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Model reconstruction of past ice dynamic changes are essential for our understanding of future ice sheet responses to climate change. However, paleo ice sheet model studies are poorly constrained as spatiotemporal coverage of proxy reconstructions are sparse. Previously, we showed, that it is possible to identify or exclude past ice sheet instabilities by using the isotopic record and age structure of a deep ice core in vicinity to dynamic outlet sectors as a constraint for flow parameterizations in an ice sheet model. Here, we highlight key Antarctic ice sheet domains in which deep ice cores in concert with radar observations of the ice sheet’s stratigraphy hold great potential to provide an even more rigid observational tuning target for ice flow models. In some of these regions dated deep ice cores are already available, often including coverage of internal reflection horizons potentially connecting the ice core age structure with faster flowing outlet sectors. In other regions either an ice core providing age constraints or radar observations are not yet available. We discuss the potential of ice core/stratigraphically calibrated ice flow modelling of dynamic Antarctic drainage systems. Furthermore, we present first model estimates of the age structure in these regions and identify promising sites for future ice coring expeditions or ice penetrating radar missions.

The summer 2019 set all-time high temperature records in various European countries. Global warming and consequently more frequent weather extremes are a result of the anthropogenous climate change. Power conversion from solar energy is expected to play a major role in the expansion of renewable energies, which are a necessary tool to mitigate the emission of carbon dioxide. Metal halide perovskites are a rather new class of photo-active materials, which show promising properties for cheap and highly efficient solar cells, particularly as tandem partner with established silicon photovoltaic. Light management, hich can be obtained by textured interfaces, is a key method for further efficiency improvements but is yet a major challenge in perovskite based solar cell research. In particular, the structure size of commonly used potassium hydroxide etched random pyramids on the surface of the silicon sub-cell makes it difficult to apply a perovskite layer with high material quality. This thesis is motivated by combining advanced light management strategies with monolithic 2-terminal perovskite/silicon tandem solar cells (PSTSCs) using tailor-made textures and high quality solution-processed perovskite layers. With this technology, the power conversion efficiency (PCE) of solely planar PSTSCs can be surpassed. As first light management concept of this work, the silicon/perovskite interface of PSTSCs is textured and the impact of nanotextures on the respective sub-cell is studied separately in perovskite single and silicon heterojunction solar cells. On the perovskite side, different shallow nanotextures are implemented onto glass substrates by nanoimprint lithography. Perovskite single junction solar cells are fabricated on the nanotextures using spincoated perovskite layers. An opto-electronic and morphological examination indicates a high material quality of the perovskite absorber on both, planar and nanotextured substrates. The nanotextured devices show an improvement in power conversion efficiency by 1.0%abs compared to a planar reference mainly attributed to a reduction of surface reflection. Nanotextured perovskite solar cells obtain 93.6% of the maximum attainable current-density, marking the highest reported value for perovskite single-junctions. For the implementation of a tailored nanotexture in silicon, a process combining nanoimprint lithography, reactive ion etching and wet chemical etching is introduced. The resulting sinusoidal nanotextures have a height below 400nm and are thus compatible with perovskite spincoating. While the electrical quality of the silicon absorber is maintained, the nanotexture enhance the optical performance compared to a planar reference enabling PCEs of silicon heterojunction solar cells above 20%. Combining the experimental results from the perovskite and silicon sub-cells, 2-terminal PSTSCs with embedded gentle periodic nanotextures at the interface of silicon and perovskite are fabricated. Reflection losses are reduced for the nanotextured PSTSCs compared to planar reference devices. The nanotextures enable excellent wetting properties and film formation of the perovskite layers leading to an enhanced fabrication yield. An improvement of open-circuit voltage by about 15mV due to enhanced electrical properties of the nanotextured perovskite top cell is demonstrated. In combination with a rear reflector with dielectric buffer layer, which reduces parasitic absorption at near-infrared wavelengths, the nanotextures enable an independently certified world record PCE of 29.80% for 2-terminal PSTSCs as of November 2021. For a further increase in PCE, a fully textured perovskite sub-cell is expected to be inevitable. Therefore, two different routes to establish fully textured PSTSCs using spincoated perovskite layers are investigated: The dilution of the perovskite precursor enables conformal perovskite layers through spincoating on smooth sinusoidal nanotextures. Yet, the