Evaluation of the reliability of high concentrator GaAs solar cells by means of temperature accelerated aging tests

ABSTRACT Evaluating the reliability, warranty period, and power degradation of high concentration solar cells is crucial to introducing this new technology to the market. The reliability of high concentration GaAs solar cells, as measured in temperature accelerated life tests, is described in this paper. GaAs cells were tested under high thermal accelerated conditions that emulated operation under 700 or 1050 suns over a period exceeding 10 000 h. Progressive power degradation was observed, although no catastrophic failures occurred. An Arrhenius activation energy of 1.02 eV was determined from these tests. The solar cell reliability [R(t)] under working conditions of 65°C was evaluated for different failure limits (1–10% power loss). From this reliability function, the mean time to failure and the warranty time were evaluated. Solar cell temperature appeared to be the primary determinant of reliability and warranty period, with concentration being the secondary determinant. A 30-year warranty for these 1 mm2-sized GaAs cells (manufactured according to a light emitting diode-like approach) may be offered for both cell concentrations (700 and 1050 suns) if the solar cell is operated at a working temperature of 65°C.

Assessing the potential of hybrid fossil–solar thermal plants for energy policy making: Brayton cycles

This paper proposes a first study in-depth of solar-fossil hybridization from a general perspective. It develops a set of useful parameters for analyzing and comparing hybrid plants, it studies the case of hybridizing Brayton cycles with current solar technologies and shows a tentative extrapolation of the results to integrated combined cycle systems (ISCSS). In particular, three points have been analyzed: the technical requirements for solar technologies to be hybridized with Brayton cycles, the temperatures and pressures at which hybridization would produce maximum power per unit of fossil fuel, and their mapping to current solar technologies and Brayton cycles. Major conclusions are that a hybrid plant works in optimum conditions which are not equal to those of the solar or power blocks considered independently, and that hybridizing at the Brayton cycle of a combined cycle could be energetically advantageous.

Proyecto de mejora de instalaciones de calefacción, ACS y envolvente térmica de un edificio existente

En este escrito se pretende llevar a cabo la realización de un proyecto técnico sobre eficiencia energética en edificios. El proyecto comienza con el estudio de la demanda térmica de un edificio, es decir, de sus necesidades de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS). Una vez realizado este análisis, se procede al estudio de distintas alternativas para la disminución del coste asociado al consumo energético del edificio, las cuales son: mejora del aislamiento de la envolvente térmica del edificio, instalación de colectores solares para la producción de ACS y el cambio de los quemadores de las calderas. De estas medidas se han presupuestado aquellas que poseen un bajo periodo de retorno de la inversión, y se ha desarrollado su planificación, programación temporal y análisis económico. ABSTRACT In this document is pretended to be carry out the performance of a technical project about energy efficiency in buildings. The project begins with the study of the thermal demand of the building, that is to say, the heating, cooling and domestic hot water (DHW) needs. Once the analysis has been done, is proceeded the study of different alternatives for diminishing the cost associate to the building energy consumption, which are: improvement of the insulation of the building, solar collector installation to produce DHW and change of the burner of the boilers. Among this measures, has been budgeted the ones that possess a low invest pay-back, and it is been developed their planning, their temporal programming and their economic analysis.

Wide-bandgap InAs/InGaP quantum-dot intermediate band solar cells

Current prototypes of quantum-dot intermediate band solar cells suffer from voltage reduction due to the existence of carrier thermal escape. An enlarged sub-bandgap EL would not only minimize this problem, but would also lead to a bandgap distribution that exploits more efficiently the solar spectrum. In this work we demonstrate InAs/InGaP QD-IBSC prototypes with the following bandgap distribution: EG = 1.88 eV, EH = 1.26 eV and EL > 0.4 eV. We have measured, for the first time in this material, both the interband and intraband transitions by means of photocurrent experiments. The activation energy of the carrier thermal escape in our devices has also been measured. It is found that its value, compared to InAs/GaAs-based prototypes, does not follow the increase in EL. The benefits of using thin AlGaAs barriers before and after the quantum-dot layers are analyzed.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

