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.

Análisis dinámico experimental y numérico de una presa bóveda : ajuste del modelo

El objetivo de este trabajo es analizar las propiedades dinámicas de una presa bóveda de doble curvatura (presa de La Tajera, Guadalajara) para ajustar un modelo de elementos finitos. Para ello se han utilizado acelerómetros de alta sensibilidad sincronizados inalámbricamente. Se han obtenido las frecuencias, amortiguamientos y formas modales frente a los efectos de las acciones de tipo ambiental (viento, paso de vehículos). Se ha modelado mediante elementos finitos la presa y su cimiento incorporando el efecto del nivel del embalse. Con las propiedades dinámicas de la estructura halladas numéricamente se ha realizado un plan de medidas en los puntos que se consideraban más significativos. Tras realizar las medidas, se ha procedido al análisis de resultados mediante un Análisis Modal Operacional. Ello permite estimar los parámetros modales (frecuencias, amortiguamientos y formas modales) experimentalmente y se ha valorado el alcance de los mismos. Posteriormente viene la parte fundamental de este trabajo, que es el ajuste del modelo de elementos finitos inicial considerando el comportamiento dinámico obtenido experimentalmente. El modelo actualizado puede utilizarse dentro de un sistema de detección de daños, o por ejemplo, para el estudio del comportamiento ante un sismo considerando la interacción presa-embalse-cimiento. The purpose of this paper is to study the dynamic characteristics of a double curvature arch dam (La Tajera arch dam) for a Finite Element Model Updating. To achieve it, high sensitivity accelerometers synchronized wirelessly have been used. The system modal dampings, natural frequencies mode shapes are identified using output only identification techniques under environmental loads (wind, vehicles). Firstly, a finite element model of the dam-reservoir-foundation system was created. Once the dynamic properties of the structure were numerically obtained, a testing plan was then carried out identifying the most significant test points. After the measurements were carried out, an Operational Modal Analysis was performed to obtain experimentally the structure dynamic properties: natural frequencies, modal dampings and mode shapes. experimentally and to assess its reach. Then, the finite element model updating of the initial model was carried out to match the recorded dynamic behavior. The updated model may be used within a structural health monitoring and damage detection system or, as it is proposed on this thesis, for the analysis of the seismic response of arch dam-reservoir-foundation coupled systems

Evaluación experimental del dispositivo LRF HOKUYO URG-04LX-UG01

En robótica móvil existen diferentes dispositivos que permiten percibir la configuración del entorno. Pueden utilizarse alternativas de gran alcance como por ejemplo los ultrasonidos, pero que tienen la desventaja de consumir un tiempo elevado en la realización de las medidas. En corta distancia destacan los sensores basados en la emisión de luz infrarroja, que responden a muy alta velocidad pero tienen muy poco alcance. La obtención de fotografia, en incluso video, por medio de camaras, permite obtener mucha información del entorno, pero exige un procesado normalmente muy elaborado. Los “Laser Range Finder” son dispositivos basados en la emisión de un haz laser que responden a muy alta velocidad en el entorno de unos cuantos metros alrededor del robot móvil, lo que los hacen especialmente adecuados para un uso continuo que permita obtener de forma rapida un mapa de los obstaculos mas próximos. En el presente proyecto se va a realizar un ejercicio de medida con el laser range finder URG-04LX-UG01 para confirmar su utilidad en el ambito de la robótica móvil. ABSTRACT In mobile robotics there are different devices that allow sense the environment configuration. Powerful alternatives may be used as e.g. ultrasounds, but they have the disadvantage of consuming a large time to perform measurements. In short range highlights the infrared light based sensors, that responds at very high speed but have very low range. The photography obtaining, even video, by cameras, allow acquire many environmental information but normally require a very elaborate processing. The Laser Range Finder are devices based on laser beam broadcasting that respond a very high speed in the vicinity of a few meters around the mobile robot, which make them especially suitable for the continuous use, that allows fast obtain of the nearests obstacles map. In this project we are going to do an measurement exercise with laser range finder URG-04LX-UG01 to confirm its utility in mobile robotics scope.

Perfil de playas sustentadas : estudio hidrodinámico y experimental : directrices de diseño

