Bachelor und Masterarbeiten

Bachelor-/Master-Arbeit 1. Herstellung von multiferroischen Kompositwerkstoffen (multiply smart materials)

Kontext:
Werkstoffe mit remanenten Eigenschaften dienen der Speicherung von gewissen Zuständen. Diese können mechanisch sein (plastische Verformung, Formgedächtnislegierungen), elektrisch (Ladungsspeicherung in der Elektronik als Computerspeicher) oder magnetisch (als Permanentmagnete oder wiederum Speicherelemente in Festplatten). Derzeit herrscht großer Bedarf, die klassische Festplatte und die gewöhnlichen Speicherchips (RAM) durch einen gemeinsamen Speichertyp zu ersetzen. Dies hätte den Vorteil, dass die bisher immer nötigen Boot-Vorgänge (jeder ärgert sich über das Hochfahren des Computers oder über die Stromrechnung, wenn der Computer ständig läuft) nicht mehr nötig sind. Die derzeitig verfügbaren Flash-Speicher, die Sie alle als Memory-Stick kennen, verfügen nicht über eine genügend hohe Speicherdichte.

Multiferroische Werkstoffe lassen sich elektrisch schreiben und magnetisch lesen. Dies hat den großen Vorteil, dass die Speicherelemente weder erhitzen noch ermüden. Derzeit sind allerdings noch keine genügend leistungsfähigen Werkstoffe bekannt, die bei Raumtemperatur einsetzbar wären. Gleichzeitig sind Multiferroika sehr gute magnetische Sensorwerkstoffe.

In der Diplom-/Bachelor-/Masterarbeit sollen hierzu keramische Kompositwerkstoffe über chemische und/oder mechanische Verfahren hergestellt werden. Ziel ist es, einen Werkstoff zu erzielen, der die gewünschte Kopplung aufweist. Derzeit werden hierzu Gele entwickelt, die zur Umhüllung von keramischen Pulvern dienen. Die umhüllten Pulver können dann durch einen Brennvorgang in die gewünschte Keramik überführt werden. Verschiedene Herstellungswege sollen hier getestet werden.

Je nach Art der anzufertigen Arbeit (Dipl./Ba/Ma) wird eine vom Umfang geeignete spezifische Aufgabe abgesteckt.

Betreuung:
Prof. Doru C. Lupascu (V15 S05 D06), doru.lupascu@uni-due.de

Bachelor-/Master-Arbeit 2. Herstellung und Charakterisierung von magnetoelektrischen Kompositen (multiply smart materials)

Kontext:
Es gibt spezielle Werkstoffe, die remanent elektrische und magnetische Größen aneinander koppeln können. Sie werden in der Medizintechnik und potentiell in einer neuen Generation von ermüdungsfreien Computerspeichern eingesetzt, mit dem langfristigen Ziel, die Festplatte ersetzen zu können.

In der Diplom-/Bachelor-/Masterarbeit sollen hierzu keramische Kompositwerkstoffe über chemische und/oder mechanische Verfahren hergestellt werden. Ziel ist es, einen Werkstoff zu erzielen, der die gewünschte magnetoelektrische Kopplung aufweist. Derzeit werden hierzu Kompositwerkstoffe entwickelt, z. B. mit piezoelektrischer Schale und magnetischem Kern. Im Institut werden verschiedene Herstellungswege getestet, von denen einer in einer Bachelor- oder Masterarbeit durchgeführt werden soll. Die Arbeit beinhaltet auch magnetoelektrische Messungen.

Je nach Art der anzufertigen Arbeit (Ba/Ma) wird eine vom Umfang geeignete spezifische Aufgabe abgesteckt.

Betreuung:
Prof. Doru C. Lupascu (V15 S05 D06), doru.lupascu@uni-due.de

Bachelor-/Master-Arbeit 3. Bleifreie Werkstoffe für elektrokalorische Kühlung

Kontext:
Bislang werden in bestehenden Kühlsystemen häufig synthetische Kältemittel eingesetzt, die einen hohen Energieverbrauch benötigen und zum Treibhauseffekt beitragen. Diese negativen Aspekte können reduziert werden, indem man sich sogenannte kalorische Effekte in festen Werkstoffen zunutze macht.

Unter dem kalorischen Effekt versteht man das Phänomen, dass sich ein Material erwärmt, wenn man es einem starken externen magnetischen/elektrischen/elastischen Feld aussetzt, und es sich abkühlt, wenn man das externe Feld wiederum entfernt. Da der Kühler sich im festen Zustand befindet, soll diese Technologie die Notwendigkeit für Kältemittel mit hohem Treibhauspotential komplett eliminieren. Mit den Eigenschaften leise und platzsparend Kühleffekte zu leisten, stehen diese Materialien mit kalorischen Effekten auch auf der Wunschliste von Chipherstellern. Dennoch ist die Suche nach umweltfreundlichen Materialien mit großen kalorischen Effekten eine Herausforderung.

Die Aufgabe der Bachelor-/Masterarbeit wird die Synthese von bleifreien Keramiken mit potentiell großer elektrokalorischer Wirkung und Untersuchung deren Parameter sein, die die elektrokalorische Leistung beeinflussen.

Eine Aufgabe für weitere Bachelor-/Masterarbeit kann die Optimierung/Simulation zur Messung des elektrokalorischen Effekts von Werkstoffen beinhalten.

