Hier finden Sie einige aktuelle Themen für Bachelor- und Masterarbeiten, die in unserem Fachgebiet durchgeführt werden können. Sie können aber auch alle wissenschaftlichen MitarbeiterInnen des Fachgebietes zu weiteren Themenstellungen ansprechen.


Master- oder Bachelor Abschlussarbeit

Parameterstudien zum Einfluss der Modellannahme Temperaturunabhängiger Materialparameter bei der Thermoelektrischen Wandlung

(Stand 28.1.2016)

Thermogeneratoren bieten die Möglichkeit der direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie. Auf der Basis des Seebeck-Effektes werden hierzu Thermoelemente elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Heutige Thermogeneratoren erreichen nur Bruchteile des Carnot-Wirkungsgrad. Weltweit werden Möglichkeiten erforscht, die Effizienz dieser zu steigern. Hierzu wird im Fachgebiet NST in Kooperation mit der Universität Luxembourg das Grundlagenwissen durch detaillierte analytische und experimentelle Untersuchungen vertieft.

Aus Thermodynamischer Sicht bietet das Onsager-de Groot-Callen Modell in Kopplung mit der Energieerhaltung eine gute Beschreibung der stationären thermoelektrischen Wandlung. Die Materialeigenschaften lassen sich durch die Materialparameter der elektrischen Leitfähigkeit, der thermischen Leitfähigkeit und des Seebeckkoeffizienten auch als temperaturabhängige Größen implementieren und somit kann die thermoelektrische Wechselwirkung numerisch berechnet werden. Für analytische Lösungen wird jedoch oft auf die Temperaturabhängigkeit der Materialparameter verzichtet und die Materialparameter bei der mittleren Temperatur eingesetzt – das resultierende Formelwerk wird auch Constant Property Model (CPM) genannt. Die Frage, wie genau diese Annäherung ist, bleibt meist ungeklärt und soll nun in dieser Arbeit untersucht werden.


Abbildung 1: Simulierte U-I Kennlinien für Beispiel- materialien - Abweichung des CPM sehr gering (<2%)

Für die Arbeit steht ein Lösungssystem auf Basis von Matlab zur Verfügung, dem unterschiedlichste Verläufe der Materialparameter übergeben werden können. Darauf aufbauend soll der/die Student/in bzw. die Studenten/innen Parameterstudien planen und durchführen, in denen plausible Verläufe der Materialparameter generiert und dem Lösungssystem übergeben werden. Ziel der Parameterstudien ist herauszufinden, von welchen Bedingungen die Genauigkeit des Constant Property Models abhängt und Schranken der Genauigkeit zu bestimmen.

Nach kurzer Einarbeitung in das Thema der Parameterstudien kann der Student/die Studentin bzw. die Studenten/innen direkt beginnen, die Studien zu gestalten. Der sehr gut planbare Arbeitsaufwand bietet eine große Flexibilität von Arbeitsort und Arbeitszeit. Gerne werden neben den Grundlagen auch vertiefendes Wissen über die Thermoelektrischen Phänomene und die Forschung in diesem Bereich vermittelt. Bei Interesse kann zusätzlich auch eine gemeinsame Publikation über die Ergebnisse und dessen Interpretation angestrebt werden.

 

Die Bearbeitung des Themas kann sofort begonnen werden.

Bei Interesse an diesem oder anderen Themen in der Thermoelektrizität bitte einfach eine kurze Mail an mark.giese@uni.lu – gegebenenfalls direkt mit einem Terminvorschlag für ein kurzes Gespräch. Für weitere Rückfragen stehe ich gerne zur Verfügung.

Kontakt:
Mark Giese (mark.giese@uni.lu)
Universität Duisburg-Essen und University of Luxembourg
Telefonnr.: +352 46 66 44 5548

Master- oder Bachelor Abschlussarbeit

Experimentelle Untersuchungen des Benedicks-Effekts

(Stand 21.1.2016)

