Desarrollo de estructuras nanofotonicas de campo cercano para intensificacion localizada de luz en celulas solares de banda intermedia - Near-field nanophotonic structures for localized light enhancement in intermediate band solar cells

This doctoral thesis explores some of the possibilities that near-field optics can bring to photovoltaics, and in particular to quantum-dot intermediate band solar cells (QD-IBSCs). Our main focus is the analytical optimization of the electric field distribution produced in the vicinity of single scattering particles, in order to produce the highest possible absorption enhancement in the photovoltaic medium in their surroundings. Near-field scattering structures have also been fabricated in laboratory, allowing the application of the previously studied theoretical concepts to real devices. We start by looking into the electrostatic scattering regime, which is only applicable to sub-wavelength sized particles. In this regime it was found that metallic nano-spheroids can produce absorption enhancements of about two orders of magnitude on the material in their vicinity, due to their strong plasmonic resonance. The frequency of such resonance can be tuned with the shape of the particles, allowing us to match it with the optimal transition energies of the intermediate band material. Since these metallic nanoparticles (MNPs) are to be inserted inside the cell photovoltaic medium, they should be coated by a thin insulating layer to prevent electron-hole recombination at their surface. This analysis is then generalized, using an analytical separation-of-variables method implemented in Mathematica7.0, to compute scattering by spheroids of any size and material. This code allowed the study of the scattering properties of wavelengthsized particles (mesoscopic regime), and it was verified that in this regime dielectric spheroids perform better than metallic. The light intensity scattered from such dielectric spheroids can have more than two orders of magnitude than the incident intensity, and the focal region in front of the particle can be shaped in several ways by changing the particle geometry and/or material. Experimental work was also performed in this PhD to implement in practice the concepts studied in the analysis of sub-wavelength MNPs. A wet-coating method was developed to self-assemble regular arrays of colloidal MNPs on the surface of several materials, such as silicon wafers, amorphous silicon films, gallium arsenide and glass. A series of thermal and chemical tests have been performed showing what treatments the nanoparticles can withstand for their embedment in a photovoltaic medium. MNPs arrays are then inserted in an amorphous silicon medium to study the effect of their plasmonic near-field enhancement on the absorption spectrum of the material. The self-assembled arrays of MNPs constructed in these experiments inspired a new strategy for fabricating IBSCs using colloidal quantum dots (CQDs). Such CQDs can be deposited in self-assembled monolayers, using procedures similar to those developed for the patterning of colloidal MNPs. The use of CQDs to form the intermediate band presents several important practical and physical advantages relative to the conventional dots epitaxially grown by the Stranski-Krastanov method. Besides, this provides a fast and inexpensive method for patterning binary arrays of QDs and MNPs, envisioned in the theoretical part of this thesis, in which the MNPs act as antennas focusing the light in the QDs and therefore boosting their absorption

Utilización de ingredientes tradicionales y nuevos productos derivados del haba de soja en piensos de lechones blancos e ibéricos: efectos sobre la fisiología digestiva y la productividad

Los objetivos principales de esta Tesis Doctoral fueron estudiar en 4 ensayos los efectos a) del procesado del maíz y la inclusión en los piensos de ingredientes de alta calidad como harina de pescado o fuentes de lactosa en lechones blancos b) inclusión en el pienso de diferentes productos derivados del haba de soja, con diferente contenido de proteína bruta (PB), tamaño de partícula y origen en lechones blancos e ibéricos y c) inclusión en el pienso de lechones ibéricos de ingredientes de alta calidad; forma de presentación del pienso y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos, la digestibilidad de los nutrientes, y las características morfológicas de la mucosa digestiva en lechones blancos e ibéricos recién destetados. En el experimento 1, los efectos de la complejidad del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la digestibilidad total aparente (TTAD) de los nutrientes fueron estudiados en