Betreuung:
Dr. Vladimir V. Shvartsman (V15 S05 D89), vladimir.shvartsman@uni-due.de
M. Sc. Mehmet Sanlialp (V15 S05 D86), mehmet.sanlialp@uni-due.de

Bachelor-Arbeit 4. Herstellung und Untersuchung dünner anorganischer Schichten als potentielle Lochtransportmaterialien für Perowskitsolarzellen

Kontext:
Im Kontext der Ablösung Erdöl basierter Energieerzeugung durch erneuerbare Energiequellen gilt  die  Photovoltaik (PV) als einer der aussichtsreichsten Kandidaten. In den letzten Jahrzehnten haben sich  vor allem Silicium basierte Technologien etabliert.  Der wachsende Energiebedarf motiviert zur fortwährenden Suche nach immer effizienteren und kostengünstigeren PV Technologien. Zu der neuesten Generation von Solarzellen gehören die Perowskitsolarzellen, die durch ihre einfache Herstellung und hohen Wirkungsgrade (> 22%) in den letzten Jahren in den Fokus der Wissenschaft gerückt sind. Im Wesentlichen werden zwei Zellarchitekturen unterschieden - die planare und mesoskopische Zelle (Abb. 1a und 1b). Beiden Architekturen haben, neben der Front- und Deckelektrode, die Absorberschicht, den Loch- (HTM) und den Elektronenleiter (ETM) gemein. Erste besteht aus dem Perowskit. Der Name leitet sich aus der Struktur ab, in welcher das Absorbermaterial kristallisiert. Das elektronenleitende Material ist Titandioxid (TiO2). Während die planare Konfiguration nur eine kompakte TiO2-Schicht enthält, kommt für die mesoskopische Architektur eine zusätzliche mesoporöse TiO2-Schicht zum Einsatz. Bei der Auswahl der lochleitenden Schicht besteht eine große Variabilität, wobei die Benchmark-Zellen spiro-OMeTAD (Abb. 1c) als HTM verwenden. Trotz seiner hervorragenden Leistung sind mit diesem Material auch einige Nachteile verbunden. Bis zum jetzigen Zeitpunkt sind die Herstellungskosten für diese Verbindung sehr hoch. Außerdem werden Additive benötigt, um dem spiro-OMeTAD die notwendige Leitfähigkeit zu verleihen. Diese verringern jedoch die Stabilität der Perowskitschicht und der Zelle als Ganzes. Neben niedermolekularen organischen Verbindungen wie spiro-OMeTAD, wurden auch Polymere und anorganische Materialien als potentielle HTM in Perowskitsolarzellen untersucht.

Aufgabenstellung:
Im Fokus der Bachelorarbeit steht die Herstellung dünner anorganischer Schichten (z.B. CuSCN, CuI, NiO, CuO etc.) mittels lösungsmittelbasierter Verfahren (z.B. Rotationsbeschichtung) und physikalische Dampfphasenabscheidung. Im Zuge dessen soll der Einfluss verschiedener Prozessparameter (z.B. Abscheiderate, Konzentration, thermische Nachbehandlung etc.) auf die Morphologie der Schichten untersucht werden. Abschließend sollen komplette Perowskitsolarzellen mit den optimierten anorganischen Lochtransportschichten in planarer und/oder mesoskopischer Bauweise hergestellt und hinsichtlich ihres Wirkungsgrades untersucht werden. Die wesentlichen Untersuchungsmethoden, die für diese Arbeit zum Einsatz kommen, sind Röntgendiffraktion, UVVIS-Spektroskopie, diverse  mikroskopische Verfahren, wie Lichtmikroskopie, Rasterkraftund Rasterelektronenmikroskopie.

Betreuung: Dr. Christian Fettkenhauer (AG Prof. Dr. Doru C. Lupascu), christian.fettkenhauer@uni-due.de

Bachelor-Arbeit 5. Synthese von TiO2 und deren Effekte auf die Strom-Spannungsleistung in 3D- und 2D-Perowskit-Solarzellen

Kontext:
Organisch-anorganische Blei Hybridperowskite haben in den letzten Jahren großes Interesse Photovoltaikforschung geweckt. Perowskitsolarzellen vereinigen die positiven Eigenschaften organischer und anorganischer Solarzellen und sie haben innerhalb weniger Jahre ihren Wirkungsgrad von 6% auf über 22% gesteigert.
Als elektronenleitendes Material in organische Solarzellen benutzt man Titandioxid (TiO2). Um besser die Funktionsweise zu verstehen, bzw. die Effizienz von Solarzellen zu optimieren, wäre hilfsreich eine  gründliche Analyse der jeweiligen Komponenten auf die Effizienz zu untersuchen.

Aufgabenstellung:
Im Fokus der Bachelorarbeit steht die Herstellung und Charakterisierung von TiO2 Dünnschichte nach unterschiedlichen Methoden (nasschemisch über Sol-Gel Prozess, Hydrothermal oder Sputtern oder thermisches Verdampfen). Die Titandioxidschichten werden mit einer 3D- oder 2D- Hybride Perovskite Absorber impregniert und im Zuge dessen soll die wichtigste Preparations-Einflussparameter (z.B.  Konzentration, thermische Nachbehandlung, Schichtdicke, Alterung, Reproduzierbarkeit etc.) auf die  Morphologie der Schichten untersucht werden. Abschließend sollen die Strom-Spannungsleistung in Perowskitsolarzellen gemessen werden. Zur Charakterisierung dienen Röntgendiffraktometrie, UV-VIS-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenstrahlmikroskopie (REM), und die Messung von U-I-Kennlinien.

Betreuung: Dr. Irina Anusca (AG Prof. Dr. Doru C. Lupascu), irina.anusca@uni-due.de