insufficient perovskite absorber thickness renders this approach unsuitable for implementation in monolithic 2-terminal PSTSCs. In a second approach, the structural size of a periodic inverted micro-pyramidal structure is engineered such that conformal perovskite layers are possible using solution processing recipes from high efficient perovskite absorbers. Simulations of PSTSCs with embedded inverted micro-pyramidal structure indicate an optical benefit for a broad range of structure sizes over a planar PSTSC, widening the experimental process window for a conformal perovskite deposition. Preliminary results on fully textured PSTSCs comprising periodic inverted micro-pyramids demonstrate a PCE of around 29% without optimized processing. Improving the texturing processes, this light management concept inheres the potential to push the PCE of 2-terminal PSTSCs beyond 30 %. The light management measures presented in this thesis manifest a route to further elevate the experimentally possible power conversion efficiency limit of monolithic 2-terminal perovskite/silicon tandem solar cells for research and industry., Im Sommer 2019 wurden in mehreren europäischen Ländern die höchsten Temperaturen seit Messbeginn registriert. Die globale Erwärmung und häufiger auftretende Wetterextreme sind Folgen des anthropogenen Klimawandels. Der Ausbau erneuerbarer Energien gilt als notwendiges Instrument zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen. Dabei soll die Umwandlung von solarer zu elektrischer Energie eine zentrale Rolle einnehmen. Metallhalogenid Perowskite sind eine relativ neue Klasse photoaktiver Materialien, die vielversprechende Eigenschaften für kostengünstige und hocheffiziente Solarzellen mit sich bringen. Dies gilt insbesondere in Kombination mit etablierter Silizium-Photovoltaik als Solarzellentandem. Lichtmanagement, welches durch eine Oberflächenstrukturierung erreicht werden kann, ist eine Schlüsselmethode für weitere Effizienzverbesserungen, stellt aber noch eine große Herausforderung in der Perowskit-basierten Solarzellenforschung dar. Vor allem die Strukturgröße von häufig verwendeten Kaliumhydroxid geätzten Pyramiden auf der Oberfläche der Silizium-Teilzelle erschwert die Aufbringung einer Perowskit-Schicht mit hoher Materialqualität. Ziel dieser Dissertation ist die Kombination fortschrittlicher Lichtmanagementstrategien mit lösungsprozessierten monolithischen Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen (PSTSCs) zur Erhöhung des Wirkungsgrades durch verbesserte Ladungsträgergeneration. Dazu werden hoch qualitative Perowskit-Absorberschichten mittels Schleuderbeschichtung auf maßgeschneiderte Texturen aufgebracht. In dieser Arbeit werden als erstes Lichtmanagementkonzept die Grenzflächen einer PSTSC mit einer Textur versehen. Um den Einfluss einer solchen Textur auf die jeweilige Absorberschicht zu verstehen, werden die Teilzellen zuerst separat in Perowskit- und Silizium-Solarzellen untersucht. Auf Seiten des Perowskits werden verschiedene Nanotexturen durch Nanoimprint Lithographie auf Glassubstrate aufgebracht. Die Herstellung von Perowskit-Solarzellen erfolgt mittels Schleuderbeschichtung der Perowskit-Schicht auf die Nanotexturen. Eine optoelektronische und morphologische Untersuchung zeigt eine hohe Materialqualität des Perowskit-Absorbers, unabhängig vom Substrat. In Kombination mit einer zusätzlichen Antireflexionsschicht mit niedrigem Brechungsindex kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 1.0%abs im Vergleich zu einer planaren Referenz erreicht werden. Eine optische Charakterisierung der nanotexturierten Perowskit-Solarzellen bestätigt, dass der Zuwachs des Wirkungsgrades auf eine erhöhte Absorption im Perowskit aufgrund der Nanotexturen zurückzuführen ist. Nanotexturierte Perowskit-Solarzellen erreichen 93.6% der maximal erreichbaren Stromdichte, was andere publizierten Werte von hoch effizienten Perowskit Solarzellen übertrifft. Für die Implementierung einer maßgeschneiderten Nanotextur in Silizium wird ein Verfahren eingesetzt, das Nanoimprint Lithographie, reaktives Ionenätzen und nasschemisches Ätzen vereint. Die resultierenden sinusförmige Nanotexturen haben eine Strukturhöhe von weniger als 400nm und sind daher mit einer Schleuderbeschichtung von Perowskit kompatibel. Während die elektronische Qualität des Silizium-Absorbers erhalten bleibt, verbessert die Nanotextur optische Eigenschaften im Vergleich zu einer planaren Referenz und ermöglicht Wirkungsgrade von Silizium-Solarzellen mit Heteroübergang und eingebrachter Nanotextur an der Silizium-Oberfläche von über 20%. Durch die Kombination der experimentellen Ergebnisse von Perowskit- und Silizium-Teilzellen können monolithische PSTSCs mit integrierten periodischen Nanotexturen an der Grenzfläche von Silizium und Perowskit hergestellt werden. Im Vergleich zu einer planaren Referenzzelle werden durch die Nanotextur Reflexionsverluste reduziert und eine exzellente Perowskit-Filmbildung sowie verbesserte Benetzungseigenschaften führen zu einer stark erhöhten Ausbeute bei der Solarzellenherstellung. Aufgrund der verbesserten elektronischen Eigenschaften der Perowskit-Teilzelle durch die Nanotextur wird eine Erhöhung der Leerlaufspannung um etwa 15mV festgestellt. In Kombination mit einem Rückreflektor mit dielektrischer Pufferschicht, der die parasitäre Absorption im nahen Infrarot minimiert, ermöglichen die Nanotexturen einen unabhängig zertifizierten Weltrekord mit einem Wirkungsgrad von 29.80% für monolithische PSTSCs, stand November 2021. