Estudio teórico de propiedades termodinámicas y optoelectronicas de nuevos materiales fotovoltaicos de banda intermedia = Theoretical study of thermodynamic and optoelectronic properties of new intermediate band photovoltaic materials

Los materiales de banda intermedia han atraido la atención de la comunidad científica en el campo de la energía solar fotovoltaica en los últimos años. Sin embargo, con el objetivo de entender los fundamentos de las células solares de banda intermedia, se debe llevar a cabo un estudio profundo de la características de los materiales. Esto se puede hacer mediante un modelo teórico usando Primeros Principios. A partir de este enfoque se pueden obtener resultados tales como la estructura electrónica y propiedades ópticas, entre otras, de los semiconductores fuertemente dopados y sus precursores. Con el fin de desentrañar las estructuras de estos sistemas electrónicos, esta tesis presenta un estudio termodinámico y optoelectrónico de varios materiales fotovoltaicos. Específicamente se caracterizaron los materiales avanzados de banda intermedia y sus precursores. El estudio se hizo en términos de caracterización teórica de la estructura electrónica, la energética del sistema, entre otros. Además la estabilidad se obtuvo usando configuraciones adaptadas a la simetría del sistema y basado en la combinatoria. Las configuraciones de los sitios ocupados por defectos permiten obtener información sobre un espacio de configuraciones donde las posiciones de los dopantes sustituidos se basan en la simetría del sólido cristalino. El resultado puede ser tratado usando elementos de termodinámica estadística y da información de la estabilidad de todo el espacio simétrico. Además se estudiaron otras características importantes de los semiconductores de base. En concreto, el análisis de las interacciones de van der Waals fueron incluidas en el semiconductor en capas SnS2, y el grado de inversión en el caso de las espinelas [M]In2S4. En este trabajo además realizamos una descripción teórica exhaustiva del sistema CdTe:Bi. Este material de banda-intermedia muestra características que son distintas a las de los otros materiales estudiados. También se analizó el Zn como agente modulador de la posición de las sub-bandas prohibidas en el material de banda-intermedia CuGaS2:Ti. Analizándose además la viabilidad termodinámica de la formación de este compuesto. Finalmente, también se describió el GaN:Cr como material de banda intermedia, en la estructura zinc-blenda y en wurtztite, usando configuraciones de sitios ocupados de acuerdo a la simetría del sistema cristalino del semiconductor de base. Todos los resultados, siempre que fue posible, fueron comparados con los resultados experimentales. ABSTRACT The intermediate-band materials have attracted the attention of the scientific community in the field of the photovoltaics in recent years. Nevertheless, in order to understand the intermediate-band solar cell fundamentals, a profound study of the characteristics of the materials is required. This can be done using theoretical modelling from first-principles. The electronic structure and optical properties of heavily doped semiconductors and their precursor semiconductors are, among others, results that can be obtained from this approach. In order to unravel the structures of these crystalline systems, this thesis presents a thermodynamic and optoelectronic study of several photovoltaic materials. Specifically advanced intermediate-band materials and their precursor semiconductors were characterized. The study was made in terms of theoretical characterization of the electronic structure, energetics among others. The stability was obtained using site-occupancy-disorder configurations adapted to the symmetry of the system and based on combinatorics. The site-occupancy-disorder method allows the formation of a configurational space of substitutional dopant positions based on the symmetry of the crystalline solid. The result, that can be treated using statistical thermodynamics, gives information of the stability of the whole space of symmetry of the crystalline lattice. Furthermore, certain other important characteristics of host semiconductors were studied. Specifically, the van der Waal interactions were included in the SnS2 layered semiconductor, and the inversion degree in cases of [M]In2S4 spinels. In this work we also carried out an exhaustive theoretical description of the CdTe:Bi system. This intermediate-band material shows characteristics that are distinct from those of the other studied intermediate-band materials. In addition, Zn was analysed as a modulator of the positions of the sub-band gaps in the CuGaS2:Ti intermediate-band material. The thermodynamic feasibility of the formation of this compound was also carried out. Finally GaN:Cr intermediate-band material was also described both in the zinc-blende and the wurtztite type structures, using the symmetry-adapted-space of configurations. All results, whenever possible, were compared with experimental results.