Thermogeneratoren bieten die Möglichkeit der direkten Umwandlung von thermischer in elektrische Energie. Auf der Basis des Seebeck-Effektes werden hierzu Thermoelemente elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Heutige Thermogeneratoren erreichen nur Bruchteile des Carnot-Wirkungsgrad. Weltweit werden Möglichkeiten erforscht, die Effizienz dieser zu steigern. Hierzu wird im NST in Kooperation mit der Universität Luxembourg das Grundlagenwissen durch detaillierte analytische und experimentelle Untersuchungen vertieft.
Während der Benedicks-Effekt in der Literatur wohl bekannt ist, wird er oft bei der Beschreibung der thermoelektrischen Wandlung nicht berücksichtig. Dieser Effekt beschreibt den Einfluss höherer Ableitungen der Temperatur nach dem Ort. Die Größe der Fehler, die durch die Vernachlässigung des Benedicks-Effekts z.B. bei der Performanceberechnung entstehen, ist sowohl materialabhängig als auch abhängig von weiteren Randbedingungen. Daher besteht die Notwendigkeit, diesen Fehler für die gegebenen Bedingungen abschätzen zu können. Ebenso unterscheidet sich auch je nach Material das Potenzial zur Steigerung des Konvertierungswirkungsgrads, welches die Optimierung unter Berücksichtigung des Benedicks-Effekts bietet. Die hier ausgeschriebenen Arbeiten sollen helfen, den Einfluss des Benedicks-Effekts bei neuen thermoelektrischen Materialien genau zu beschreiben und gegebenenfalls weitere Potenziale neuer Materialien durch andere Betriebs- oder Bauweisen thermoelektrischer Wandler aufzudecken.
Hierzu soll im Rahmen jeweils einer Abschlussarbeit:
a) ein Versuchsaufbau geplant werden, bei dem durch den Benedicks-Effekt entstehenden Kurzschlussstrom bei bestimmten thermoelektrische Materialien gemessen werden kann und die entscheidenden Einfluss-Parameter bestimmt werden. Anschließenden sollen die Versuche aufgebaut, durchgeführt und ausgewertet werden.
b) mit Hilfe einer Versuchsreihe, den Einfluss des Benedicks-Effekts bei gekerbten Materialproben auf die Seebeck-Spannung (im offenen Schaltkreis) analysiert werden.
Bisher ist geplant, die Arbeiten am NST in Duisburg durchführen zu lassen - jedoch kann bei Interesse die Arbeit teilweise oder auch ganz in Luxembourg stattfinden. Für Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung.

Kontakt:
Mark Giese
Universität Duisburg-Essen und University of Luxembourg
Telefonnr.: +352 46 66 44 5548

Quellen:
[BEN18] Benedicks, C., Ein für Thermoelektrizität und metallische Wärmeleitung fundamentaler Effekt, Ann. Phys., 360 (1918), 1–80
[Ana05] Anatychuk, L.I., Bulat, L. P., Thermoelectric Phenomena under Large Temperature Gradients IN: Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano-Structured, Materials, CRC Press: New York, London, Tokyo, Chapter 3 (2005).

Master- oder Bachelor Abschlussarbeit

Modellierung der Nanopartikel-Prozessierung mittels Simulationen auf Grafikkarten

(Stand 9.4.2015)

Das komplizierte Zusammenspiel mehrerer physikalisch-chemischer Prozesse (z.B.: Nukleation, Wachstum, Bruch, Koagulation usw..)  macht die richtige Vorhersage der Partikelgrößenverteilung  fast unmöglich - insbesondere dann, wenn mehrere Partikeleigenschaften in den Prozessen eine Rolle spielen (zum Beispiel: Partikelgröße, -form, -ladung etc..).
Die zugehörige Populationsbilanzgleichung, die diese Prozesse beschreibt,  ist mit herkömmlichen Methoden nicht lösbar. Eine alternative Methode zur Lösung dieser Gleichung  ist die Monte Carlo Simulation, welche die kontinuierlich formulierten  Prozesse in diskrete Ereignisse übersetzt und für diese dann  Wahrscheinlichkeiten formuliert. Über Zufallszahlen wird dann ermittelt, welches Ereignis in einer gegebenen Zeitspanne stattfindet. Da es sehr viele mögliche Ereignisse gibt und jedes davon sehr unwahrscheinlich ist,  macht die Monte Carlo Simulation erst dann wirklich Sinn, wenn alle anderen Methoden versagen, oder wenn eine Grafikkarte zur parallelen Berechnung genutzt wird, was die Simulation erheblich beschleunigt.
Ziele der möglichen Arbeiten:
Da wir verschiedene Prozesse  - in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen -  modellieren, z.B.: die Partikelsynthese aus der Gasphase, die Fällung durch turbulentes Mischen oder den Bruch in Kugelwerksmühlen; ergeben sich unterschiedliche Themen für eine Master- oder Bachelorarbeit, bei  denen verschiedene physikalisch-chemische Modelle benutzt werden.  Diese können je nach Problem durch bereits  vorhandene Simulationsmethoden gelöst werden - oder  es müssen erst einmal neue Algorithmen und Methoden entwickelt werden. Dies  kann auf der Grafikkarte mittels der CUDA-Programmiersprache im Rahmen einer Monte Carlo Simulation geschehen, kann aber auch mittels anderer Methoden unter  C/C++, Fortran oder (viel einfacher) MatLab, Maple, Mathematica, . . geschehen. 
Voraussetzungen:
Obwohl es etwas kompliziert klingt, ist die Programmierung einer Grafikkarte mittels CUDA relativ schnell gelernt, so dass erste einfache Programme bereits schon in der ersten Woche geschrieben werden können - Voraussetzung dafür ist allerdings die Erfahrung mit  C/C++ (oder zumindest ein tieferes Verständnis irgendeiner Programmiersprache und die Bereitschaft, C ++ zu lernen).
Ein Interesse an numerischen Methoden ist ebenfalls von Vorteil .

