MOVPE growth of III-V semiconductors on silicon for third generation solar cells

Esta Tesis trata sobre el desarrollo y crecimiento -mediante tecnología MOVPE (del inglés: MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy)- de células solares híbridas de semiconductores III-V sobre substratos de silicio. Esta integración pretende ofrecer una alternativa a las células actuales de III-V, que, si bien ostentan el récord de eficiencia en dispositivos fotovoltaicos, su coste es, a día de hoy, demasiado elevado para ser económicamente competitivo frente a las células convencionales de silicio. De este modo, este proyecto trata de conjugar el potencial de alta eficiencia ya demostrado por los semiconductores III-V en arquitecturas de células fotovoltaicas multiunión con el bajo coste, la disponibilidad y la abundancia del silicio. La integración de semiconductores III-V sobre substratos de silicio puede afrontarse a través de diferentes aproximaciones. En esta Tesis se ha optado por el desarrollo de células solares metamórficas de doble unión de GaAsP/Si. Mediante esta técnica, la transición entre los parámetros de red de ambos materiales se consigue por medio de la formación de defectos cristalográficos (mayoritariamente dislocaciones). La idea es confinar estos defectos durante el crecimiento de sucesivas capas graduales en composición para que la superficie final tenga, por un lado, una buena calidad estructural, y por otro, un parámetro de red adecuado. Numerosos grupos de investigación han dirigido sus esfuerzos en los últimos años en desarrollar una estructura similar a la que aquí proponemos. La mayoría de éstos se han centrado en entender los retos asociados al crecimiento de materiales III-V, con el fin de conseguir un material de alta calidad cristalográfica. Sin embargo, prácticamente ninguno de estos grupos ha prestado especial atención al desarrollo y optimización de la célula inferior de silicio, cuyo papel va a ser de gran relevancia en el funcionamiento de la célula completa. De esta forma, y con el fin de completar el trabajo hecho hasta el momento en el desarrollo de células de III-V sobre silicio, la presente Tesis se centra, fundamentalmente, en el diseño y optimización de la célula inferior de silicio, para extraer su máximo potencial. Este trabajo se ha estructurado en seis capítulos, ordenados de acuerdo al desarrollo natural de la célula inferior. Tras un capítulo de introducción al crecimiento de semiconductores III-V sobre Si, en el que se describen las diferentes alternativas para su integración; nos ocupamos de la parte experimental, comenzando con una extensa descripción y caracterización de los substratos de silicio. De este modo, en el Capítulo 2 se analizan con exhaustividad los diferentes tratamientos (tanto químicos como térmicos) que deben seguir éstos para garantizar una superficie óptima sobre la que crecer epitaxialmente el resto de la estructura. Ya centrados en el diseño de la célula inferior, el Capítulo 3 aborda la formación de la unión p-n. En primer lugar se analiza qué configuración de emisor (en términos de dopaje y espesor) es la más adecuada para sacar el máximo rendimiento de la célula inferior. En este primer estudio se compara entre las diferentes alternativas existentes para la creación del emisor, evaluando las ventajas e inconvenientes que cada aproximación ofrece frente al resto. Tras ello, se presenta un modelo teórico capaz de simular el proceso de difusión de fosforo en silicio en un entorno MOVPE por medio del software Silvaco. Mediante este modelo teórico podemos determinar qué condiciones experimentales son necesarias para conseguir un emisor con el diseño seleccionado. Finalmente, estos modelos serán validados y constatados experimentalmente mediante la caracterización por técnicas analíticas (i.e. ECV o SIMS) de uniones p-n con emisores difundidos. Uno de los principales problemas asociados a la formación del emisor por difusión de fósforo, es la degradación superficial del substrato como consecuencia de su exposición a grandes concentraciones de fosfina (fuente de fósforo). En efecto, la rugosidad del silicio debe ser minuciosamente controlada, puesto que éste servirá de base para el posterior crecimiento epitaxial y por tanto debe presentar una superficie prístina para evitar una degradación morfológica y cristalográfica de las capas superiores. En este sentido, el Capítulo 4 incluye un análisis exhaustivo sobre la degradación morfológica de los substratos de silicio durante la formación del emisor. Además, se proponen diferentes alternativas para la recuperación de la superficie con el fin de conseguir rugosidades