Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Second international spectroradiometer intercomparison: preliminary results and impact on PV device calibration

This paper describes the preliminary results of an intercomparison of spectroradiometers for global (GNI) and direct normal incidence (DNI) irradiance in the visible (VIS) and near infrared (NIR) spectral regions together with an assessment of the impact these results may have on the calibration of triple-junction photovoltaic devices and on the relevant spectral mismatch calculation. The intercomparison was conducted by six European scientific laboratories and a Japanese industrial partner. Seven institutions and seven spectroradiometer systems, representing different technologies and manufacturers were involved, representing a good cross section of the todays available instrumentation for solar spectrum measurements.

In-situ and Ex-situ characterization of III-V semiconductor materials and solar cells upon 10 MEV proton irradiation

In this work we present the results and analysis of a 10 MeV proton irradiation experiment performed on III-V semiconductor materials and solar cells. A set of representative devices including lattice-matched InGaP/GaInAs/Ge triple junction solar cells and single junction GaAs and InGaP component solar cells and a Ge diode were irradiated for different doses. The devices were studied in-situ before and after each exposure at dark and 1 sun AM0 illumination conditions, using a solar simulator connected to the irradiation chamber through a borosilicate glass window. Ex-situ characterization techniques included dark and 1 sun AM0 illumination I-V measurements. Furthermore, numerical simulation of the devices using D-AMPS-1D code together with calculations based on the TRIM software were performed in order to gain physical insight on the experimental results. The experiment also included the proton irradiation of an unprocessed Ge solar cell structure as well as the irradiation of a bare Ge(100) substrate. Ex-situ material characterization, after radioactive deactivation of the samples, includes Raman spectroscopy and spectral reflectivity.

NGCPV: a new generation of concentrator photovoltaic cells, modules and systems

Starting on June 2011, NGCPV is the first project funded jointly between the European Commission (EC) and the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) of Japan to research on new generation concentration photovoltaics (CPV). The Project, through a collaborative research between seven European and nine Japanese leading research centers in the field of CPV, aims at lowering the cost of the CPVproduced photovoltaic kWh down to 5 ?cents. The main objective of the project is to improve the present concentrator cell, module and system efficiency, as well as developing advanced characterization tools for CPV components and systems. As particular targets, the project aims at achieving a cell efficiency of at least 45% and a CPV module with an efficiency greater than 35%. This paper describes the R&D activities that are being carried out within the NGCPV project and summarizes some of the most relevant results that have already been attained, for instance: the manufacturing of a 44.4% world record efficiency triple junction solar cell (by Sharp Corp.) and the installation of a 50 kWp experimental CPV plant in Spain, which will be used to obtain accurate forecasts of the energy produced at system level.

In situ control of the GE(100)surface domain structure for III-V multijunction solar cells

Vicinal Ge(100) is the common substrate for state of the art multi-junction solar cells grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). While triple junction solar cells based on Ge(100) present efficiencies mayor que 40%, little is known about the microscopic III-V/Ge(100) nucleation and its interface formation. A suitable Ge(100) surface preparation prior to heteroepitaxy is crucial to achieve low defect densities in the III-V epilayers. Formation of single domain surfaces with double layer steps is required to avoid anti-phase domains in the III-V films. The step formation processes in MOVPE environment strongly depends on the major process parameters such as substrate temperature, H2 partial pressure, group V precursors [1], and reactor conditions. Detailed investigation of these processes on the Ge(100) surface by ultrahigh vacuum (UHV) based standard surface science tools are complicated due to the presence of H2 process gas. However, in situ surface characterization by reflection anisotropy spectroscopy (RAS) allowed us to study the MOVPE preparation of Ge(100) surfaces directly in dependence on the relevant process parameters [2, 3, 4]. A contamination free MOVPE to UHV transfer system [5] enabled correlation of the RA spectra to results from UHV-based surface science tools. In this paper, we established the characteristic RA spectra of vicinal Ge(100) surfaces terminated with monohydrides, arsenic and phosphorous. RAS enabled in situ control of oxide removal, H2 interaction and domain formation during MOVPE preparation.

