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Distributed Fiber Optic Sensing from GeoLaB1 well: cementation and drilling monitoring
Get PDFThe Geothermal Laboratory in the Crystalline Basement (GeoLaB) is a joint research initiative designed to investigate key scientific and technical aspects of deep geothermal energy extraction in crystalline rock.
As part of the project\u27s initial phase, two exploration wells – GeoLaB1 (vertical) and GeoLaB2 (deviated) – were drilled to characterize the geological environment, test monitoring technologies and prepare for future in-situ experiments. Following the drilling and coring of the vertical well GeoLaB1, a fiber optic cable was clamped behind the casing, in a U-loop configuration, and permanently cemented in place. This cable contains several fibers, enabling simultaneous use of different fiber optic sensing technologies. A first dataset was acquired during and after the cementation job of GeoLaB1 using Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry and Distributed Acoustic Sensing (DAS). This dual approach allowed joint monitoring of strain (static response) and seismic activity (dynamic response) during cement injection and hardening process. The same infrastructure was subsequently used for continuous DAS monitoring during the drilling of the nearby deviated GeoLaB2 well.
Following the presentation of the technical aspects of the measurements, we analyze the response to the cement job of the fiber optic sensing data, with support of the logging data. Additionally, we present the drilling monitoring conducted via DAS at a short-offset distance. This study highlights the contribution of distributed fiber optic sensing to gaining valuable insights into well integrity, seismicity, and the broader potential of such systems for high-resolution, multi-parameter monitoring in geothermal environments
Co-evaporated perovskites and incorporation into tandem solar cells
Get PDFDa der vom Menschen verursachte Klimawandel allmählich die sozioökonomische Politik bestimmt und vorausschauende Nationen angesichts des steigenden Energieverbrauchs Netto-Null-Emissionen anstreben, ist Solarenergie die billigste Quelle für erneuerbare Energie. Unter den Solartechnologien der nächsten Generation sind Perowskit-Solarzellen (PSC) ein aussichtsreicher Kandidat um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Sie versprechen hohe Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung, niedrige Materialkosten und das Potenzial, sich mit bestehenden Technologien zu Tandemsolarzellen zu kombinieren. Gasphasen-Perowskite sind besonders kompatibel mit den derzeitigen industriellen Fertigungstechnologien. Allerdings müssen grundlegende Herausforderungen bewältigt werden, damit ko-verdampfte Gasphasen-Perowskite für die Kommerzialisierung in Frage kommen. Erstens gibt es ein Wirkungsgrad-Defizit zwischen typischen ko-verdampften und lösungsgefertigten Perowskiten welches sich im Großen und Ganzen durch folgende Faktoren erklären lässt: minderwertige Materialeigenschaften, ein Mangel an kompatiblen Passivierungsmitteln und minderwertige vakuum-prozessierte Löchertransportschichten (HTLs) in der Gasphase. Darüber hinaus bedeutet das substratabhängige Wachstum von ko-verdampften Perowskiten, dass jede neue Entwicklung von Dampfphasen-HTLs auch die resultierende Perowskit/HTL-Grenzfläche verstehen muss. Schließlich ist das Verständnis der vergleichbaren optischen Eigenschaften von semitransparenten (ST) PSCs noch begrenzt, was für Tandemarchitekturen von großer Bedeutung ist. Die zweite große Herausforderung ist die Geschwindigkeit der Abscheidung. Die Ko-Verdampfung ist ein relativ langsamer Prozess mit Abscheidungsraten, die um Größenordnungen unter dem liegen, was für die Kommerzialisierung erforderlich ist. Dies ist zum Teil auf das mangelnde Verständnis des Sublimationsverhaltens organischer Kationen bei hohen Abscheidungsraten zurückzuführen. Diese Arbeit zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung effizienter ko-verdampfter PSCs zu bewältigen, einschließlich ihrer Einbindung in monolithische und mechanisch gestapelte Tandemarchitekturen, um ihre Machbarkeit zu demonstrieren.
Erstens trägt diese Arbeit durch die systematische Optimierung der optischen Eigenschaften von ST-PSC zur Entwicklung von vierpoligen Perowskit/CIGS-Tandembauelementen bei. Vorder- und rückseitig transparente leitfähige Oxide und antireflektierende Beschichtungen werden untersucht, um die NIR-Transmission zu maximieren. Dies wird durch eine Reihe von optischen Simulationen unterstützt, um das zukünftige Potenzial des optischen Managements zu bestimmen. Mit dieser Strategie lassen sich vierpolige Perowskit/CIGS-Tandemsolarzellen mit PCEs von 27,3 % für lösungsprozessierte und 23,8 % für co-verdampfte Perowskit-Absorber erzielen. Die Ergebnisse im Lösungsprozess stellen nahezu einen Weltrekord an Effizienz für 4T-Perowskit/CIGS-Tandemgeräte dar.