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades kann durch eine vollständig texturierte Perowskit-Teilzelle erwartet werden. Dafür werden zwei verschiedene Wege zur Herstellung vollständig texturierter PSTSCs mit lösungsbasierter Perowskit-abscheidungstechnik untersucht: Die Verdünnung der Perowskit-Lösung ermöglicht eine konforme Perowskit-Schicht durch Schleuderbeschichtung auf sinusförmigen Nanotexturen. Die unzureichende Perowskit-Absorberdicke macht diesen Ansatz jedoch ungeeignet für die Implementierung in PSTSCs. Bei einem zweiten Ansatz wird die Strukturgröße einer periodischen, invertierten Pyramidenstruktur derart angepasst, dass eine konforme Perowskit-Schicht ohne eine Veränderung der Schleuderbeschichtungsparameter erreicht wird. Simulationen von PSTSCs mit eingebetteter invertierter Pyramidenstruktur zeigen einen optischen Vorteil gegenüber planaren PSTSCs für einen breiten Bereich von Strukturgrößen, was das experimentelle Prozessfenster für eine konforme Perowskit-Abscheidung vergrößert. Nicht optimierte vorläufige Ergebnisse zu vollständig texturierten PSTSCs mit periodischen invertierten Mikropyramiden zeigen einen Wirkungsgrad von etwa 29%. Dieses Lichtmanagementkonzept birgt das Potenzial, den Wirkungsgrad von monolithischen PSTSCs auf über 30% zu steigern. Die in dieser Arbeit vorgestellten Lichtmanagement-Maßnahmen weisen den Weg zu einer Erhöhung des experimentell möglichen Wirkungsgrades von monolithischen Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen in Forschung und Industrie.

Ice-sheet models are a powerful tool to project the evolution of the Greenland and Antarctic ice sheets and thus their future contribution to global sea-level changes. Testing the ability of ice-sheet models to reproduce the ongoing and past evolution of the ice cover in Greenland and Antarctica is a fundamental part of every modelling effort. However, benchmarking ice-sheet model results against real-world observations is a non-trivial process as observational data come with spatiotemporal gaps in coverage. Here, we present a new approach to assess the accuracy of ice-sheet models which makes use of the internal layering of the Antarctic ice sheet. We calculate isochrone elevations from simulated Antarctic geometries and velocities via passive Lagrangian tracers, highlighting that a good fit of the model to two-dimensional datasets such as surface velocity and ice thickness does not guarantee a good match against the 3D architecture of the ice sheet and thus correct evolution over time. We show that palaeoclimate forcing schemes derived from ice-core records and climate models commonly used to drive ice-sheet models work well to constrain the 3D structure of ice flow and age in the interior of the East Antarctic ice sheet and especially along ice divides but fail towards the ice-sheet margin. The comparison to isochronal horizons attempted here reveals that simple heuristics of basal drag can lead to an overestimation of the vertical interior ice-sheet flow especially over subglacial basins. Our model observation intercomparison approach opens a new avenue for the improvement and tuning of current ice-sheet models via a more rigid constraint on model parameterisations and climate forcing, which will benefit model-based estimates of future and past ice-sheet changes.

Ice sheet numerical modeling is an important tool to estimate the dynamic contribution of the Antarctic ice sheet to sea level rise over the coming centuries. The influence of initial conditions on ice sheet model simulations, however, is still unclear. To better understand this influence, an initial state intercomparison exercise (initMIP) has been developed to compare, evaluate, and improve initialization procedures and estimate their impact on century-scale simulations. initMlP is the first set of experiments of the Ice Sheet Model Intercomparison Project for CMIP6 (ISMIP6), which is the primary Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) activity focusing on the Greenland and Antarctic ice sheets. Following initMlP-Greenland, initMlP-Antarctica has been designed to explore uncertainties associated with model initialization and spin-up and to evaluate the impact of changes in external forcings. Starting from the state of the Antarctic ice sheet at the end of the initialization procedure, three forward experiments are each run for 100 years: a control run, a run with a surface mass balance anomaly, and a run with a basal melting anomaly beneath floating ice. This study presents the results of initMlP-Antarctica from 25 simulations performed by 16 international modeling groups. The submitted results use different initial conditions and initialization methods, as well as ice flow model parameters and reference external forcings. We find a good agreement among model responses to the surface mass balance anomaly but large variations in responses to the basal melting anomaly. These variations can be attributed to differences in the extent of ice shelves and their upstream tributaries, the numerical treatment of grounding line, and the initial ocean conditions applied, suggesting that ongoing efforts to better represent ice shelves in continental-scale models should continue.