lechones blancos recién destetados. Se utilizaron 10 tratamientos experimentales como resultado de 5 piensos prestárter (21 a 41 d de edad) y 2 piensos estárter (42 a 62 d de edad). Los piensos prestárter consistieron en un control negativo que incluía 40% de maíz crudo, 4% de harina de pescado y 7% de lactosa, un control positivo que incluía 40% de maíz cocido, 10% de harina de pescado, y 14% de lactosa, y 3 piensos adicionales con similares ingredientes que el pienso control positivo pero en los que a) 40% de maíz cocido fue sustituido por el mismo porcentaje de maíz crudo, b) se redujo el nivel de harina de pescado del 10 al 4%, y c) se redujo el nivel de lactosa del 14 al 7%. Cada tratamiento se replicó 6 veces (6 lechones/departamento). De 42 a 62 d de edad, la mitad de cada uno de los 5 piensos prestárter recibió un pienso estándar compuesto por harina de soja- maíz crudo y manteca y la otra mitad un pienso con similar perfil nutricional pero incluyendo un 20% de maíz cocido, 5% de harina de pescado, 1.3% de lactosa, 2% de concentrado de proteína de soja obtenido por fermentación y 1% de aceite de soja en lugar de harina de soja, maíz sin procesar y manteca. La complejidad del pienso no afectó a los parámetros productivos en ninguno de los periodos estudiados, pero el índice de diarreas durante la fase prestárter fue mayor en los lechones que recibieron el pienso control negativo que en los alimentados con cualquiera de los otros piensos (P<0.05). A los 30 días de edad (piensos prestárter), la digestibilidad de la materia orgánica (MO) y de la energía bruta (EB) fue menor (P<0.001) en los lechones que consumieron el pienso control negativo que en los lechones que consumieron cualquiera de los otros piensos. Sin embrago, la digestibilidad fecal de la PB no fue afectada. A los 50 días de edad (piensos estárter), la digestibilidad de los nutrientes fue similar en ambos piesnsos. Se concluye que la utilización de niveles elevados de ingredientes de alta calidad en los piensos no mejora los parámetros productivos de los lechones blancos en ninguno de los períodos estudiados. De 21 a 41 días de edad, el índice de diarreas se redujo y la digestibilidad de los nutrientes aumentó con la utilización de piensos de mayor calidad. Por lo tanto, la utilización de piensos con niveles elevados de ingredientes de calidad para reducir problemas digestivos y por lo tanto, mejorar los parámetros productivos podría estar justificada en algunos casos. En el experimento 2, se estudiaron los efectos de la inclusión en el pienso de harina de soja con diferente contenido de PB (44 vs. 49 % PB), la micronización de la harina de soja de alta proteína (AP-HS; 49% PB) y la utilización de concentrado de proteína de soja (CPS; 65% PB) sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones blancos recién destetados de 28 a 63 días de edad. De 28 a 49 días de edad (fase I), hubo un pienso control positivo con un 10% de CPS, un pienso control negativo con 14.8% de harina de soja estándar (R-HS; 44% de PB) y otros 4 piensos que incluían 13.3% de AP-HS de origen Americano (USA) o Argentino (ARG) y molidas groseramente (980 μm) o micronizadas (80 μm). Cada tratamiento se replicó 8 veces (6 lechones/departamento). De 49 a 63 días de edad (fase II), todos los lechones recibieron un pienso comercial común en forma de harina. En el global de la fase I, el tratamiento experimental no afectó a ninguno de los parámetros productivos estudiados. Sin embargo, de 28 a 35 días de edad, los lechones alimentados con AP-HS micronizadas tuvieron un mejor índice de conversión (IC; 1.11 vs. 0.98; P<0.05) que los alimentados con AP-HS molidas groseramente. También, de 35 a 42 días de edad, los lechones que recibieron el pienso con AP-HS micronizada tendieron (P=0.08) a consumir más pienso que los lechones que consumieron el pienso con AP-HS molida. Durante la fase II (49 a 63 días de edad), cuando todos los lechones recibieron un pienso común, no se observaron diferencias en productividad de los lechones debido al tratamiento previo. En general, la digestibilidad de los nutrientes a los 35 días de edad fue mayor para los lechones que consumieron CPS que para los lechones que consumieron R-HS con los lechones que consumieron AP-HS en una posición intermedia. La digestibilidad de la PB fue mayor (P≤0.01) para el pienso que contenía CPS que para el promedio de los 5 tratamientos en base a HS. También, la digestibilidad de la MO y de la materia seca (MS) fue mayor para el pienso que contenía AP-HS micronizada o molida groseramente que para el pienso que contenía R-HS. La micronización de la AP-HS no tuvo efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. Se