Electrical decoupling effect on intermediate band Ti-implanted silicon layers

We investigated the electrical transport properties of ultraheavily Ti-implanted silicon layers subsequently pulsed laser melted (PLM). After PLM, the samples exhibit anomalous electrical behaviour in sheet resistance and Hall mobility measurements, which is associated with the formation of an intermediate band (IB) in the implanted layer. An analytical model that assumes IB formation and a current limitation effect between the implanted layer and the substrate was developed to analyse this anomalous behaviour. This model also describes the behaviour of the function V/Delta V and the electrical function F that can be extracted from the electrical measurements in the bilayer. After chemical etching of the implanted layer, the anomalous electrical behaviour observed in sheet resistance and Hall mobility measurements vanishes, recovering the unimplanted Si behaviour, in agreement with the analytical model. The behaviour of V/Delta V and the electrical function F can also be successfully described in terms of the analytical model in the bilayer structure with the implanted layer entirely stripped.

Quantum dot parameters determination from quantum-efficiency measurements

The energy spectrum of the confined states of a quantum dot intermediate band (IB) solar cell is calculated with a simplified model. Two peaks are usually visible at the lowest energy side of the subbandgap quantum-efficiency spectrum in these solar cells. They can be attributed to photon absorption between well-defined states. As a consequence, the horizontal size of the quantum dots can be determined, and the conduction (valence) band offset is also determined if the valence (conduction) offset is known.

Sistemas de distribución en entornos de televisión

Actualmente los entornos de televisión manejan gran cantidad de señales procedentes de diferentes fuentes y suministradas en diferentes estándares: SD-SDI,HD-SDI, 3G, DVB-ASI, señales moduladas en banda L. En la gran mayoría de los centros de radiodifusión es necesario al menos en alguno de los pasos del transporte de señales o de su explotación, la replicación de las diferentes señales de entrada a sus diferentes destinos. En el siguiente PFC se tratará de dar a conocer, los principales sistemas que se emplean en los entornos de televisión para la distribución de las señales que se utilizan en los mismos. Los sistemas distributivos se encargan de distribuir y replicar la señal de entrada a ellos hacia diferentes destinos. La principal idea con la que se diseñan estos sistemas es que la señal de entrada no sufra ningún tipo de degradación como fruto de la replicación o división, siendo incluso aconsejable que determinados sistemas regeneren la señal de entrada a sus salidas. El proyecto se divide en tres capítulos: - Capítulo de conceptos teóricos: En el que se presentarán, los fundamentos teóricos que justifican la tecnología utilizada por los diferentes sistemas. - Capítulo de distribución de señales SDI y ASI: En el cual se presentarán los principales sistemas utilizados, para la distribución de señales SD-SDI, HDSDI, 3G y DVB-ASI. - Capítulo de distribución de señales en banda-L: Donde se mostrarán, los principales sistemas de distribución de señales moduladas en banda-L. Al finalizar la lectura del mismo, el lector debería conocer los principales sistemas que se utilizan en la distribución de señales SDI y ASI y en la distribución de señales en banda L. Comprender mediante la teoría expuesta, y los sistemas presentados, las diferentes problemáticas que afrontan los diferentes equipos y la tecnología que subyace en un segundo plano para solventar las problemáticas. Nowadays, broadcast environments, manage an extensive amount of signals from several sources, using differents standards: SD-SDI, HD-SDI, 3G, DVBASI, modulated L band signals. In most of the broadcast infraestructures, it´s usually needed, at any of the transmissions steps, to replicate the source signal to many destinations. This PFC is intended to shown the main systems used to distribute and replicate signals in broadcast environments. Distributive Systems are used to distribute and replicate the source signals to as many destinations as are needed. The main idea behind the design of those systems is to preserve the integrity of the original signal, due to replications or division classical pathologies. Even it is recomendad that those systems are able to regenerate the original signal, trying to avoid or compesate those pathologies. The PFC is divided in three chapters: - Chapter 1: Theorical concepts: In this chapter is presented the minimal theory needed to understand the complex of the tecnology, for those distributive systems. - Chapter 2: Distribution of SDI and ASI signals: It is shown the main systems used to replicate and distribution of the SDI and ASI signals. It will also treatment the state of the art of the actually new systems. - Chapter 3: Distribution of L band signals. It will be shown the main systems used for L band signals At the end of reading this PFC, the reader must known the main systems used for distribution SDI and ASI signals, also L band signals. It is important to understand the contents of the PFC, the systems, the several problems and the background tecnology that is needed to afront the replication known patologies.