sub-nanométricas, que no comprometan la calidad del crecimiento epitaxial. Finalmente, a través de desarrollos teóricos, se establecerá una correlación entre la degradación morfológica (observada experimentalmente) con el perfil de difusión del fósforo en el silicio y por tanto, con las características del emisor. Una vez concluida la formación de la unión p-n propiamente dicha, se abordan los problemas relacionados con el crecimiento de la capa de nucleación de GaP. Por un lado, esta capa será la encargada de pasivar la subcélula de silicio, por lo que su crecimiento debe ser regular y homogéneo para que la superficie de silicio quede totalmente pasivada, de tal forma que la velocidad de recombinación superficial en la interfaz GaP/Si sea mínima. Por otro lado, su crecimiento debe ser tal que minimice la aparición de los defectos típicos de una heteroepitaxia de una capa polar sobre un substrato no polar -denominados dominios de antifase-. En el Capítulo 5 se exploran diferentes rutinas de nucleación, dentro del gran abanico de posibilidades existentes, para conseguir una capa de GaP con una buena calidad morfológica y estructural, que será analizada mediante diversas técnicas de caracterización microscópicas. La última parte de esta Tesis está dedicada al estudio de las propiedades fotovoltaicas de la célula inferior. En ella se analiza la evolución de los tiempos de vida de portadores minoritarios de la base durante dos etapas claves en el desarrollo de la estructura Ill-V/Si: la formación de la célula inferior y el crecimiento de las capas III-V. Este estudio se ha llevado a cabo en colaboración con la Universidad de Ohio, que cuentan con una gran experiencia en el crecimiento de materiales III-V sobre silicio. Esta tesis concluye destacando las conclusiones globales del trabajo realizado y proponiendo diversas líneas de trabajo a emprender en el futuro. ABSTRACT This thesis pursues the development and growth of hybrid solar cells -through Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE)- formed by III-V semiconductors on silicon substrates. This integration aims to provide an alternative to current III-V cells, which, despite hold the efficiency record for photovoltaic devices, their cost is, today, too high to be economically competitive to conventional silicon cells. Accordingly, the target of this project is to link the already demonstrated efficiency potential of III-V semiconductor multijunction solar cell architectures with the low cost and unconstrained availability of silicon substrates. Within the existing alternatives for the integration of III-V semiconductors on silicon substrates, this thesis is based on the metamorphic approach for the development of GaAsP/Si dual-junction solar cells. In this approach, the accommodation of the lattice mismatch is handle through the appearance of crystallographic defects (namely dislocations), which will be confined through the incorporation of a graded buffer layer. The resulting surface will have, on the one hand a good structural quality; and on the other hand the desired lattice parameter. Different research groups have been working in the last years in a structure similar to the one here described, being most of their efforts directed towards the optimization of the heteroepitaxial growth of III-V compounds on Si, with the primary goal of minimizing the appearance of crystal defects. However, none of these groups has paid much attention to the development and optimization of the bottom silicon cell, which, indeed, will play an important role on the overall solar cell performance. In this respect, the idea of this thesis is to complete the work done so far in this field by focusing on the design and optimization of the bottom silicon cell, to harness its efficiency. This work is divided into six chapters, organized according to the natural progress of the bottom cell development. After a brief introduction to the growth of III-V semiconductors on Si substrates, pointing out the different alternatives for their integration; we move to the experimental part, which is initiated by an extensive description and characterization of silicon substrates -the base of the III-V structure-. In this chapter, a comprehensive analysis of the different treatments (chemical and thermal) required for preparing silicon surfaces for subsequent epitaxial growth is presented. Next step on the development of the bottom cell is the formation of the p-n junction itself, which is faced in Chapter 3. Firstly, the optimization of the emitter configuration (in terms of doping and thickness) is handling by analytic models. This study includes