A free real-time hourly tilted solar irradiation data Website for Europe

The engineering of solar power applications, such as photovoltaic energy (PV) or thermal solar energy requires the knowledge of the solar resource available for the solar energy system. This solar resource is generally obtained from datasets, and is either measured by ground-stations, through the use of pyranometers, or by satellites. The solar irradiation data are generally not free, and their cost can be high, in particular if high temporal resolution is required, such as hourly data. In this work, we present an alternative method to provide free hourly global solar tilted irradiation data for the whole European territory through a web platform. The method that we have developed generates solar irradiation data from a combination of clear-sky simulations and weather conditions data. The results are publicly available for free through Soweda, a Web interface. To our knowledge, this is the first time that hourly solar irradiation data are made available online, in real-time, and for free, to the public. The accuracy of these data is not suitable for applications that require high data accuracy, but can be very useful for other applications that only require a rough estimate of solar irradiation.

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.

A comparative analysis of configurations of linear Fresnel collectors for concentrating solar power

Linear Fresnel collector arrays present some relevant advantages in the domain of concentrating solar power because of their simplicity, robustness and low capital cost. However, they also present important drawbacks and limitations, notably their average concentration ratio, which seems to limit significantly the performance of these systems. First, the paper addresses the problem of characterizing the mirror field configuration assuming hourly data of a typical year, in reference to a configuration similar to that of Fresdemo. For a proper comparative study, it is necessary to define a comparison criterion. In that sense, a new variable is defined, the useful energy efficiency, which only accounts for the radiation that impinges on the receiver with intensities above a reference value. As a second step, a comparative study between central linear Fresnel reflectors and compact linear Fresnel reflectors is carried out. This analysis shows that compact linear Fresnel reflectors minimize blocking and shading losses compared to a central configuration. However this minimization is not enough to overcome other negative effects of the compact Fresnel collectors, as the greater dispersion of the rays reaching the receiver, caused by the fact that mirrors must be located farther from the receiver, which yields to lower efficiencies.

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.

Magnetic Attitude Control System for a Small Satellite. Impact on the Thermal Performance