Caracterización geoquímica orgánica de los materiales de la zona de Hontomín para almacenamiento de Co2

Ante la perspectiva del Cambio Global propiciado por la acción antrópica debido al vertido de CO2 a la atmósfera desde el inicio de la Era Industrial, el Protocolo de Kyoto (firmado en 1997), seguido de las tímidas propuestas derivadas de la Reunión de Copenhague, más acciones derivadas de la reunión de los ministros de medio ambiente en Sevilla, la acción de captura y secuestro del CO2inevitablemente generado por la industria pesada y la generación de energía ha ido adquiriendo un progresivo interés al estar la Península Ibérica constituida en más del 50% de su superficie por rocas sedimentarias susceptibles de constituir almacenamientos subterráneos. El objetivo fundamental de este proyecto fin de carrara, es determinar los cambios que se producen en los compuestos orgánicos de las posibles rocas almacén y sello de la zona de Páramos de la Lora en Burgos, (donde se pretende realizar el secuestro de CO2) después de la inyección de CO2 supercrítico en experimentos. Fundamentalmente, el estudio se centra en la familia de alcanos, cetonas y ácidos. Para ello se realizará una caracterización geoquímica orgánica de los materiales antes y después de haber inyectado CO2 a altas presiones (100 bar – 120 bar) y en las condiciones térmicas existentes a la profundidad del almacén (40º C - 50º C) durante períodos de tiempo variables, para lo que se empleará cámara hiperbárica del Grupo de Estudios Ambientales. Abstract In view Global Change led by the anthropic action due to the discharge of CO2 into the atmosphere since the start of the Indistrual Era, the Protocolo de Kyoto (signed in 1997), followed by the timid proposals arising from the Copenhague Meeting, more action arising of the meeting of the environment minister in Sevilla, the action of captura and sequestration of CO2 inevitably generated by heavy industry and the energy generation has acquired a progressive interest because de Península Ibérica is formed in more than fifty percent of the surface by sedimentary rock susceptible of provide underground storage. The objetive of this Project is determining the changes produced in organics compounds of potential reservoir rocks and seal rocks in Páramos de la Lora in Burgos, after injection supercritical CO2 in experiment. Fundamentally, the study focuses in the alcanos, cetonas and ácidos family. For this, a geochemical characterizacion will be performed in the materials before and after injection of high pressure CO2 (100bar-120bar) and in the existing termal conditions in the depth of the warehouse (40º C-50º C) for varying period of time, for what is used hyperbaric chamber environmental studies group.