concluye que cuando el CPS sustituye en el pienso a R-HS, la digestibilidad de la PB aumenta pero no tiene efecto alguno sobre los parámetros productivos. La utilización de AP-HS en sustitución de R-HS en el pienso mejora la digestibilidad de los nutrientes pero no afecta a los parámetros productivos. La utilización de harina de soja micronizada en los piensos mejora la eficiencia alimenticia durante la primera semana post-destete pero no tiene efecto alguno sobre la digestibilidad de los nutrientes. En general, la inclusión de productos derivados del haba de soja con un alto valor añadido (CPS o AP-HS) en el pienso presenta pocas ventajas en términos productivos al uso de AP-HS en lechones blancos recién destetados. En el experimento 3, se estudiaron los mismos productos de soja y piensos similares al experimento 2 en lechones ibéricos recién destetados. Además de los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes, en este ensayo se estudió también la digestibilidad ileal aparente (AID) de los nutrientes, así como las características histológicas y morfometría de la mucosa ileal. Cada uno de los 6 tratamientos fue replicado 6 veces (6 lechones/departamento). De 30 a 51 días de edad la fuente de harina de soja no afectó a los parámetros productivos, pero el índice de diarreas fue mayor (P<0.001) y la TTAD y AID de los nutrientes menor en los lechones alimentados con R-HS que en los alimentados con CPS o AP-HS. Sin embargo, no se encontró ninguna diferencia para éstos parámetros entre los piensos que contenían AP-HS y CPS. La TTAD de la MO (P=0.07) y de la EB (P=0.05) tendieron a ser mayores en los piensos basados en AP-HS micronizada que en los basados en AP-HS molida. La TTAD de la EB tendió (P<0.05) a ser mayor para la AP-HS de origen USA que para la AP-HS de origen ARG. Los lechones que consumieron R-HS presentaron villi de menor longitud (P<0.01) que los lechones que consumieron AP-HS o CPS, pero no se observaron diferencias en el caso de los lechones que recibieron los piensos que contenían AP-HS o CPS. Se concluye que la inclusión de AP-HS o CPS en el pienso en sustitución de R-HS reduce el índice de diarreas y mejora la digestibilidad de los nutrientes y las características morfológicas del íleon sin afectar a los parámetros productivos. La utilización de piensos basados en productos derivados del haba de soja con mayor valor añadido (CPS o AP-HS) en sustitución de la R-HS, mejora la TTAD de todos los nutrientes y reduce el índice de diarreas si llegar afectar a los parámetros productivos. En el experimento 4 se estudiaron los efectos del contenido de PB y la complejidad del pienso, la presentación física y la duración del suministro del pienso prestárter sobre los parámetros productivos y la TTAD de los nutrientes en lechones ibéricos recién destetados de 28 a 63 días de edad. Hubo 12 tratamientos experimentales con 2 tipos de pienso (AC; calidad alta y BC: calidad media), 2 presentaciones del pienso (gránulo y harina) y 3 duraciones de suministro del pienso prestárter (7, 14 y 21 días). Desde los 7, 14 y 21 días de experimento (dependiendo del tratamiento), hasta los 35 días, todos los lechones recibieron un pienso comercial en forma de harina. Cada uno de los tratamientos fue replicado 3 veces (6 lechones/departamento). En el global del experimento, la ganancia media diaria (GMD; P<0.05) y el consumo medio diario (CMD; P<0.01) fue menor en los lechones que recibieron el pienso AC que para los que recibieron el pienso de BC, si bien el IC no se vio afectado. La granulación del pienso prestárter no afectó a los crecimientos pero mejoró la eficiencia alimenticia. La utilización del pienso prestárter de 0 a 21 días de prueba mejoró el IC (P<0.05), pero redujo la GMD (P<0.01) en comparación con la utilización de éste pienso solo durante 7 o 14 días. El índice de diarreas tendió a ser mayor (P=0.06) en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con los piensos BC. Asimismo, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso en gránulo que los que los recibieron en harina (P<0.001). Además, el índice de diarreas fue superior en los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 14 o 21 días que en los que lo recibieron solo durante 7 días (P<0.01). De 28 a 49 días de edad, la GMD y el IC no se vieron afectados por la complejidad del pienso, pero la presentación en gránulo o el aumento en la duración de suministro del pienso prestárter mejoró el IC (P<0.01). También, en este periodo el índice de diarreas fue mayor en lechones alimentados con piensos granulados que aquellos alimentados con piensos en harina. Asimismo, fue superior para los lechones alimentados con el