a comparison between the different alternatives for the emitter formation, evaluating the advantages and disadvantages of each approach. After the theoretical design of the emitter, it is defined (through the modeling of the P-in-Si diffusion process) a practical parameter space for the experimental implementation of this emitter configuration. The characterization of these emitters through different analytical tools (i.e. ECV or SIMS) will validate and provide experimental support for the theoretical models. A side effect of the formation of the emitter by P diffusion is the roughening of the Si surface. Accordingly, once the p-n junction is formed, it is necessary to ensure that the Si surface is smooth enough and clean for subsequent phases. Indeed, the roughness of the Si must be carefully controlled since it will be the basis for the epitaxial growth. Accordingly, after quantifying (experimentally and by theoretical models) the impact of the phosphorus on the silicon surface morphology, different alternatives for the recovery of the surface are proposed in order to achieve a sub-nanometer roughness which does not endanger the quality of the incoming III-V layers. Moving a step further in the development of the Ill-V/Si structure implies to address the challenges associated to the GaP on Si nucleation. On the one hand, this layer will provide surface passivation to the emitter. In this sense, the growth of the III-V layer must be homogeneous and continuous so the Si emitter gets fully passivated, providing a minimal surface recombination velocity at the interface. On the other hand, the growth should be such that the appearance of typical defects related to the growth of a polar layer on a non-polar substrate is minimized. Chapter 5 includes an exhaustive study of the GaP on Si nucleation process, exploring different nucleation routines for achieving a high morphological and structural quality, which will be characterized by means of different microscopy techniques. Finally, an extensive study of the photovoltaic properties of the bottom cell and its evolution during key phases in the fabrication of a MOCVD-grown III-V-on-Si epitaxial structure (i.e. the formation of the bottom cell; and the growth of III-V layers) will be presented in the last part of this thesis. This study was conducted in collaboration with The Ohio State University, who has extensive experience in the growth of III-V materials on silicon. This thesis concludes by highlighting the overall conclusions of the presented work and proposing different lines of work to be undertaken in the future.

Automatic fault detection on BIPV systems without solar irradiation data

BIPV systems are small PV generation units spread out over the territory, and whose characteristics are very diverse. This makes difficult a cost-effective procedure for monitoring, fault detection, performance analyses, operation and maintenance. As a result, many problems affecting BIPV systems go undetected. In order to carry out effective automatic fault detection procedures, we need a performance indicator that is reliable and that can be applied on many PV systems at a very low cost. The existing approaches for analyzing the performance of PV systems are often based on the Performance Ratio (PR), whose accuracy depends on good solar irradiation data, which in turn can be very difficult to obtain or cost-prohibitive for the BIPV owner. We present an alternative fault detection procedure based on a performance indicator that can be constructed on the sole basis of the energy production data measured at the BIPV systems. This procedure does not require the input of operating conditions data, such as solar irradiation, air temperature, or wind speed. The performance indicator, called Performance to Peers (P2P), is constructed from spatial and temporal correlations between the energy output of neighboring and similar PV systems. This method was developed from the analysis of the energy production data of approximately 10,000 BIPV systems located in Europe. The results of our procedure are illustrated on the hourly, daily and monthly data monitored during one year at one BIPV system located in the South of Belgium. Our results confirm that it is possible to carry out automatic fault detection procedures without solar irradiation data. P2P proves to be more stable than PR most of the time, and thus constitutes a more reliable performance indicator for fault detection procedures. We also discuss the main limitations of this novel methodology, and we suggest several future lines of research that seem promising to improve on these procedures.