Desarrollo y aplicaciones de radares de alta resolución en bandas milimétricas

Las bandas de las denominadas ondas milimétricas y submilimétricas están situadas en la región del espectro entre las microondas y el infrarrojo. La banda de milimétricas se sitúa entre 30 y 300 GHz, considerada normalmente como la banda EHF (Extremely High Frequency). El margen de frecuencias entre 300 y 3000 GHz es conocido como la banda de ondas submilimétricas o de terahercios (THz). Sin embargo, no toda la comunidad científica está de acuerdo acerca de las frecuencias que limitan la banda de THz. De hecho, 100 GHz y 10 THz son considerados comúnmente como los límites inferior y superior de dicha banda, respectivamente. Hasta hace relativamente pocos años, la banda de THz sólo había sido explotada para aplicaciones en los campos de la espectroscopía y la radioastronomía. Los avances tecnológicos en la electrónica de microondas y la óptica lastraron el desarrollo de la banda de THz. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado las ventajas asociadas a operar en estas longitudes de onda, lo que ha aumentado el interés y los esfuerzos dedicados a la tecnología de THz. A pesar de que han surgido un gran número de aplicaciones, una de las más prometedoras está en el campo de la vigilancia y la seguridad. Esta tesis está dedicada al desarrollo de radares de onda continua y frecuencia modulada (CW-LFM) de alta resolución en la banda de milimétricas, más concretamente, en las ventanas de atenuación situadas en 100 y 300 GHz. Trabajar en estas bandas de frecuencia presenta beneficios tales como la capacidad de las ondas de atravesar ciertos materiales como la ropa o el papel, opacos en el rango visible, y la posibilidad de usar grandes anchos de banda, obteniéndose así elevadas resoluciones en distancia. Los anchos de banda de 9 y 27 GHz seleccionados para los sistemas de 100 y 300 GHz, respectivamente, proporcionan resoluciones en distancia alrededor y por debajo del cm. Por otro lado, las aplicaciones objetivo se centran en la adquisición de imágenes a corto alcance. En el caso del prototipo a 300 GHz, su diseño se ha orientado a aplicaciones de detección a distancia en escenarios de vigilancia y seguridad. La naturaleza no ionizante de esta radiación supone una ventaja frente a las alternativas tradicionalmente usadas tales como los sistemas de rayos X. La presente tesis se centra en el proceso de diseño, implementación y caracterización de ambos sistemas así como de la validación de su funcionamiento. Se ha elegido una solución basada en componentes electrónicos, y no ópticos, debido a su alta fiabilidad, volumen reducido y amplia disponibilidad de componentes comerciales. Durante el proceso de diseño e implementación, se han tenido en cuenta varias directrices tales como la minimización del coste y la versatilidad de los sistemas desarrollados para hacer posible su aplicación para múltiples propósitos. Ambos sistemas se han utilizado en diferentes pruebas experimentales, obteniendo resultados satisfactorios. Aunque son sólo ejemplos dentro del amplio rango de posibles aplicaciones, la adquisición de imágenes ISAR de modelos de blancos a escala para detección automática así como la obtención de datos micro-Range/micro- Doppler para el análisis de patrones humanos han validado el funcionamiento del sistema a 100 GHz. Por otro lado, varios ejemplos de imágenes 3D obtenidas a 300 GHz han demostrado las capacidades del sistema para su uso en tareas de seguridad y detección a distancia. ABSTRACT The millimeter- and submillimeter-wave bands are the regions of the spectrum between the microwaves and the infrared (IR). The millimeter-wave band covers the range of the spectrum from 30 to 300 GHz, which is usually considered as the extremely high frequency (EHF) band. The range of frequencies between 300 and 3000 GHz is known as the submillimeter-wave or terahertz (THz) band. Nevertheless, the boundaries of the THz band are not accepted by the whole research community. In fact, 100 GHz and 10 THz are often considered by some authors as the lower and upper limit of this band, respectively. Until recently, the THz band had not been exploited for practical applications, with the exception of minor uses in the fields of spectroscopy and radio astronomy. The advancements on microwave electronics and optical technology left the well-known THz gap undeveloped. However, recent research has unveiled the advantages of working at these frequencies, which has motivated the increase in research effort devoted to THz technology. Even though the range of upcoming applications is wide, the most promising ones are in the field of security and surveillance. Particularly, this Ph.D. thesis deals with the development of high resolution continuouswave linear-frequency modulated (CW-LFM) radars in the millimeter-wave band, namely, in the attenuation windows located at 100 and 300 GHz. Working at these wavelengths presents several benefits such as the ability of radiation to penetrate certain materials, visibly opaque, and the great availability of bandwidth at these frequencies, which leads to high range resolution. The selected bandwidths of 9 and 27 GHz for these systems at 100 and 300 GHz, respectively, result in cm and sub-cm range resolution. On the other hand, the intended applications are in the field of short-range imaging. In particular, the design of the 300-GHz prototype is oriented to standoff detection for security and surveillance scenarios. The non-ionizing nature of this radiation allows safety concerns to be alleviated, in clear contrast to other traditional alternatives such as X-rays systems. This thesis is focused on the design, implementation and characterization process of both systems as well as the experimental assessment of their performances. An electronic approach has been selected instead of an optical solution so as to take advantage of its high reliability, reduced volume and the availability of commercial components. Through the whole design and implementation process, several guidelines such as low cost and hardware versatility have been also kept in mind. Taking advantage of that versatility, different applications can be carried out with the same hardware concept. Both radar systems have been used in several experimental trials with satisfactory results. Despite being mere examples within the wide range of fields of application, ISAR imaging of scaled model targets for automatic target recognition and micro-Range/micro-Doppler analysis of human patterns have validated the system performance at 100 GHz. In addition, 3D imaging examples at 300 GHz demonstrate the radar system’s capabilities for standoff detection and security tasks.