pienso prestárter durante 14 o 21 días que para los que recibieron éste pienso solo durante 7 días (P<0.01). De 49 a 63 días de edad, los lechones que previamente habían recibido piensos BC crecieron más que los que recibieron piensos AC (P<0.001). Asimismo, los lechones que recibieron el pienso prestárter durante 21 días comieron (P< 0.001) y crecieron menos (P<0.05) presentando una peor eficacia alimenticia (P<0.05) que los lechones que lo recibieron solo durante 7 14 días. La digestibilidad de la MO fue mayor en los lechones alimentados con los piensos AC que en los alimentados con piensos BC (P<0.05). La granulación del pienso mejoró la digestibilidad de los principales nutrientes. Los piensos prestárter AC mejoraron la digestibilidad de los nutrientes pero no la eficiencia alimenticia en lechones ibéricos de 28 a 63 días de edad. La granulación del pienso mejoró la eficiencia alimenticia. El aumento del suministro del pienso prestárter de 7 a 21 días mejoró la eficiencia alimenticia pero redujo la GMD. Por lo tanto, la utilización de piensos granulados de alta calidad durante el periodo prestárter es recomendable en lechones ibéricos, pero solo durante la primera semana post-destete. ABSTRACT The main objectives of this PhD Thesis were to study the effects of a) heat processing (HP) of corn and inclusion of high quality ingredients of animal origin such as fish meal (FM) and dried milk products in the diet, b) inclusion of different soy products varying in crude protein (CP) content, particle size, and origin of the beans in diets for conventional white and Iberian weanling pigs, and c) effects of ingredient quality, feed form, and duration of supply of the phase I diets on growth performance, nutrient digestibility, and intestinal morphology of weanling pigs. In experiment 1, the effect of diet complexity on total tract apparent digestibility (TTAD) and growth performance was studied in piglets from 21 to 62 d of age. There were 10 experimental treatments which resulted from the combination of 5 phase I (21 to 41 d of age) and 2 phase II (42 to 62 d of age) diets. The 5 phase I diets consisted of a negative control diet that contained 40 % raw corn, 4% FM, and 7% lactose (LAC); a positive control diet that contained 40 % HP corn, 10% FM, and 14% LAC, and 3 extra diets that used similar ingredients to those of the positive control diet but in which a) 40% of HP corn was substituted by raw corn, b) 4% FM rather than 10% FM, and c) 7% LAC instead of 14% LAC were included in the diet. Each treatment was replicated 6 times (6 pigs per pen). From 42 to 62 d of age, half of the pens of each of the 5 phase I treatments received a standard soybean meal (SBM)–native corn–lard diet wheras the other half received a diet with similar nutrient profile but that included 20% HP corn, 5% FM, 1.3% lactosa, 2% fermented soy protein concentrate, and 1% soybean oil in substitution of variables amounts of non-processed corn, SBM, and lard. Dietary treatment did not affect piglet performance at any age, but the incidence of post-weaning diarrhea (PWD) was higher during phase I in piglets fed the negative control diet than in piglets fed any of the other diets (P<0.05). At 30 d of age (phase I diets), the TTAD of organic matter (OM) and gross energy (GE) was lower (P<0.001) in pigs fed the negative control diet than in pigs fed the other diets but CP digestibility was not affected. At 50 d of age (phase II diets), dietary treatment did not affect TTAD of any dietary component. It is concluded that the use of high quality ingredients at high levels in the diet did not improve growth performance of piglets at any age. From 21 to 41 d of age, PWD was reduced and nutrient digestibility was increased in pigs fed the more complex diets. Consequently, the inclusion of high levels of high quality ingredients in piglet diets to maximize growth performance might not be justified under all circumstances In experiment 2, the effect of CP content (44 vs. 49 % CP) of SBM, micronization (fine grinding) of the high CP SBM (HP-SBM; 49% CP), and soy protein concentrate (SPC; 65% CP) on TTAD and growth performance was studied in conventional white piglets from 28 to 63 d of age. From 28 to 49 d of age (phase I), there was a positive control diet that included 6.5% CP from SPC and a negative control diet that supplied the same amount of CP as regular SBM (R-SBM; 44% CP) of Argentina (ARG) origin. The other 4 diets included the same amount of dietary CP from 2 sources of HP-SBM (USA or ARG origin), either ground (990 μm) or micronized (60 μm). Each treatment was replicated 8 times (6 pigs per pen). From 49 to 63 d of age (phase II), all pigs