Determinación y caracterización de los indicadores que intervienen en un sistema integral de iluminación natural y protección solar : aplicado a la incorporación de bandejas en los huecos de fachadas existentes

En esta tesis se estudia cómo lograr el equilibrio entre dos fenómenos naturales que afectan a los huecos de fachadas: la iluminación natural y la ganancia solar. Es decir, el cómo, conseguir la optimización de la iluminación natural que se introduce a través de las ventanas existentes, sin realizar una laboriosa intervención de sustitución de las mismas y el cómo, conseguir la protección de la radiación solar directa de la zona acristalada, para evitar tanto las ganancias térmicas innecesarias como el deslumbramiento que afecta a la calidad lumínica de los recintos. Para el desarrollo esta investigación se ha propuesto una metodología de estudio dividida en dos fases: La primera, de Análisis y Diagnóstico, en la que se han de definir los estándares a cumplir y las variables con las que se evaluarán las bandejas. Y, la segunda, de Evaluación y Comprobación en la que se han de establecer los criterios de valoración y ponderación de cada variable. En la primera fase, se definirán las variables físico-ambientales, para lo que se seleccionarán algunas ciudades a estudiar, a las cuales se les estudiará las necesidades de confort térmico, se determinarán las dimensiones que deben tener las protecciones solares en esas ciudades, además se determinarán las actuaciones a realizar en los huecos de fachada según sea su posición en el plano vertical de la misma. Así mismo, se plantea hacer un análisis de casos reales, para lo que se caracterizarán desde el punto de vista lumínico algunas viviendas, realizando medidas “in situ” y comparando resultados con los que se obtienen de los programas de simulación, para seleccionar las viviendas en las que la realidad y la simulación se aproximen más, una de estas viviendas servirá de modelo en las simulaciones que se realizará en la segunda fase. También, en esta primera fase, mediante un modelo neutro, se estudiará el comportamiento térmico y lumínico del tamaño del hueco en el que se insertará la bandeja posteriormente, para luego estudiar la posición de la bandeja en el plano vertical de la ventana, desde el punto de vista ergonómico. Y finalmente se estudiará, el comportamiento térmico y lumínico del modelo con la bandeja ubicada a 40, 50 y 60cm del techo. En la segunda fase, se establecerá la valoración y ponderación de las variables con las que seleccionar la bandeja que mejor equilibre los aspectos térmicos y lumínicos, teniendo en cuenta estrategias pasivas de acondicionamiento ambiental, como favorecer las ganancias solares en invierno en horas diurnas y evitar las pérdidas de calor en horas nocturnas; y en verano implementar sistemas de sombreamiento en la zona acristalada para evitar las ganancias de calor; y, tanto en verano como en invierno, aprovechar la iluminación natural, para favorecer la iluminancia útil y evitar el deslumbramiento. Una vez definidos los criterios de valoración y ponderación se aplicará a la evaluación térmica y lumínica del modelo neutro con la bandeja, consiguiendo seleccionar la bandeja con mejor comportamiento. Posteriormente se comprobará la metodología de estudio desarrollada en el modelo seleccionado, se evaluará el comportamiento térmico y lumínico, con la incorporación de algunas alternativas de bandeja. Con esta investigación se quiere demostrar que mediante la aplicación de esta metodología de estudio, es posible evaluar y seleccionar bandejas que respondan a las necesidades requeridas en distintos casos de estudio, por lo que se considera que, la bandeja puede ser un elemento arquitectónico aplicable tanto en rehabilitación como en nueva construcción, de espacios en los que sea necesario mejorar sus condiciones lumínicas y térmicas simultáneamente. ABSTRACT This thesis studies how to balance two natural events that affect the window opening of facades: daylighting and solar gain. That is to say, how to achieve optimization of natural light that gets in through the existing windows, without making a laborious intervention of replacing them and how to get protection from direct solar radiation from the glass area, to avoid unnecessary heat gain and glare affecting the light quality of the enclosures. To develop this research, it has been proposed a methodology of study divided into two phases: First phase, Analysis and Diagnostics, in which the variables with which the light shelf are evaluated will be defined along with the standards the light shelves will meet. The second phase, Assessment and Verification, in which the assessment criteria and weighting of each variable will be established. In the first phase, the physical and environmental variables shall be defined, various cities will be selected to be studied, and in each the needs of thermal comfort will be determined along with the dimensions of shading devices in the cities. In addition the actions to be taken in the window opening of the façade will be determined, depending on their position in the vertical plane. An analysis of real cases will be undertaken, which will be characterized from the luminous point of view, performing "in situ" measurements and comparing results with those obtained from simulation programs, to select places/dwellings where reality and simulation are closer, one of these places/dwellings will be a model, in the simulations to perform at the second phase. Also, in this first phase, by a neutral model, the thermal and light behavior of the size of the window opening will be studied, in which the light shelf is inserted later, the position of the light shelf in the vertical plane of the window is studied, from an ergonomic point of view. And finally to study the thermal and light behavior of the model with the light shelf located at 40, 50 and 60cm from the ceiling. In the second phase, the evaluation and weighting of the variables will be established selecting the light shelf that best balances the thermal and daylighting aspects, taking into account passive environmental conditioning strategies; such as getting solar gains in winter during daylight hours, and preventing heat loss during the night hours; and in summer implementing shading systems in the glazing area to avoid heat gains. And in both summer and winter, taking advantage of natural lighting, to improve useful illuminance and avoid glare. Once defined, the evaluation criteria and weighting will be applied to thermal and daylighting evaluation to the neutral model with the light shelf, the best performing light shelf will be selected. The study methodology developed in the selected model will be verified the thermal and daylighting performance with the addition of some light shelf alternative will also be studied. With this research, we want to show that by applying this study methodology it is possible to evaluate and select the light shelf that meets the needs required in different case studies, so it is considered that the light shelf may be an applicable architectural element in both refurbishment and new construction of spaces where necessary to improve their daylighting and thermal conditions simultaneously.