Highly conductive p++-AlGaAs/n ++-GaInP tunnel junctions for ultra-high concentrator solar cells

Tunnel junctions are key for developing multijunction solar cells (MJSC) for ultra-high concentration applications. We have developed a highly conductive, high bandgap p  + + -AlGaAs/n  + + -GaInP tunnel junction with a peak tunneling current density for as-grown and thermal annealed devices of 996 A/cm 2 and 235 A/cm 2, respectively. The J–V characteristics of the tunnel junction after thermal annealing, together with its behavior at MJSCs typical operation temperatures, indicate that this tunnel junction is a suitable candidate for ultra-high concentrator MJSC designs. The benefits of the optical transparency are also assessed for a lattice-matched GaInP/GaInAs/Ge triple junction solar cell, yielding a current density increase in the middle cell of 0.506 mA/cm 2 with respect to previous designs.

Effect of Sb on the quantum efficiency of GaInP solar cells

The energy bandgap of GaInP solar cells can be tuned by modifying the degree of order of the alloy. In this study, we employed Sb to increase the energy bandgap of the GaInP and analyzed its impact on the performance of GaInP solar cells. An effective change in the cutoff wavelength of the external quantum efficiency of GaInP solar cells and an effective increase of 50 mV in the open-circuit voltage of GaInP/Ga(In)As/Ge triple junction solar cells were obtained with the use of Sb. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.

Spectral study and classification of worldwide locations considering several multijunction solar cell technologies

Multi-junction solar cells are widely used in high-concentration photovoltaic systems (HCPV) attaining the highest efficiencies in photovoltaic energy generation. This technology is more dependent on the spectral variations of the impinging Direct Normal Irradiance (DNI) than conventional photovoltaics based on silicon solar cells and consequently demands a deeper knowledge of the solar resource characteristics. This article explores the capabilities of spectral indexes, namely, spectral matching ratios (SMR), to spectrally characterize the annual irradiation reaching a particular location on the Earth and to provide the necessary information for the spectral optimization of a MJ solar cell in that location as a starting point for CPV module spectral tuning. Additionally, the relationship between such indexes and the atmosphere parameters, such as the aerosol optical depth (AOD), precipitable water (PW), and air mass (AM), is discussed using radiative transfer models such as SMARTS to generate the spectrally-resolved DNI. The network of ground-based sun and sky-scanning radiometers AERONET (AErosol RObotic NETwork) is exploited to obtain the atmosphere parameters for a selected bunch of 34 sites worldwide. Finally, the SMR indexes are obtained for every location, and a comparative analysis is carried out for four architectures of triple junction solar cells, covering both lattice match and metamorphic technologies. The differences found among cell technologies are much less significant than among locations.

Evaluation of the PV cell operation temperature in the process of fast switching to open-circuit mode

A procedure for measuring the overheating temperature (ΔT ) of a p-n junction area in the structure of photovoltaic (PV) cells converting laser or solar radiations relative to the ambient temperature has been proposed for the conditions of connecting to an electric load. The basis of the procedure is the measurement of the open-circuit voltage (VO C ) during the initial time period after the fast disconnection of the external resistive load. The simultaneous temperature control on an external heated part of a PV module gives the means for determining the value of VO C at ambient temperature. Comparing it with that measured after switching OFF the load makes the calculation of ΔT possible. Calibration data on the VO C = f(T ) dependences for single-junction AlGaAs/GaAs and triple-junction InGaP/GaAs/Ge PV cells are presented. The temperature dynamics in the PV cells has been determined under flash illumination and during fast commutation of the load. Temperature measurements were taken in two cases: converting continuous laser power by single-junction cells and converting solar power by triple-junction cells operating in the concentrator modules.

The segmental approximation in multijunction solar cells

The segmental approach has been considered to analyze dark and light I-V curves. The photovoltaic (PV) dependence of the open-circuit voltage (Voc), the maximum power point voltage (Vm), the efficiency (?) on the photogenerated current (Jg), or on the sunlight concentration ratio (X), are analyzed, as well as other photovoltaic characteristics of multijunction solar cells. The characteristics being analyzed are split into monoexponential (linear in the semilogarithmic scale) portions, each of which is characterized by a definite value of the ideality factor A and preexponential current J0. The monoexponentiality ensures advantages, since at many steps of the analysis, one can use the analytical dependences instead of numerical methods. In this work, an experimental procedure for obtaining the necessary parameters has been proposed, and an analysis of GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell characteristics has been carried out. It has been shown that up to the sunlight concentration ratios, at which the efficiency maximum is achieved, the results of calculation of dark and light I-V curves by the segmental method fit well with the experimental data. An important consequence of this work is the feasibility of acquiring the resistanceless dark and light I-V curves, which can be used for obtaining the I-V curves characterizing the losses in the transport part of a solar cell.