Las playas sustentadas por medio de un pie sumergido son una atractiva alternativa de diseño de regeneración de playas especialmente cuando las condiciones física del emplazamiento o las características de la arena nativa y de préstamo producen perfiles de alimentación que no se intersectan. La observación y propuesta de este tipo de solución data de los años 1960’s, así como la experiencia internacional en la construcción de este tipo de playas. Sin embargo, a pesar de su utilización y los estudios en campo y laboratorio, no se dispone de criterios ingenieriles que apoyen el diseño de las mismas. Esta tesis consiste en un análisis experimental del perfil de playas sustentadas en un pie sumergido (o colgadas) que se concreta en una propuesta de directrices de diseño general que permiten estimar la ubicación y características geométricas del pie sumergido frente a un oleaje y material que constituye la playa determinados. En la tesis se describe el experimento bidimensional realizado en el modelo físico de fondo móvil, donde se combinan cinco tipos de oleaje con tres configuraciones del pie sumergido (“Sin estructura”, configuración baja o “Estructura 1” y configuración alta o “Estructura 2”), se presentan los resultados obtenidos y se realiza una discusión detallada de las implicaciones de los resultados desde el punto de vista hidrodinámico utilizando monomios adimensionales. Se ha realizado un análisis detallado del estado del arte sobre playas colgadas, presentando el concepto y las experiencias de realizaciones en distintos países. Se ha realizado una cuidadosa revisión de la literatura publicada sobre estudios experimentales de playas colgadas, modelos teóricos y otras cuestiones auxiliares, necesarias para la formulación de la metodología de la tesis. El estudio realizado se ha estructurado en dos fases. En la primera fase se ha realizado una experimentación en un modelo físico de fondo móvil construido en las instalaciones del Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), consistente en un canal de 36 m de longitud, 3 m de anchura y 1.5 m de altura, provisto de un generador de oleaje de tipo pistón. Se ha diseñado una campaña de 15 ensayos, que se obtienen sometiendo a cinco tipos de oleaje tres configuraciones distintas de playa colgada. En los ensayos se ha medido el perfil de playa en distintos instantes hasta llegar al equilibrio, determinando a partir de esos datos el retroceso de la línea de costa y el volumen de sedimentos perdido. El tiempo total efectivo de ensayo asciende a casi 650 horas, y el número de perfiles de evolución de playa obtenidos totaliza 229. En la segunda fase se ha abordado el análisis de los resultados obtenidos con la finalidad de comprender el fenómeno, identificar las variables de las que depende y proponer unas directrices ingenieriles de diseño. Se ha estudiado el efecto de la altura de ola, del periodo del oleaje, del francobordo adimensional y del parámetro de Dean, constatándose la dificultad de comprensión del funcionamiento de estas obras ya que pueden ser beneficiosas, perjudiciales o inocuas según los casos. También se ha estudiado la respuesta del perfil de playa en función de otros monomios adimensionales, tales como el número de Reynolds o el de Froude. En el análisis se ha elegido el monomio “plunger” como el más significativo, encontrando relaciones de éste con el peralte de oleaje, la anchura de coronación adimensional, la altura del pie de playa adimensional y el parámetro de Dean. Finalmente, se propone un método de diseño de cuatro pasos que permite realizar un primer encaje del diseño funcional de la playa sustentada frente a un oleaje de características determinadas. Las contribuciones más significativas desde el punto de vista científico son: - La obtención del juego de resultados experimentales. - La caracterización del comportamiento de las playas sustentadas. - Las relaciones propuestas entre el monomio plunger y las distintas variables explicativas seleccionadas, que permiten predecir el comportamiento de la obra. - El método de diseño propuesto, en cuatro pasos, para este tipo de esquemas de defensa de costas. Perched beaches are an attractive beach nourishment design alternative especially when either the site conditions or the characteristics of both the native and the borrow sand lead to a non-intersecting profile The observation and suggestion of the use of this type of coastal defence scheme dates back to the 1960’s, as well as the international experience in the construction of this type of beaches. However, in spite of its use and the field and laboratory studies performed to-date, no design engineering guidance is available to support its design. This dissertation is based on the experimental work performed on a movable bed physical model and the use of dimensionless parameters in analyzing the results to provide general functional design guidance that allow the designer, at a particular stretch of coast - to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill as well as to estimate the suitable sand size to be used in the nourishment. This dissertation consists on an experimental analysis of perched beaches by means of a submerged sill, leading to the proposal of general design guidance that allows to estimate the location and geometric characteristics of the submerged sill when facing a wave condition and for a given beach material. The experimental work performed on a bi-dimensional movable bed physical model, where five types of wave conditions are combined with three configurations of the submerged sill (“No structure”, low structure or “Structure 1”, and high structure or “Structure 2”) is described, results are presented, and a detailed discussion of the results - from the hydrodynamic point of view – of the implications of the results by using dimensionless parameters is carried out. A detailed state of the art analysis about perched beaches has been performed, presenting the “perched beach concept” and the case studies of different countries. Besides, a careful revision of the literature about experimental studies on perched beaches, theoretical models, and other topics deemed necessary to formulate the methodology of this work has been completed. The study has been divided into two phases. Within the first phase, experiments on a movable-bed physical model have been developed. The physical model has been built in the Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEPYC) facilities, Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). The wave flume is 36 m long, 3 m wide and 1.5 m high, and has a piston-type regular wave generator available. The test plan consisted of 15 tests resulting from five wave conditions attacking three different configurations of the perched beach. During the development of the tests, the beach profile has been surveyed at different intervals until equilibrium has been reached according to these measurements. Retreat of the shoreline and relative loss of sediment in volume have been obtained from the measurements. The total effective test time reaches nearly 650 hours, whereas the total number of beach evolution profiles measured amounts to 229. On the second phase, attention is focused on the analysis of results with the aim of understanding the phenomenon, identifying the governing variables and proposing engineering design guidelines. The effect of the wave height, the wave period, the dimensionless freeboard and of the Dean parameter have been analyzed. It has been pointed out the difficulty in understanding the way perched beaches work since they turned out to be beneficial, neutral or harmful according to wave conditions and structure configuration. Besides, the beach profile response as a function of other dimensionless parameters, such as Reynolds number or Froude number, has been studied. In this analysis, the “plunger” parameter has been selected as the most representative, and relationships between the plunger parameter and the wave steepness, the dimensionless crest width, the dimensionless crest height, and the Dean parameter have been identified. Finally, an engineering 4-step design method has been proposed, that allows for the preliminary functional design of the perched beach for a given wave condition. The most relevant contributions from the scientific point of view have been: - The acquisition of a consistent set of experimental results. - The characterization of the behavior of perched beaches. - The proposed relationships between the plunger parameter and the different explanatory variables selected, that allow for the prediction of the beach behavior. - The proposed design method, four-step method, for this type of coastal defense schemes.