El principal objetivo de la tesis es estudiar el acoplamiento entre los subsistemas de control de actitud y de control térmico de un pequeño satélite, con el fin de buscar la solución a los problemas relacionados con la determinación de los parámetros de diseño. Se considera la evolución de la actitud y de las temperaturas del satélite bajo la influencia de dos estrategias de orientación diferentes: 1) estabilización magnética pasiva de la orientación (PMAS, passive magnetic attitude stabilization), y 2) control de actitud magnético activo (AMAC, active magnetic attitude control). En primer lugar se presenta el modelo matemático del problema, que incluye la dinámica rotacional y el modelo térmico. En el problema térmico se considera un satélite cúbico modelizado por medio de siete nodos (seis externos y uno interno) aplicando la ecuación del balance térmico. Una vez establecido el modelo matemático del problema, se estudia la evolución que corresponde a las dos estrategias mencionadas. La estrategia PMAS se ha seleccionado por su simplicidad, fiabilidad, bajo coste, ahorrando consumo de potencia, masa coste y complejidad, comparado con otras estrategias. Se ha considerado otra estrategia de control que consigue que el satélite gire a una velocidad requerida alrededor de un eje deseado de giro, pudiendo controlar su dirección en un sistema inercial de referencia, ya que frecuentemente el subsistema térmico establece requisitos de giro alrededor de un eje del satélite orientado en una dirección perpendicular a la radiación solar incidente. En relación con el problema térmico, para estudiar la influencia de la velocidad de giro en la evolución de las temperaturas en diversos puntos del satélite, se ha empleado un modelo térmico linealizado, obtenido a partir de la formulación no lineal aplicando un método de perturbaciones. El resultado del estudio muestra que el tiempo de estabilización de la temperatura y la influencia de las cargas periódicas externas disminuye cuando aumenta la velocidad de giro. Los cambios de temperatura se reducen hasta ser muy pequeños para velocidades de rotación altas. En relación con la estrategia PMAC se ha observado que a pesar de su uso extendido entre los micro y nano satélites todavía presenta problemas que resolver. Estos problemas están relacionados con el dimensionamiento de los parámetros del sistema y la predicción del funcionamiento en órbita. Los problemas aparecen debido a la dificultad en la determinación de las características magnéticas de los cuerpos ferromagnéticos (varillas de histéresis) que se utilizan como amortiguadores de oscilaciones en los satélites. Para estudiar este problema se presenta un modelo analítico que permite estimar la eficiencia del amortiguamiento, y que se ha aplicado al estudio del comportamiento en vuelo de varios satélites, y que se ha empleado para comparar los resultados del modelo con los obtenidos en vuelo, observándose que el modelo permite explicar satisfactoriamente el comportamiento registrado. ABSTRACT The main objective of this thesis is to study the coupling between the attitude control and thermal control subsystems of a small satellite, and address the solution to some existing issues concerning the determination of their parameters. Through the thesis the attitude and temperature evolution of the satellite is studied under the influence of two independent attitude stabilization and control strategies: (1) passive magnetic attitude stabilization (PMAS), and (2) active magnetic attitude control (AMAC). In this regard the mathematical model of the problem is explained and presented. The mathematical model includes both the rotational dynamics and the thermal model. The thermal model is derived for a cubic satellite by solving the heat balance equation for 6 external and 1 internal nodes. Once established the mathematical model of the problem, the above mentioned attitude strategies were applied to the system and the temperature evolution of the 7 nodes of the satellite was studied. The PMAS technique has been selected to be studied due to its prevalent use, simplicity, reliability, and cost, as this strategy significantly saves the overall power, weight, cost, and reduces the complexity of the system compared to other attitude control strategies. In addition to that, another control law that provides the satellite with a desired spin rate along a desired axis of the satellite, whose direction can be controlled with respect to the inertial reference frame is considered, as the thermal subsystem of a satellite usually demands a spin requirement around an axis of the satellite which is positioned perpendicular to the direction of the coming solar radiation. Concerning the thermal problem, to study the influence of spin rate on temperature evolution of the satellite a linear approach of the thermal model is used, which is based on perturbation theory applied to the nonlinear differential equations of the thermal model of a spacecraft moving in a closed orbit. The results of this study showed that the temperature stabilization time and the periodic influence of the external thermal loads decreases by increasing the spin rate. However, the changes become insignificant for higher values of spin rate. Concerning the PMAS strategy, it was observed that in spite of its extended application to micro and nano satellites, still there are some issues to be solved regarding this strategy. These issues are related to the sizing of its system parameters and predicting the in-orbit performance. The problems were found to be rooted in the difficulties that exist in determining the magnetic characteristics of the ferromagnetic bodies (hysteresis rods) that are applied as damping devices on-board satellites. To address these issues an analytic model for estimating their damping efficiency is proposed and applied to several existing satellites in order to compare the results with their respective in-flight data. This model can explain the behavior showed by these satellites.

Evaluación de un sistema de energía solar térmica basado en colectores de tubos de vacío para suministro de agua a alta temperatura