Implications of low breakdown voltage of component subcells on external quantum efficiency measurements of multijunction solar cells

The electrical and optical coupling between subcells in a multijunction solar cell affects its external quantum efficiency (EQE) measurement. In this study, we show how a low breakdown voltage of a component subcell impacts the EQE determination of a multijunction solar cell and demands the use of a finely adjusted external voltage bias. The optimum voltage bias for the EQE measurement of a Ge subcell in two different GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cells is determined both by sweeping the external voltage bias and by tracing the I–V curve under the same light bias conditions applied during the EQE measurement. It is shown that the I–V curve gives rapid and valuable information about the adequate light and voltage bias needed, and also helps to detect problems associated with non-ideal I–V curves that might affect the EQE measurement. The results also show that, if a non-optimum voltage bias is applied, a measurement artifact can result. Only when the problems associated with a non-ideal I–V curve and/or a low breakdown voltage have been discarded, the measurement artifacts, if any, can be attributed to other effects such as luminescent coupling between subcells.

Why can't I measure the external quantum efficiency of the Ge subcell of my multijunction solar cell?

The measurement of the external quantum efficiency (EQE) of low bandgap subcells in a multijunction solar cell can be sometimes problematic. In particular, this paper describes a set of cases where the EQE of a Ge subcell in a conventional GaInP/GaInAs/Ge triple-junction solar cell cannot be fully measured. We describe the way to identify each case by tracing the I-V curve under the same light-bias conditions applied for the EQE measurement, together with the strategies that could be implemented to attain the best possible measurement of the EQE of the Ge subcell.

Integration of III-V materials on Silicon Substrates for Multi-junction Solar Cell Applications

The work presented here aims to reduce the cost of multijunction solar cell technology by developing ways to manufacture them on cheap substrates such as silicon. In particular, our main objective is the growth of III-V semiconductors on silicon substrates for photovoltaic applications. The goal is to create a GaAsP/Si virtual substrates onto which other III-V cells could be integrated with an interesting efficiency potential. This technology involves several challenges due to the difficulty of growing III-V materials on silicon. In this paper, our first work done aimed at developing such structure is presented. It was focused on the development of phosphorus diffusion models on silicon and on the preparation of an optimal silicon surface to grow on it III-V materials.

Diseño de una rectena de onda completa de triple frecuencia

Modern communication systems use multifrequency or broadband antennas in order to provide multiple communication services. One of the biggest problems associated to all these systems comes from their batteries life cycle. Nowadays, great efforts are being undertaken in order to harvest energy from as many places as possible. In addition, if the two cycles of the corresponding wave could be used, it would be good in order to increase the RF-DC power conversion. This paper presents a multifrequency and full wave-rectifying antenna for microwave application

Contribución a los Modelos y Metodologías para la Estimación de la Calidad Percibida por los Usuarios (QoE) a partir de Parámetros de Calidad de Red/Servicio (QoS) en Servicios Convergentes Multimedia (Triple-Play)