Análisis experimental de las transmisiones indirectas en particiones de doble hoja de fábrica de ladrillo, propuesta de métodos de cuantificación para la mejora del aislamiento acústico

Esta investigación aborda el estudio de la influencia de las uniones en el aislamiento acústico a ruido aéreo en los edificios y el análisis de las transmisiones indirectas producidas en particiones de dos hojas de ladrillo cerámico sobre bandas elásticas. La transmisión de ruido entre dos recintos separados por una partición se produce por dos vías: La vía directa a través del elemento que separa los dos recintos y la vía indirecta, a través de los elementos de flanco, como forjados, particiones, fachadas, etc. que conectados a dicho elemento de separación, vibran en presencia del campo acústico transmitiendo sus vibraciones al recinto receptor. Si las transmisiones indirectas son dominantes, el aislamiento acústico “in situ” puede ser menor que el esperado. El parámetro que expresa la atenuación acústica en las uniones es el índice de reducción vibracional en la unión o Kij. Éste parámetro se utiliza en los métodos de cálculo del aislamiento acústico a ruido aéreo, que permiten la justificación del cumplimiento de la normativa actual, el Documento Básico DB HR Protección frente al ruido del CTE. La determinación de los índices Kij de las uniones es una cuestión que debe abordarse de forma experimental. Existen diferentes expresiones empíricas obtenidas en varios laboratorios europeos que permiten el cálculo del índice Kij, pero no se han validado con ensayos realizados en soluciones habituales en la construcción española, como las estudiadas en este trabajo. El objetivo de este trabajo es la medida, análisis y cuantificación de las transmisiones indirectas producidas en las uniones de elementos de dos hojas de fábrica de ladrillo cerámico. Se ha recurrido a una campaña de ensayos en la que se reproducían las condiciones de un edificio real y se ha medido el aislamiento acústico a ruido aéreo y los índices Kij de diferentes configuraciones de uniones. Del análisis de los resultados, se demuestra que el aislamiento acústico a ruido aéreo depende de las uniones, pudiéndose obtener mejoras significativas al variar la forma de unión entre los elementos constructivos. Las mejoras de aislamiento acústico están relacionadas con un buen diseño de las uniones y con valores elevados del índice Kij. Este trabajo aporta valores experimentales de Kij para soluciones de fábrica de ladrillo y pone en discusión los valores teóricos que actualmente aparecen en la normativa vigente. ABSTRACT This research work deals with the effects of junction construction details on airborne sound insulation in buildings and the analysis of flanking transmissions across double ceramic brick walls with elastic interlayers. The sound transmission between two adjacent rooms comprises two paths: the direct path, caused by the incident sound on a separating wall, and the indirect path, through flanking elements connected to the separating wall, such as floors, internal walls, ceilings, etc. Flanking elements vibrate when excited in the sound field, thus transferring sound via structure borne to the receiving room. Dominant flanking transmissions can decrease the field sound insulation performance of the building. The vibration reduction index, Kij. expresses the acoustic attenuation of construction joints. This is an input parameter in the calculation models designed to estimate the airborne sound insulation between adjoining rooms in buildings. These models are used to comply with the acoustic requirements set by Basic Document DB HR Protection against noise included in the Spanish Building Code. The characterization of Kij. must be addressed experimentally by means of measurements. The available empirical Kij. formulae were developed in different European laboratories, but they have not been validated with standard tests performed on common Spanish walls, such as those studied in this work. The aim of this work is the measurement, analysis and quantification of indirect transmissions though joints of double ceramic brick walls. Airborne sound insulation tests and Kij measurements were performed in a laboratory which emulated the conditions of a real building. These tests were performed in different partitions whose joints were modified. It follows from the analysis of the results that airborne sound insulation depends strongly on the design of joints. Sound insulation improves when the joints between construction elements are modified to eliminate acoustic bridges. The increase in sound insulation corresponds to best practice design of joints and to high Kij values. This research work provides experimental Kij data of double ceramic brick walls and the results put in discussion the theoretical values set in the current Standards.