Criterios técnicos del proyecto con módulos tridimensionales ligeros: las casas del Solar Decathlon 2005 y 2007

Este trabajo se ocupa de la construcción modular ligera de viviendas unifamiliares, más concretamente aborda el problema de la definición constructiva de las mismas, habida cuenta de lo poco conocido y publicado de este aspecto en particular. Dado que la construcción es fruto de la evolución, resulta de gran importancia el estudio de los antecedentes para comprender la situación actual, por ello para documentar como corresponde el estado de la técnica y de la investigación se estudiaron los antecedentes desde sus primeras manifestaciones a finales del siglo XIX hasta nuestros días. Contrariamente a las profecías de Le Corbusier y otros, la industrialización no ha llegado a la construcción ni en la forma ni en la medida que era de esperar a principios del siglo XX. Sin embargo y a pesar del relativo “fracaso” de la industrialización en convertirse en la forma mayoritaria de producir edificios, lo cierto es que algunos sistemas altamente industrializados, como lo es la construcción modular ligera, han logrado un lugar en el mercado, que en algunos países resulta cuanto menos significativo. Delimitar el estado de la técnica y la situación actual es crucial en este trabajo, toda vez que la construcción industrializada la realizan empresas, y situarse al margen de las mismas y de su producción, nos guste o no, resulta contrario al sentido común. De este modo se han identificado y documentado ejemplos como el de EE.UU. y Japón, entre otros, que resultan muy ilustrativos tanto desde la evolución como del estado actual. Del estado de la técnica y la investigación también resulta la escasez de publicación de detalles constructivos específicos de la construcción modular ligera. Es obvio que los fabricantes intentan blindarse mediante el secreto industrial, logrando que las soluciones constructivas más interesantes queden fuertemente protegidas dentro del conocimiento reservado de la empresa. De este modo un sistema que alcanza grados de prefabricación del 95%, tan atractivo e interesante para el arquitecto queda reservado al conocimiento de unos pocos dentro de las empresas. La búsqueda de mayor información sobre estos sistemas encuentra un filón indiscutible en los proyectos de las casas del concurso Solar Decathlon. En efecto, debido a las condiciones particulares de este concurso, las casas que compiten deben ser instaladas en un plazo corto, por lo que en su mayoría recurren al método de construcción modular ligera, para lograr correctamente este objetivo. Adicionalmente todos los planos de proyecto incluidos los de detalle, así como memorias de especificaciones técnicas, quedan colgadas en la Web, a libre disposición del público. De este modo se ha considerado interesante, conveniente y útil, aprovechar como fuente documental de este trabajo, aparte de lo obtenido en el estado de la técnica y la investigación, los proyectos de las casas de los concursos 2005 y 2007, que fueron las dos últimas ediciones celebradas cuando se inició esta tesis. De modo similar a esta carencia de detalles publicados se observa igualmente una falta de investigación y de metodologías adecuadas a la misma sobre soluciones y detalles constructivos propios de la construcción modular ligera. Por eso y ante la dificultad de manejar adecuadamente una información disponible pero farragosa, este trabajo ha dedicado una parte importante de su esfuerzo a la creación de una metodología adecuada a este tipo de situación. Hay que destacar que cada proyecto puede constar fácilmente de 60 a casi 200 planos, sin contar las memorias técnicas y otros documentos, tales como galerías de imágenes, etc. Por otra parte resulta útil establecer esta metodología, no solo para esta tesis, sino para futuros trabajos de investigación sobre el tema, toda vez que con posterioridad a 2007 se han celebrado nuevas ediciones del concurso con su correspondiente volumen de información disponible. La metodología del análisis de los proyectos se basa en el diseño y creación de siete fichas tipo que resumen los aspectos fundamentales del proyecto desde el punto de vista constructivo, permitiendo de este modo su rápida visualización y comprensión sin pretender exhaustividad, ya que en caso de querer profundizar en el detalle de la información siempre está el proyecto original para ello. Tras estudiar la información obtenida de los proyectos de las casas de concurso, se contrastan y discuten los resultados para obtener conocimientos de interés para el objetivo propuesto en la tesis. Se comparan los resultados procedentes del estado de la técnica y de la investigación y se obtienen las conclusiones correspondientes. De este modo ha sido posible identificar una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas unifamiliares realizadas mediante construcción modular ligera, que además se organizan en varios niveles, por lo que el resultado es