Zweitens wird in dieser Arbeit eine Dampfphasenabscheidungsmethode für SAM-HTLs auf Basis selbstorganisierter Monolagen entwickelt. Diese Schichten sind für die Entwicklung von p-i-n-PSCs von entscheidender Bedeutung, wurden bisher jedoch ausschließlich mit lösungsbasierten Methoden abgeschieden. Die Auswirkungen der Verdampfung auf die chemischen Eigenschaften dieser Materialien werden gründlich untersucht um sicherzustellen, dass sie sich während der Abscheidung nicht thermisch zersetzen. Anschließend werden die Grenzflächeneigenschaften zwischen aufgedampften und in Lösung hergestellten SAM-HTLs verglichen, wobei für alle untersuchten Materialien vergleichbare Grenzflächeneigenschaften sowohl mit in Lösung hergestellten als auch mit mitverdampften Perowskit-Absorbern festgestellt wurden. Die Dampfphasenabscheidung erhöht die Flexibilität dieser Materialien erheblich und ist eine inhärent konforme und skalierbare Methode.
Als nächstes werden in dieser Arbeit die Grenzflächenwechselwirkungen untersucht, die zwischen SAM-HTLs, einschließlich aufgedampfter SAM-HTLs, und ko-verdampften Perowskiten auftreten. Aufgrund des substratabhängigen Wachstums von ko-verdampften Perowskiten ist das Verständnis dieser Wechselwirkungen entscheidend für die Entwicklung aller Dampfphasen-PSCs mit SAM-HTLs. Mit Hilfe verschiedener Techniken wird die Form dieser Wechselwirkung als Wasserstoffbrückenbindung zwischen Phosphonsäuren und Grenzflächenhalogeniden bewertet, die sich in erster Linie auf den Einbau organischer Kationen in den Perowskit auswirkt. Darüber hinaus werden die Auswirkungen dieser Wechselwirkung auf das Wachstum des Perowskits und die photovoltaischen Eigenschaften untersucht. Diese Wechselwirkung stellt eine bisher unbekannte Form der Substratwechselwirkung bei ko-verdampften Perowskiten dar und erweitert das Verständnis dieses wichtigen Parameters erheblich.
Schließlich werden in dieser Arbeit die Auswirkungen einer erhöhten Abscheidungsrate auf co-verdampfte Perowskite auf Formamidinium (FA)-Basis untersucht. Die potenzielle Zersetzung des FA-Kations ist für die Erzielung kommerziell nutzbarer Abscheidungsraten von Perowskiten von großer Bedeutung. Wir stellen fest, dass thermische Schwankungen innerhalb des Tiegels zu einer selektiven Zersetzung des Materials führen, der sich bei hohen Raten auf die Eigenschaften der Bauteile auswirkt. Es werden drei Methoden vorgeschlagen und bewertet, um diese Einschränkung zu verringern. Dazu gehören die Verwendung zusätzlicher organischer Quellen, die Vorkonditionierung des organischen Materials und das Design des Tiegels. Darüber hinaus werden durch den Einbau von Perowskiten mit niedriger und hoher Abscheidungsrate in monolithische Tandems weitere potenzielle Probleme mit hohen Abscheidungsraten untersucht. Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse darüber, was erforderlich ist, um die Abscheidungsraten von ko-verdampften Perowskiten sinnvoll zu erhöhen
Kinetic Monte Carlo Simulations of Solid Electrolyte Interphase Formation on Lithium Metal Electrodes
Get PDFAngesichts des weltweit fortschreitenden Klimawandels gewinnen die Elektrifizierung unseres
Verkehrs sowie die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen stetig an Bedeutung. Bei dieser
Transformation nehmen Energiespeicher eine wichtige Schlüsselrolle ein. In den vergangenen
Jahrzehnten wurde die Lithium-Ionen-Batterie als wichtige Energiespeichertechnologie etabliert
und bis dicht an ihre theoretischen Limits optimiert. Eine weitere wesentliche Steigerung der
Energiedichte erfordert daher fundamental neue Zellchemien. Diesbezüglich gelten Lithium-
Metall-Anoden aufgrund ihrer hohen gravimetrischen Kapazität als besonders vielversprechend.