Esta tesis pretende contribuir al fomento y utilización de la energía solar como alternativa para la producción de agua caliente en el sector agroindustrial. La demanda de agua caliente es un aspecto clave en un gran número de agroindustrias y explotaciones agrarias. Esta demanda presenta una gran variabilidad, tanto en los horarios en que se solicita como en la temperatura del agua del depósito requerida (TADr), difiriendo del perfil de demanda habitual para uso doméstico. Existe una necesidad de profundizar en la influencia que tiene la variación de la TADr en la eficiencia y viabilidad de estos sistemas. El objetivo principal de esta tesis es caracterizar el funcionamiento de un sistema solar térmico (SST) con captador de tubos de vacío (CTV) para producir agua a temperaturas superiores a las habituales en estos sistemas. Se pretende determinar la influencia que la TADr tiene sobre la eficiencia energética del sistema, cuantificar el volumen de agua caliente que es capaz de suministrar en función de la TADr y determinar la rentabilidad del SST como sistema complementario de suministro. Para ello, se ha diseñado, instalado y puesto a punto un sistema experimental de calentamiento de agua, monitorizando su funcionamiento a diferentes TADr bajo condiciones ambientales reales. Los resultados cuantifican cómo el aumento de la TADr provoca una disminución de la energía suministrada al depósito, pudiendo superar diferencias de 1000 Wh m-2 d-1 entre 40 ºC y 80 ºC, para valores de irradiación solar próximos a 8000 Wh m-2 d-1 (la eficiencia del sistema oscila entre 73% y 56%). Esta reducción es consecuencia de la disminución de la eficiencia del captador y del aumento de las pérdidas de calor en las tuberías del circuito. En cuanto al agua suministrada, cuanto mayor es la TADr, mayor es la irradiación solar requerida para que tenga lugar la primera descarga de agua, aumentando el tiempo entre descargas y disminuyendo el número de éstas a lo largo del día. A medida que se incrementa la TADr, se produce una reducción del volumen de agua suministrado a la TADr, por factores como la pérdida de eficiencia del captador, las pérdidas en las tuberías, la energía acumulada en el agua que no alcanza la TADr y la mayor energía extraída del sistema en el agua producida. Para una TADr de 80 ºC, una parte importante de la energía permanece acumulada en el depósito sin alcanzar la TADr al final del día. Para aprovechar esta energía sería necesario disponer de un sistema complementario de suministro, ya que las pérdidas de calor nocturnas en el depósito pueden reducir considerablemente la energía útil disponible al día siguiente. La utilización del sistema solar como sistema único de suministro es inviable en la mayoría de los casos, especialmente a TADr elevadas, al no ajustarse la demanda de agua caliente a la estacionalidad de la producción del sistema solar, y al existir muchos días sin producción de agua caliente por la ausencia de irradiación mínima. Por el contrario, la inversión del sistema solar como sistema complementario para suministrar parte de la demanda térmica de una instalación es altamente recomendable. La energía útil anual del sistema solar estimada oscila entre 1322 kWh m-2 y 1084 kWh m-2. La mayor rentabilidad se obtendría suponiendo la existencia de una caldera eléctrica, donde la inversión se recuperaría en pocos años -entre 5.7 años a 40 ºC y 7.2 años a 80 ºC -. La rentabilidad también es elevada suponiendo la existencia de una caldera de gasóleo, con periodos de recuperación inferiores a 10 años. En una industria ficticia con demanda de 100 kWh d-1 y caldera de gasóleo existente, la inversión en una instalación solar optimizada sería rentable a cualquier TADr, con valores de VAN cercanos a la inversión realizada -12000 € a 80 ºC y 15000€ a 40 ºC- y un plazo de recuperación de la inversión entre 8 y 10 años. Los resultados de este estudio pueden ser de gran utilidad a la hora de determinar la viabilidad de utilización de sistemas similares para suministrar la demanda de agua caliente de agroindustrias y explotaciones agropecuarias, o para otras aplicaciones en las que se demande agua a temperaturas distintas de la habitual en uso doméstico (60 ºC). En cada caso, los rendimientos y la rentabilidad vendrán determinados por la irradiación de la zona, la temperatura del agua requerida y la curva de demanda de los procesos específicos. ABSTRACT The aim of this thesis is to contribute to the development and use of solar energy as an alternative for producing hot water in the agribusiness sector. Hot water supply is a key issue for a great many agribusinesses and agricultural holdings. Both hot water demand times and required tank water temperature (rTWT) are highly variable, where the demand profile tends to differ from domestic use. Further research is needed on how differences in rTWT influence the performance and feasibility of these systems. The main objective of this thesis is to characterize the performance and test the feasibility of an evacuated tube collector (ETC) solar water heating (SWH) system providing water at a higher temperature than is usual for such systems. The aim is to determine what influence the rTWT has on the system’s energy efficiency, quantify the volume of hot water that the system is capable of supplying at the respective rTWT and establish whether SWH is feasible as a booster supply system for the different analysed rTWTs. To do this, a prototype water heating system has been designed, installed and commissioned and its performance monitored at different rTWTs under real operating conditions. The quantitative results show that a higher rTWT results in a lower energy supply to the tank, where the differences may be greater than 1000 Wh m-2 d-1 from 40 ºC to 80 ºC for insolation values of around 8000 Wh m-2 d-1 (system efficiency ranges from 73% to 56%). The drop in supply is due to lower collector efficiency and greater heat losses from the pipe system. As regards water supplied at the rTWT, the insolation required for the first withdrawal of water to take place is greater at higher rTWTs, where the time between withdrawals increases and the number of withdrawals decreases throughout the day. As rTWT increases, the volume of water supplied at the rTWT decreases due to factors such as lower collector efficiency, pipe system heat losses, energy stored in the water at below the rTWT and more energy being extracted from the system by water heating. For a rTWT of 80 ºC, much of the energy is stored in the tank at below the rTWT at the end of the day. A booster supply system would be required to take advantage of this energy, as overnight tank heat losses may significantly reduce the usable energy available on the following day. It is often not feasible to use the solar system as a single supply system, especially at high rTWTs, as, unlike the supply from the solar heating system which does not produce hot water on many days of the year because insolation is below the required minimum, hot water demand is not seasonal. On the other hand, investment in a solar system as a booster system to meet part of a plant’s heat energy demand is highly recommended. The solar system’s estimated annual usable energy ranges from 1322 kWh m-2 to 1084 kWh m-2. Cost efficiency would be greatest if there were an existing electric boiler, where the payback period would be just a few years —from 5.7 years at 40 ºC to 7.2 years at 80 ºC—. Cost efficiency is also high if there is an existing diesel boiler with payback periods of under 10 years. In a fictitious industry with a demand of 100 kWh day-1 and an existing diesel boiler, the investment in the solar plant would be highly recommended at any rTWT, with a net present value similar to investment costs —12000 € at 80 ºC and 15000 € at 40 ºC— and a payback period of 10 years. The results of this study are potentially very useful for determining the feasibility of using similar systems for meeting the hot water demand of agribusinesses and arable and livestock farms or for other applications demanding water at temperatures not typical of domestic demand (60ºC). Performance and cost efficiency will be determined by the regional insolation, the required water temperature and the demand curve of the specific processes in each case.