Esta Tesis constituye una contribución a los Modelos y Metodologías para la Estimación de la Calidad Percibida por los Usuarios, o Calidad de Experiencia (QoE), a partir de Parámetros de Calidad y/o Rendimiento de Red y/o Servicio (QoS) en Servicios Multimedia, y específicamente en servicios Triple-Play (3P): servicios de Televisión (TV), Telefonía y Datos ofrecidos por un mismo operador como un paquete único. En particular, se centra en los servicios Triple-Play convergentes (desplegados sobre una Red de Transporte común basada en IP, gestionada por un único operador como un Sistema Autónomo (SA)), y la relación entre la Calidad Percibida por los usuarios de dichos servicios y los parámetros de rendimiento de la Red de Transporte IP subyacente. Específicamente, contribuye a la estimación ‘en línea’ (es decir, durante la prestación del servicio, en tiempo real o casi-real) de dicha calidad. La calidad de experiencia de los usuarios es un factor determinante para el éxito o fracaso de estos servicios, y su adecuada gestión resulta por tanto un elemento crucial para el despliegue exitoso de los mismos. La calidad de experiencia resulta fácil de entender, pero compleja de implementar en sistemas reales, debido principalmente a la dificultad de su modelado, evaluación, y traducción en términos de parámetros de calidad de servicio. Mientras que la calidad de servicio puede medirse, monitorizarse y controlarse fácilmente, la calidad de experiencia es todavía muy difícil de gestionar. Una metodología completa de gestión de la calidad de experiencia debe incluir al menos: monitorización de la experiencia de los usuarios durante el consumo del servicio; adaptación de la provisión de contenidos a las condiciones variables del contexto; predicción del nivel de degradación potencial de la calidad de experiencia; y recuperación de la degradación debida a cambios en el sistema. Para conseguir un control completo de la experiencia de los usuarios finales, todas estas tareas deben ser realizadas durante la prestación del servicio y de forma coordinada. Por lo tanto, la capacidad de medir, estimar y monitorizar la calidad percibida en tiempo casi-real, y relacionarla con las condiciones de servicio de la red, resulta crítica para los proveedores de este tipo de servicios, especialmente en el caso de los más exigentes, tales como la difusión de Televisión sobre IP (IPTV). Para ello se ha seleccionado un modelo ya existente, de tipo matricial, para la estimación de la Calidad Global en servicios complejos a partir de los parámetros de funcionamiento interno de los agentes que proporcionan los servicios. Este modelo, definido en términos de servicios y sus componentes, percepciones de los usuarios, capacidades de los agentes, indicadores de rendimiento y funciones de evaluación, permite estimar la calidad global de un conjunto de servicios convergentes, tal como la perciben uno o más grupos de usuarios. Esto se consigue combinando los resultados de múltiples modelos parciales, tales que cada uno de ellos proporciona la valoración de la calidad percibida para uno de los servicios componentes, obtenida a partir de un conjunto de parámetros de rendimiento y/o Calidad de Servicio de la red de transporte IP convergente. El modelo se basa en la evaluación de las percepciones de los usuarios a partir de Factores de Valoración, calculados a partir de Indicadores de Rendimiento, que se derivan a su vez de Parámetros de Funcionamiento Interno correspondientes a las capacidades de los distintos agentes que intervienen en la prestación de los servicios. El trabajo original incluye la aplicación del modelo a un servicio 3P (datos+voz+vídeo). En este trabajo, sin embargo, el servicio de vídeo (Vídeo bajo Demanda, VoD) se considera poco importante y es finalmente ignorado. En el caso de los usuarios residenciales, el servicio de voz (Voz sobre IP, VoIP) se considera asimismo poco importante y es también ignorado, por lo que el servicio global se reduce finalmente a los servicios de datos (Acceso a Internet y juegos interactivos). Esta simplificación era razonable en su momento, pero la evolución del mercado de servicios convergentes ha hecho que en la actualidad las razones que la justificaban no sean ya aplicables. En esta Tesis, por lo tanto, hemos considerado un servicio ‘Triple-Play’ completo, incluyendo servicios de datos, voz y vídeo. Partiendo de dicho modelo, se ha procedido a actualizar los servicios considerados, eliminando los no relevantes e incluyendo otros no considerados, así como a incluir nuevos elementos (percepciones) para la estimación de la calidad de los servicios; actualizar, extender y/o mejorar los modelos de estimación de los servicios ya incluidos; incluir modelos de estimación para los nuevos servicios y elementos añadidos; desarrollar nuevos modelos de estimación para aquellos servicios o elementos para los que no existen modelos adecuados; y por último, extender, actualizar y/o mejorar los modelos para la estimación de la calidad global. Con todo ello se avanza apreciablemente en la modelización y estimación de la Calidad de Experiencia (QoE) en Servicios Multimedia a partir de Parámetros de Calidad de Servicio (QoS) y/o Rendimiento de la Red, y específicamente en la estimación ‘en línea’, en tiempo casi-real, de dicha calidad en servicios Triple-Play convergentes. La presente Tesis Doctoral se enmarca en la línea de investigación sobre Calidad de Servicio del grupo de Redes y Servicios de Telecomunicación e Internet, dentro del Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos (DIT) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).