Double ion implantation and pulsed laser melting processes for third generation solar cells

In the framework of the third generation of photovoltaic devices, the intermediate band solar cell is one of the possible candidates to reach higher efficiencies with a lower processing cost. In this work, we introduce a novel processing method based on a double ion implantation and, subsequently, a pulsed laser melting (PLM) process to obtain thicker layers of Ti supersaturated Si. We perform ab initio theoretical calculations of Si impurified with Ti showing that Ti in Si is a good candidate to theoretically form an intermediate band material in the Ti supersaturated Si. From time-of-flight secondary ion mass spectroscopy measurements, we confirm that we have obtained a Ti implanted and PLM thicker layer of 135 nm. Transmission electron microscopy reveals a single crystalline structure whilst the electrical characterization confirms the transport properties of an intermediate band material/Si substrate junction. High subbandgap absorption has been measured, obtaining an approximate value of 104 cm−1 in the photons energy range from 1.1 to 0.6 eV.

Influencia de la configuración geométrica de placas prefabricadas para forjados en las tensiones originadas por la transferencia del pretensado en elementos realizados con armaduras pretesas ancladas por adherencia

Las piezas pretensadas de hormigón presentan zonas muy solicitadas correspondientes a la zona de transferencia. En muchos casos se ha detectado figuración en tales zonas cuyo origen está ligado a la transferencia de la fuerza de pretensado, pudiendo llegar a causar el rechazo de la pieza. En el caso de las piezas prefabricadas con armaduras pretesas adherentes, no siempre es posible disponer armado transversal para controlar esta fisuración, ya sea por el proceso constructivo, ya sea por disponer en general de secciones transversales muy optimizadas. Recientemente se desarrolló una nueva tipología de piezas de hormigón prefabricado para forjados unidireccionales pretensadas con armadura activa pretesa y sin armadura transversal. La tipología se asimila a una sección en PI invertida, con alas de gran envergadura en comparación con el ancho de nervio, y armadura activa distribuida en las alas. Este diseño parece propenso a la aparición de fisuración en el momento de la transferencia del pretensado. Así, se han producido fallos de carácter frágil: colapso de piezas ya colocadas en obra, separándose la losa inferior de los nervios y cayendo sobre el piso. Las herramientas de análisis usuales han resultado inútiles al aplicarse a la investigación de esta patología. Para afrontar el estudio de los problemas detectados en la tipología, se ha analizado el fenómeno de las tensiones de tracción en la zona de transferencia, usualmente denominadas exfoliación y estallido, así como los métodos de análisis aplicables a elementos pretesos sin armadura transversal. En algunas ocasiones se trata del resultado de trabajos desarrollados para piezas postesadas, o para calcular cuantías de armadura transversal, adaptados a posteriori. También existen métodos desarrollados específicamente para piezas pretesas sin armadura transversal. Junto a los factores considerados en los métodos existentes se han localizado otros, no tenidos en cuenta habitualmente, pero que pueden ser determinantes en piezas no convencionales, como son: la existencia de pretensado superior e inferior, la falta de simetría de la sección transversal, el ancho variable de las piezas, una relación entre el ancho del ala y el espesor de los nervios elevada, la distribución transversal del pretensado en relación al ancho variable. Además, la mayoría de los métodos se han basado en simplificaciones bidimensionales. Para tener en cuenta la influencia de estos factores, se han modelizado piezas en las que varían tanto la geometría de la sección transversal y la cuantía de pretensado, como la ley de adherencia o la distribución de armadura activa en la sección. Estos modelos se han analizado mediante el método de elementos finitos, efectuándose u análisis elástico lineal tridimensional. En general, los métodos existentes no han predicho adecuadamente las tensiones obtenidas mediante elementos finitos. Sobre los resultados obtenidos por elementos finitos se ha desarrollado un ajuste experimental, que presentan un alto grado de correlación y de significación, así como una reducida dispersión y error relativo. En consecuencia, se propone un método de obtención de la tensión máxima de exfoliación, consistente en varias ecuaciones, que tienen en cuenta las peculiaridades de la configuración de las piezas citadas y permiten considerar cualquier ley de adherencia, manteniendo la coherencia con la longitud de transmisión. Las ecuaciones se emplean para la obtención de la tensión máxima de exfoliación en piezas de la tipología estudiada cuya armadura activa se sitúe fuera del núcleo central de la sección transversal. Respecto al estallido, se propone una modificación de los métodos existentes