un conjunto de criterios como germen de una futura guía o manual. Como conclusiones fundamentales de la tesis hay que destacar las metodológicas, que habilitan la extensión de este estudio a otros trabajos y la aportación original al conocimiento con la definición de una serie de criterios técnicos de proyecto de viviendas realizadas mediante construcción modular ligera, que además de mejorar esta parte del saber constructivo serán de gran ayuda a los arquitectos de cara a la reducción de errores, que a menudo derivan en mayores costes y plazos, cuando no directamente al abandono del sistema constructivo. El trabajo de la tesis se estructura en siete capítulos a saber: Capítulo 1: Introducción, donde se explica el tema de la tesis, el objetivo principal, las limitaciones y se aportan algunas definiciones. Capítulo 2: Estado de la técnica y la investigación, dentro del cual se presentan los antecedentes desde sus inicios pasando por la primera y segunda mitad del siglo XX y finalizando con el estado actual que recorre los sistemas de EE.UU, Japón, Europa, Escandinavia, centro Europa, Francia, España y algunos ejemplos de Latinoamérica. En el estado de la investigación se presentan las publicaciones tanto en revistas científicas indexadas en el JCR, como publicaciones no indexadas en las que se muestran artículos científicos, comunicaciones a congresos, documentación sobre el concurso Solar Decathlon, libros específicos y libros genéricos sobre construcción modular ligera, tesis doctorales tanto generales como específicas sobre el concurso Solar Decathlon, documentos de idoneidad técnica, páginas Web del concurso Solar Decathlon y finalmente páginas Web de empresas de construcción modular ligera y patentes. También se expresan las conclusiones parciales del capítulo así también como la justificación y los objetivos particulares. Capítulo 3: Metodología, se expone en primer lugar el planteamiento del problema, para luego desarrollar los métodos utilizados para el estudio y clasificación del transporte y de la organización modular, la relación entre la organización modular y distribución espacial, el diseño y contenido de las fichas resumen de los 38 proyectos presentados al SD2005 y SD2007, así también como la información consultada para su realización. Se explica asimismo como se realizaron las tablas comparativas partiendo de la información de las fichas. Finalmente se expresa la manera en que se trató el estudio particular de la junta entre módulos. Capítulo 4: Discusión de resultados, dónde en primer lugar se presenta la clasificación y las estrategias del transporte así también como una clasificación de la organización modular, en segundo lugar se estudian las relaciones que existen entre el sistema modular y la organización espacial. A partir de aquí se muestra el estudio de la estructura de todas las casas del SD2005 y SD2007, según el tipo y material de las zapatas, mostrando tanto tablas cuantitativas como tablas gráficas con fotos. De la misma manera se tratan los forjados, los pilares y las vigas y las cubiertas. Se estudia además el cerramiento opaco y acristalado, la cubierta y el forjado según las capas que lo componen. En el caso de las instalaciones se estudian las que son especiales, descartando las normales en este tipo de casas, como son los paneles fotovoltaicos, placas térmicas o tubos de vacío y los sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías, presentando tablas numéricas y gráficas con fotos. El transporte se analiza según corresponda al traslado de la vivienda o al transporte de apoyo, según el tipo y la cantidad utilizado. Con respecto al montaje se diferencia en si se usó grúa o no, y en el caso de no utilizarse se muestran los métodos alternativos. Con respecto a la exploración de la organización modular se presentan la cantidad de módulos que utilizó cada casa, así como también la cuantificación de los sistemas híbridos como son elementos lineales 1D, paneles 2D. Por último se muestra el estudio detallado de la junta entre módulos 3D. Finalmente se realiza la propuesta de un conjunto de criterios técnicos de proyecto organizado en cuatro niveles: 1º nivel de criterios generales, 2º nivel sobre sistemas constructivos, 3º nivel de detalles constructivos y el 4º nivel llamado logística obras previas, transporte y montaje. Capítulo 5: Conclusiones y líneas futuras de investigación, se exponen las conclusiones generales, metodológicas, documentales y por último las de construcción modular. Finalmente se realiza una propuesta de líneas futuras de investigación. Capítulo 6: Bibliografía. Capítulo 7: Anexos, en el que se presentan todas las fichas resumen de las casas realizadas por el autor de esta tesis. Además se incluyen los casos concretos de Voisin en Francia y la TVA (Tennessee Valley Authority) en EE.UU., así como referencias de manuales genéricos de construcción ligera, medidas de transporte en España e información sobre estadísticas de viviendas en