Ansprechpartner:  Gregor Kotalczyk, Raum BA 207, Tel. 0203 379 3483

Master-Abschlussarbeit

Simulation von Kapazitätsmessungen an Dünnschichtsolarzellen

(Stand 25.02.2014)


Projekt:
Solarzellen sind Halbleiterbauelemente, die typischerweise ein eingebautes elektrisches Feld besitzen. Dieses elektrische Feld, sowie die Ladungen in dem Halbleiter haben einen Einfluss auf die elektrische Kapazität des Bauelements. Ist z.B. die Dotierung sehr hoch und deswegen die Raumladungszone sehr schmal, wird diese Kapazität bei gegebener Spannung recht hoch sein. Dies ist vergleichbar mit einem Plattenkondensator mit geringem Plattenabstand. Zusätzlich zu dieser Kapazität der Raumladungszone, kann die Kapazität des Bauelements ebenfalls durch optisch oder elektrisch injizierte Ladungsträger verändert werden. Solche Ladungsträger befinden sich nach ihrer Injektion in den Band- oder Defektzuständen des Halbleiters. Somit können Defektzustände durch Messung der Kapazität charakterisiert werden. Man nutzt dabei aus, dass Ladungsträger in Defekten für einen bestimmten Zeitraum gefangen sind, bevor sie durch thermische Anregung wieder frei beweglich werden. Falls eine ausreichend niedrige Modulationsfrequenz an eine Solarzellen angelegt wird, reicht eine Periode des Sinus aus, um Ladungsträger zu injizieren, in Defekten zu fangen, und sie nach der thermische Anregung wieder zu extrahieren. In diesem Fall trägt die Ladung auf den Defekten zur gemessenen Kapazität beitragen. Erhöht man allerdings diese Modulationsfrequenz, werden weniger Defekte aufgeladen, so dass diese nicht mehr zur Gesamtkapazität der Solarzelle beitragen und letztendlich nur noch die freien Ladungsträger gemessen werden. Dies bedeutet, dass die Frequenzabhängigkeit der Kapazität ein wichtiger Parameter ist, um die Energieabhängigkeit von Defektzuständen zu untersuchen.

Obwohl Kapazitätsmessungen ein sehr mächtiges Werkzeug sind, um Solarzellen zu untersuchen, besser zu verstehen, und somit weiter zu optimieren, ist die korrekte Interpretation der Messungen eine Herausforderung. Aus diesem Grund beschäftigt sich dieses Master-Arbeits Projekt mit der Simulation von Kapazitätsmessungen von Dünnschichtsolarzellen. Die Simulationen werden hauptsächlich mit der Software SCAPS (von der Universität Gent in Belgien) durchgeführt. Das bedeutet, dass eigene Programmiertätigkeit in diesem Projekt nicht im Vordergrund steht. Stattdessen soll der Student verschiedene Varianten der Kapazitätsmessung an Dünnschichtsolarzellen in der Software nachstellen und aufgrund seiner Ergebnisse, Vorschläge entwickeln, wie Kapazitätsmessungen idealerweise ausgewertet werden sollen. Spezifische Fragestellungen, die bearbeitet werden sollen, sind die Interpretation von Kapazitätsmessungen unter Beleuchtung, die Bestimmung der Defektkonzentration und der Zustandsdichte von Defekten, sowie die Messung von Ladungsträgerbeweglichkeiten.

Kontakt
Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte

Prof. Dr. Thomas Kirchartz
Institut für Energie- und Klimaforschung - Photovoltaik (IEK-5)
Tel. (02461) 61 96500
t.kirchartz@fz-juelich.de

Bitte schicken Sie Ihre Bewerbungsunterlagen per E-Mail an

Frau Andrea Mülheims
E-Mail: a.muelheims@fz-juelich.de