que, comparado con los resultados del análisis por elementos finitos, mejora el valor medio y la dispersión a valores admisibles y del lado de la seguridad. El método considera la geometría de la sección y la distribución del pretensado en la losa inferior. Finalmente, se ofrecen estrategias de diseño para piezas de la tipología o semejantes. End zones of prestressed concrete members are highly stressed. Cracking have often appeared at end zone, and its beginning is related to prestress release. Some members become rejected because of these cracks. Sometimes it is not possible having transverse reinforcement in order to control cracking, when referring to pretensioned precast members. The reason may be the construction process or highly optimized crosssections. A new typology of precast concrete members designed for one-way composite floors was recently developed. The members, without transverse reinforcement, are prestressed with pretensioned wires or strands. This typology is similar to an inverted TT slab, with a large flange related to the web thickness and prestressing reinforcement spread across the flange. This design is highly susceptible to appear cracking at prestress release. Therefore, brittle failures have been reported: fail of slabs laid in place on a construction site, resulting in the separation of the flange from the webs,, and the subsequent fall on the lower floor. Usual analytical methods have been useless to study the failure. End zone tensile stresses have been analysed to study the detected typology problems. These tensile stresses are usually called spalling and bursting (also called splitting in the U.S.). Analysis methods applicable to pretensioned members without transverse reinforcement have been analysed too. Some methods were originally developed for postensioned concrete or for obtaining the amount of transverse reinforcement. In addition, there are methods developed specifically for pretensioned members without transverse reinforcement. Some factors, frequently ignored, have been found, such as lower and upper prestress, lack of symmetry in the cross section, variable width, a high ratio between flange width and web thickness or prestressing reinforcement location related to variable width. They can play a decisive role in non-conventional members. In addition, most methods are based on 2D simplifications. Finite Element modelling has been conducted in order to consider the influence of these factors. A linear 3D approach has been used. The modelled members vary according to cross section geometry, bond behaviour, or prestressing reinforcement location. In general, the obtained tensile stresses don’t agree with existing methods. An experimental adjustment has been conducted on the obtained results, with a high correlation ratio and significance level as well as a low dispersion and relative error. Therefore, a method to obtain the maximum spalling stress is proposed. The proposal consists on some equations that consider the special features of the typology and bond behaviour. Consistency between transmission length and bond behaviour is considered too. The equations are used to calculate maximum spalling stress for the studied typology members whose prestressing reinforcement is located out of the core of the cross section. In relation to bursting, a modification of existing methods is proposed. Compared to finite element results, the proposal improves mean value and dispersion, whose ranges are considered acceptable and secure. The method takes into account cross section geometry and location of prestressing reinforcement across the lower flange. Finally, strategies to design members of this typology or similar are proposed.

Analysis of SnS2 hyperdoped with V proposed as efficient absorber material

Intermediate-band materials can improve the photovoltaic efficiency of solar cells through the absorption of two subband-gap photons that allow extra electron-hole pair formations. Previous theoretical and experimental findings support the proposal that the layered SnS2 compound, with a band-gap of around 2 eV, is a candidate for an intermediate-band material when it is doped with a specific transition-metal. In this work we characterize vanadium doped SnS2 using density functional theory at the dilution level experimentally found and including a dispersion correction combined with the site-occupancy-disorder method. In order to analyze the electronic characteristics that depend on geometry, two SnS2 polytypes partially substituted with vanadium in symmetry-adapted non-equivalent configurations were studied. In addition the magnetic configurations of vanadium in a SnS2 2H-polytype and its comparison with a 4H-polytype were also characterized. We demonstrate that a narrow intermediate-band is formed, when these dopant atoms are located in different layers. Our theoretical predictions confirm the recent experimental findings in which a paramagnetic intermediate-band material in a SnS2 2H-polytype with 10% vanadium concentration is obtained.