la Unión Europea. ABSTRACT This paper deals with Light Modular Construction of houses, and specifically addresses the problem of the constructive definition of the same, given how little known and published this subject has been. Since building construction is the result of evolution, it is of great importance to study its background for understanding the current situation, therefore to document the state of the art and research, its history was studied from its origins dating to the end nineteenth century to our days. Contrary to the prophecies of Le Corbusier and others, industrialization has not reached the construction neither in the form nor to the extent that it was expected in the early twentieth century. However, despite the relative "failure" of industrialization to become the major form of production for buildings, the fact is that some highly industrialized systems, such as the so called Lightweight Modular Construction, have achieved a place in the market, which in some countries is at least significant. To outline the state of the art and the current situation is crucial in this work, since industrialized construction is carried out by companies, and to step away from them and their production, whether we like it or not, it is contrary to common sense. So that, several cases have been identified and documented, such as the US and Japan examples, among others, which are very illustrative both from evolution and the current status. The state of the art and research shows also a shortage of publication of specific construction details of light modular construction. Obviously, manufacturers try to shield themselves by trade secret, making the most interesting constructive solutions remain heavily protected within the reserved knowledge of the company, so a system that reaches levels of 95% prefabrication, so attractive and interesting for the architect It is reserved to the knowledge of a few people inside the companies. The search for more information on these systems finds an invaluable reef in the projects of the Solar Decathlon houses. Indeed, due to the particular conditions of this contest, houses competing must be installed in a short time, so mostly turn to modular construction methods for this purpose to achieve properly this goal. Additionally all levels of project, including detailed and technical specifications reports are published on the Web, freely available to the general public. Thus it was considered interesting, convenient and useful to take advantage as a documentary source of this work, apart from what it were obtained in the state of the art and research, the projects of the houses of the 2005 and 2007 contests, which were the last two editions already held before this thesis was started. Similar to this lack of published details it is also observed a lack of research and methodologies adapted to the solutions and construction details of lightweight modular construction. So that, and facing the difficulty of adequately manage the available but bulky information, this work has devoted a significant part of its effort to create an appropriate methodology for this type of situation. It is noteworthy that each project can easily consist of 60 to almost 200 blueprints, not including technical reports and other documents, such as photo galleries, etc. The methodology of the analysis of the projects is based on the design and creation of seven record sheets that summarize key aspects of the project from a construction point of view, thus allowing quick watching and understanding of the project, without claiming completeness, always keeping for further information the blueprints themselves. After studying the information obtained from the projects of the competition houses, the results are compared and discussed to obtain relevant knowledge according to the objective proposed in the thesis. The results from the state of the art and research are also compared and the conclusions so obtained make possible to identify a number of technical design criteria for single family homes made using lightweight modular construction, which also have been organized at various levels, so the result is a set of criteria as a seed for a future guide or manual. Among the main conclusions of the thesis must be noted the methodological ones, that enable the extension of this study to other works and are an original contribution to knowledge with the definition of a number of technical criteria for housing projects made by light modular construction, what in addition to improving this part of the constructive knowledge will be of great help for the architects to reduce errors that often result in higher costs and delays, if not in abandonment of the construction system itself. The work of the thesis is divided into seven chapters as follows: Chapter 1: Introduction, where the topic of the thesis, the main objective, limitations and the provided definitions is explained. Chapter 2: State