellen kennen und gewinnen Erfahrungen im Gebiet der Halbleiterphysik. Zur Durchführung des Versuchs steht Ihnen Messequipment zur Verfügung, wie es in Forschungslaboren und der Industrie verwendet wird.

Anleitung

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 winkelabhängigen spektralen Lumineszenzemission von Silizium-Wafern

Die winkelabhängige Spektralverteilung der Lumineszenzemission von Silizium-Wafern gibt Aufschluss über optische Eigenschaften der Probe und ihre Temperatur. Spektral aufgelöste winkelabhängige Messungen bilden die Grundlage für kamerabasierte Verfahren der Lumineszenzanalyse von Solarzellen, die sich in den letzten Jahren zu einem Standard-Verfahren der Solarzellencharakterisierung entwickelt haben. Für die Interpretation solcher Lumineszenzbilder ist ein Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Effekte unumgänglich.

In diesem Versuch untersuchen Sie die Lumineszenzemission von verschiedenen Silizium-Wafern spektral aufgelöst und als Funktion des Detektionswinkels und vollziehen die Messergebnisse anhand von physikalischen Modellen nach. Gleichzeitig erlernen Sie in diesem Versuch die Kalibrierung des verwendeten Spektrometers, die eine Voraussetzung für korrekte Messergebnisse ist.

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

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.

Anleitung

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

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

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

Lasersicherheit