Allerdings wird ihre praktische Verwendung derzeit noch stark durch ihre hohe Reaktivität
gegenüber dem Elektrolyten sowie einer niedrigen Zyklenfestigkeit eingeschränkt. Diese Herausforderung
könnte durch die gezielte Ausbildung einer schützenden Solid Electrolyte Interphase
(SEI) an der Lithium/Elektrolytgrenzfläche überwunden werden.
In dieser Dissertation werden neuartige ab initio-informierte kinetische Monte Carlo (kMC)
Modelle entwickelt, welche ein mechanistisches Verständnis der SEI-Bildung sowie eine Identifikation
makroskopischer Einflussfaktoren ermöglichen und somit zur Stabilisierung der Grenzfläche
an Lithium-Metall-Anoden beitragen können. Ein besonderer Fokus wird dabei auf die
Erhöhung der erreichbaren Simulationszeit bis in den Sekundenbereich gelegt, sodass die initiale
Phase der Schichtbildung abgedeckt ist. Dies verfolgt insbesondere das Ziel die Lücke zwischen
atomistischen Simulationen im Piko- bis Nanosekundenbereich und experimentellen Untersuchungen
zu schließen und gleichzeitig eine molekulare Auflösung beizubehalten. Ein weiterer
methodischer Schwerpunkt liegt darüber hinaus auf der Implementierung elektrostatischer
Wechselwirkungen zur Sicherstellung der lokalen Elektroneutralität. Dazu werden geeignete
Transportgleichungen aus der Literatur abgeleitet und Methoden zur Berücksichtigung des Einflusses
der Solvathülle, zur Vermeidung des Selbstwechselwirkungsfehlers sowie zur Wahl
geeigneter Randbedingungen entwickelt und diskutiert. Basierend auf einem Vergleich verschiedener
Modellansätze wird schließlich der 1D-Poisson Ansatz als bester Kompromiss hinsichtlich
Genauigkeit und Effizienz für den Einsatz in den entwickelten SEI-Modellen identifiziert.
Die kMC-Modelle werden angewendet, um die spontane SEI-Bildung in dem weit verbreiteten
Elektrolytsystem aus Ethylencarbonat, Kohlensäureethylmethylester und LiPF6 sowie
den Einfluss des Additivs Vinylencarbonat zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studien zeigen,
dass sich eine erste Passivierungsschicht an Lithium-Metall sehr schnell innerhalb der ersten
Mikrosekunde nach dem Kontakt mit dem flüssigen Elektrolyten einstellt. Ohne Additiv bildet
sich in dieser Zeitspanne eine mehrere Nanometer dicke, geschichtete anorganische SEI aus
Li2CO3 und LiF aus. Diese lässt sich insbesondere durch eine Variation der Salzkonzentration
innerhalb der Löslichkeitsgrenzen beeinflussen, wobei höhere Konzentrationen zu einer
schnelleren Passivierung, einem höheren LiF-Anteil und einer insgesamt dünneren SEI führen.
Zusätzlich wird gezeigt, dass die Kinetik der Schichtbildung und die resultierende Struktur und
Zusammensetzung maßgeblich von der lokalen Solvatationsumgebung und Li+ Konzentration
beeinflusst werden. Diese initiale Schichtbildung wird durch das Additiv Vinylencarbonat (VC)
kaum beeinflusst. Allerdings führt VC innerhalb weniger Millisekunden zur Ausbildung einer
darüber liegenden Polymerschicht. Da die Ausbildung dieser Schicht im Gegensatz zur übrigen
SEI-Bildung hauptsächlich chemisch verläuft, wird die Oberfläche dadurch ohne den kontinuierlichen
Verbrauch von aktivem Lithium, Lösungsmittel und Leitsalz passiviert. Eine Änderung
der VC-Konzentration wirkt sich vor allem auf die Geschwindigkeit der Passivierung sowie
auf die Additivmenge aus, welche nach der initialen Schichtbildung im Elektrolyten verbleibt.
Es wird erwartet, dass sich dies im späteren Betrieb der Zelle auf Reparaturmechanismen der
Passivierungsschicht und somit auf die Lebensdauer der Zelle auswirkt.