of the art and research, within which history is presented from the beginning through the first and second half of the twentieth century and ending with the current systems, that spans from the USA to Japan, Europe, Scandinavia, Central Europe, France, Spain and some Latin American examples. In the state of research publications are presented both on scientific journals indexed in the JCR, and non-indexed publications in which scientific articles, conference papers, information about the Solar Decathlon competition, generic and specific books on light modular construction, articles both general and specific on the Solar Decathlon competition, technical approval documents, dissertations, the Solar Decathlon Web pages and finally lightweight modular construction companies Web pages and patents. The partial conclusions of the chapter as well as the rationale and specific objectives are also expressed. Chapter 3: Methodology first of all exposes the problem statement and then develops the methods used for the study and classification of transportation and modular organization, the relationship between the modular organization and spatial distribution, design and content summary records of the 38 projects submitted to the SD2005 and SD2007, as well as information consulted for its realization. It explains equally how the comparative tables based on information from the chips were made. Finally, the way the particular study of the joint between modules is carried out is also treated. Chapter 4: Discussion, first sorting a classification of transport strategies as well as of modular organization, secondly the relationship between the modular system and the spatial organization studied is presented. From then on, the study of the structure of every house Moreover, to establish this methodology is useful not only for this thesis, but for future research on the subject, since after 2007 there have been held new editions of the contest with a corresponding volume of information available. shown in the SD2005 and SD2007 contests, depending on the type and material of the shoe, showing both quantitative tables as graphic boards with pictures is carried out. Similarly slabs, columns and beams and roofs are treated. Furthermore, the opaque and transparent façades, as well as roof and floor enclosure, according to the layers that compose them are studied. In the case of facilities there have been only addressed that which are of a special type, discarding that considered usual in this type of houses such as photovoltaic panels, thermal panels or vacuum tubes and energy storage systems such as batteries, presenting numerical and graphical tables with photos .The transportation is analyzed depending on it is used to move the house or for additional support, depending on the type and quantity of items used. Regarding assembly it has been made a difference if crane is or not used and if not, what the alternative methods are. With respect to the exploration of the modular organization, the amount of modules used in each house is presented, as well as the quantification of hybrid systems such as linear members as well as 1D, 2D panels. Finally, it has been carried out the detailed study of the joint between 3D modules. Finally it is proposed a set of technical criteria organized into four levels, 1st level of general criteria, 2nd level on building systems, 3rd level construction details and 4th level called previous works and logistics, transportation and assembly. Chapter 5: Conclusions and future research, where general, methodological, documentary and finally modular construction findings are presented. A proposal for further research is done. Chapter 6: Bibliography. Chapter 7: Annexes, in which all the record sheets of houses made by the author of this thesis are presented. Besides the specific cases of Voisin in France and TVA (Tennessee Valley Authority) in the USA, as well as general reference manuals on lightweight construction, transportation dimensions in Spain, and information on housing statistics in the European Union are included.

Three-terminal heterojunction bipolar transistor solar cell for high-efficiency photovoltaic conversion

Here we propose, for the first time, a solar cell characterized by a semiconductor transistor structure (n/p/n or p/n/p) where the base-emitter junction is made of a high-bandgap semiconductor and the collector is made of a low-bandgap semiconductor. We calculate its detailed-balance efficiency limit and prove that it is the same one than that of a double-junction solar cell. The practical importance of this result relies on the simplicity of the structure that reduces the number of layers that are required to match the limiting efficiency of dual-junction solar cells without using tunnel junctions. The device naturally emerges as a three-terminal solar cell and can also be used as building block of multijunction solar cells with an increased number of junctions.