Influencia de la altura de lluvia en la atenuación por precipitación en comunicaciones por satélite

El objetivo principal de este Proyecto Fin de Grado es el estudio experimental de la atenuación, producida por las precipitaciones, en los enlaces Tierra – satélite en banda Ka. En particular, se ha realizado el estudio para una frecuencia de 19,701 GHz, que corresponde con la frecuencia de una de las balizas del satélite Hot Bird 13 de Eutelsat. Para la realización del estudio se dispone de datos experimentales recogidos por sondeos realizados en la estación meteorológica de Madrid - Barajas y de datos sinópticos. La primera parte del proyecto comienza con una descripción de los fundamentos teóricos de los distintos fenómenos que afectan a la propagación en un enlace por satélite, y se enumeran los distintos modelos de predicción más importantes. Posteriormente se describen en más detalle algunos modelos de predicción propuestos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). En la segunda parte del mismo se explica en detalle el proceso necesario para el procesado de los datos experimentales, con el fin de poder manejarlos de forma más sencilla a la hora de presentar los resultados pertinentes. En una tercera parte se recogen los resultados experimentales obtenidos para el caso de la altura de la isoterma a 0˚C y de la atenuación por lluvia. El capítulo dedicado al estudio de la altura de la isoterma a 0˚C se centra en obtener dicho dato a partir de los datos experimentales de los sondeos, que fueron procesados con anterioridad. Así mismo, se realizará una comparativa de estos datos experimentales con los proporcionados por la UIT en la Recomendación 839. En el capítulo dedicado al estudio de la atenuación producida por la lluvia se compararán los resultados obtenidos de forma experimental con los datos proporcionados por la UIT en la Recomendación 618. Por último se recoge en un capítulo las conclusiones obtenidas con la realización de este PFG y las líneas futuras de investigación. ABSTRACT. The main aim of this Final Degree Project is the experimental study of attenuation by precipitation, in links Earth – Ka band satellite. In particular, the study was performed at a frequency of 19.701 GHz, which corresponds to the frequency of one of the beacons of the satellite Hot Bird 13 (Eutelsat). There is experimental data and synoptic data provided, which was collected from surveys in the Madrid- Barajas weather station. The first part of the project outlines some theoretical foundations regarding different phenomena which affect propagation in a satellite link and includes the most important prediction models. Additionally, some prediction models proposed by the International Telecommunication Union (ITU) are outlined in detail. In the second part, the process for the processing of the experimental data is explained in detail. This process is necessary in order to be able to utilize the data more easily when presenting the results of this project. In the third part, the experimental results obtained in the study are presented for both cases: isotherm height at 0°C and rain attenuation. The chapter dedicated to the study of the isotherm height at 0°C focuses on obtaining the real isotherm height at 0°C from the experimental data processed previously. Furthermore, a comparison will be made between the experimental results and data proposed by ITU in Recommendation 839. The chapter dedicated to the study of rain attenuation focuses on making a comparison between the results from the experimental data and data proposed by ITU in Recommendation 618. Finally, there is a chapter which revises all the conclusions obtained throughout this project and provides recommendations for future research.

Radiative thermal escape in intermediate band solar cells

To achieve high efficiency, the intermediate band (IB) solar cell must generate photocurrent from sub-bandgap photons at a voltage higher than that of a single contributing sub-bandgap photon. To achieve the latter, it is necessary that the IB levels be properly isolated from the valence and conduction bands. We prove that this is not the case for IB cells formed with the confined levels of InAs quantum dots (QDs) in GaAs grown so far due to the strong density of internal thermal photons at the transition energies involved. To counteract this, the QD must be smaller.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.