Insgesamt trägt diese Arbeit essentiell zur Erweiterung des mechanistischen Verständnisses
der spontanen SEI-Bildung an Lithium-Metall-Anoden sowie zur Identifikation makroskopischer
Einflussfaktoren bei. Darüber hinaus werden innovative Simulationsmethoden entwickelt,
welche sich auch über die durchgeführten Fallstudien hinaus auf zahlreiche weitere Elektrolytsysteme
und Zellchemien übertragen lassen. Diese Arbeit schafft somit wichtige Grundlagen für
das zukünftige modellbasierte Design der SEI und erleichtert somit die Entwicklung stabilerer
Lithium-Metall Batterien
Feasibility of In-Ear Single-Channel ExG for Wearable Sleep Monitoring in Real-World Settings
Get PDFAutomatic sleep staging typically relies on gold-standard EEG se-
tups, which are accurate but obtrusive and impractical for everyday
use outside sleep laboratories. This limits applicability in real-world
settings, such as home environments, where continuous, long-term
monitoring is needed. Detecting sleep onset is particularly rele-
vant, enabling consumer applications (e.g. automatically pausing
media playback when the user falls asleep). Recent research has
shown correlations between in-ear EEG and full-scalp EEG for var-
ious phenomena, suggesting wearable, in-ear devices could allow
unobtrusive sleep monitoring. We investigated the feasibility of
using single-channel in-ear electrophysiological (ExG) signals for
automatic sleep staging in a wearable device by conducting a sleep
study with 11 participants (mean age: 24), using a custom earpiece
with a dry eartip electrode (Dätwyler SoftPulse) as a measurement
electrode in one ear and a reference in the other. Ground truth
sleep stages were obtained from an Apple Watch Ultra, validated
for sleep staging. Our system achieved 90.5% accuracy for binary
sleep detection (Awake vs. Asleep) and 65.1% accuracy for four-
class staging (Awake, REM, Core, Deep) using leave-one-subject-out
validation. These findings demonstrate the potential of in-ear elec-
trodes as a low-effort, comfortable approach to sleep monitoring,
with applications such as stopping podcasts when users fall asleep
How can mining data be used for regional stress derivation ? – Recommendations Based on Examples from the Ruhr Area
No full textBi-allelic PRMT9 loss-of-function variants cause a syndromic form of intellectual disability
No full textSummary
Protein arginine methyltransferase 9 (PRMT9) is part of the PRMT family, and it is suspected to function in pathways relevant to neuro-development. It is thought to participate in alternative splicing through interactions with the splicing factor SF3B2 (SAP145). In this study, we report 26 families (35 individuals) with bi-allelic loss-of-function variants in PRMT9, implicating PRMT9 in an autosomal-
recessive human disease. Individuals primarily present with a eurodevelopmental disorder characterized by global developmental delay, learning disabilities, mild to severe intellectual disability, autism spectrum disorder, epilepsy, and hypotonia. The mutation spectrum includes 26 different variants such as frameshifting indels, nonsense variants, missense variants, and two copy-number variants. Mapping of the disease-causing missense variants onto the crystal structure of PRMT9 revealed that several of the variants reside within the catalytically active module of PRMT9, likely impairing its methyltransferase activity and resulting in a loss of function. In skin fibroblasts derived from affected individuals, we observed reduced expression at the RNA and/or protein level and subsequent aberrant methylation activity. Moreover, transcriptomic analysis of fibroblasts from affected individuals indicated differential expression of genes related to intellectual disability, autism, and cilia, suggesting a role of PRMT9 during ciliogenesis. Under ciliogenesis conditions, the skin-derived fibroblasts exhibited anomalies in the length of primary cilia but normal amounts of cilia. In addition, a prmt9 knockout zebrafish model displayed abnormal social preference in adult animals. Altogether, our findings implicate bi-allelic PRMT9 loss-of-function variants as causal for neurodevelopmental disorders
Measurements of radial neutral density profiles from Balmer- α emission in Wendelstein 7-X
No full textRadial neutral density profiles are estimated from measurements of passive Hα emission in the Wendelstein 7-X stellarator. To parametrize the generally three-dimensional distribution with a low number of degrees of freedom, the neutral density is reduced to a flux surface quantity. Accounting for emission from excitation and recombination processes, neutral density profiles are derived independently for each of the available lines of sight. Density profiles obtained from the different viewing geometries are found to vary within one order of magnitude. Toroidally oriented lines of sight predict systematically lower neutral densities when compared to poloidally oriented ones. This discrepancy is attributed to the simplifications inherent in the imposed model and significant differences in integration volumes across the viewing geometries. In line with expectations, obtained neutral densities are found to decrease with increasing plasma density. Key restrictions of the model include the reduction of the neutral
density to a flux surface quantity, uncertainties in the plasma profiles and instrument function, and line integration effects outside the last closed flux surface
Versatile Molecular Engineering of In Situ Cross-Linked Multifunctional Electrolytes for Long-Lifetime and Safe Semisolid Lithium Metal Batteries
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