Impact of metal-organic vapor phase epitaxy environment on silicon bulk lifetime for III–V-on-Si multijunction solar cells

With the final goal of integrating III-V materials on silicon substrates for tandem solar cells, the influence of the Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) environment on the minority carrier properties of silicon wafers has been evaluated. These properties will essentially determine the photovoltaic performance of the bottom cell in a III-V-on-Si tandem solar cell. A comparison of the base minority carrier lifetimes obtained for different thermal processes carried out in a MOVPE reactor on Czochralski silicon wafers has been carried out. An important degradation of minority carrier lifetime during the surface preparation (i.e. H2 anneal) has been observed. Three different mechanisms have been proposed for explaining this behavior: 1) the introduction of extrinsic impurities coming from the reactor; 2) the activation of intrinsic lifetime killing impurities coming from the wafer itself; and finally, 3) the formation of crystal defects, which eventually become recombination centers. The effect of the emitter formation by phosphorus diffusion has also been evaluated. In this sense, it has been reported that lifetime can be recovered during the emitter formation either by the effect of the P on extracting impurities, or by the role of the atomic hydrogen on passivating the defects.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Night time performance of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system

Energy storage at low maintenance cost is one of the key challenges for generating electricity from the solar energy. This paper presents the theoretical analysis (verified by CFD) of the night time performance of a recently proposed conceptual system that integrates thermal storage (via phase change materials) and thermophotovoltaics for power generation. These storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) systems are attractive owing to their simple design (no moving parts) and modularity compared to conventional Concentrated Solar Power (CSP) technologies. Importantly, the ability of high temperature operation of these systems allows the use of silicon (melting point of 1680 K) as the phase change material (PCM). Silicon's very high latent heat of fusion of 1800 kJ/kg and low cost ($1.70/kg), makes it an ideal heat storage medium enabling for an extremely high storage energy density and low weight modular systems. In this paper, the night time operation of the SISTPV system optimised for steady state is analysed. The results indicate that for any given PCM length, a combination of small taper ratio and large inlet hole-to-absorber area ratio are essential to increase the operation time and the average power produced during the night time. Additionally, the overall results show that there is a trade-off between running time and the average power produced during the night time. Average night time power densities as high as 30 W/cm(2) are possible if the system is designed with a small PCM length (10 cm) to operate just a few hours after sun-set, but running times longer than 72 h (3 days) are possible for larger lengths (50 cm) at the expense of a lower average power density of about 14 W/cm(2). In both cases the steady state system efficiency has been predicted to be about 30%. This makes SISTPV systems to be a versatile solution that can be adapted for operation in a broad range of locations with different climate conditions, even being used off-grid and in space applications.