were fed a common commercial starter diet. For the entire phase I, type of soy product included in the diet did not affect growth performance of the pigs. However, from 28 to 35 d of age pigs fed the micronized HP-SBM had better feed conversion ratio (FCR; 0.90 vs. 1.01; P<0.05) than pigs fed the ground HP-SBM. Also, from 35 to 42 d of age, average daily feed intake (ADFI) tended to be higher (P=0.08) for pigs fed the micronized HP-SBM than for pigs fed the ground HP-SBM. During phase II, when all the pigs received the same diet, no differences among treatments were observed. In general, the TTAD of nutrients at 35 d of age was higher for the SPC than for the R-SBM diet with the HP-SBM diets being intermediate. The TTAD of CP was higher (83.8% vs. 81.9%; P≤0.01) for the SPC diet than for the average of 5 SBM containing diets. Also, the digestibility of OM and dry matter (DM) was higher (P<0.01) for the HP-SBM, either ground or micronized, than for the R-SBM diet. Micronization of the HP-SBM did not affect nutrient digestibility. It is concluded that when R-SBM was substituted by SPC, CP digestibility was improved but no effects on growth performance were observed. The use of HP-SBM in substitution of R-SBM in the diet improved nutrient digestibility but did not affect piglet performance. The inclusion of micronized HP-SBM in the diet improved FCR during the first week post-weaning but did not affect TTAD of nutrients. Therefore, the inclusion of added value soy products (SPC or micronized SBM) in the diet presents little advantage in terms of growth performance over the use of HP-SBM in pigs weaned at 28 d of age. In experiment 3, the effects of the same sources of soy protein used in experiment 2 on TTAD and growth performance of crossbreed Iberian pigs from 30 to 61 d of age were studied. In addition, the apparent ileal digestibility (AID) of nutrients and mucosa ileum morphology were also determined. Dietary treatment did not affect growth performance of the pigs at any age but from 30 to 51 d of age (phase I diets), PWD was higher (P<0.001) and the TTAD and AID of all nutrients were lower for pigs fed the R-SBM diet than for pigs fed the HP-SBM or the SPC diets. However, no differences between the HP-SBM and the SPC containing diets were detected for digestibility of any dietary component. The TTAD of OM (P=0.07) and GE (P=0.05) tended to be higher for the micronized HP-SBM than for the ground HP-SBM and that of GE was higher (P<0.05) for the USA meal than for the ARG meal. Pigs fed R-SBM had lower villus height (P<0.01) than pigs fed HP-SBM or SPC but no differences in ileal mucosal morphology were detected between SPC and HP-SBM containing diets. It is concluded that feeding the HP-SBM or SPC in substitution of R-SBM reduced PWD and improved nutrient digestibility and ileal morphology in piglets as compared with feeding the R-SBM, but had no effect on growth performance. The inclusion in the diet of added value soy products (micronized SBM or SPC) in substitution of the R-SBM increased the TTAD of all nutrients and reduced PWD but had no advantage in terms of growth performance over the use of ground HP-SBM. In experiment 4, the effect of CP content and ingredient complexity, feed form, and duration of feeding of the phase I diets on growth performance and TTAD of nutrients were studied in Iberian pigs from 28 to 63 d of age. There were 12 dietary treatments with 2 type of feeds (HQ; higher quality and LQ; medium quality), 2 feed forms (pellets vs. mash), and 3 durations of supply (7, 14, and 21 d) of the phase I diets. From d 7, 14, or 21 (depending on treatment) to d 35 of experiment, all pigs received a common diet in mash form. Each treatment was replicated 3 times (6 pigs/pen). For the entire experiment, average daily gain (ADG; P<0.05) and ADFI (P<0.01) were lower with the HQ than with the LQ phase I diets but FCR was not affected. Pelleting of the phase I diets did not affect ADG but improved FCR (P<0.01). Feeding the phase I diets from d 0 to 21 improved FCR (P<0.05) but decreased ADG (P<0.01) as compared with 7 or 14 d of feeding. Post-weaning diarrhea tended to be higher (P=0.06) for pigs fed the HQ diets than for pigs fed the LQ diets and for pigs fed pellets than for pigs fed mash (P<0.001). Also, PWD was higher for pigs fed the phase I diet for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for 7 d (P<0.01). From d 0 to 21, ADG and FCR were not affected by feed quality but feeding pellets or increasing the duration of feeding the phase I diets improved FCR (P<0.01). Also, in this period PWD was higher with pellets than with mash and for pigs fed the phase I diets for 14 or 21 d than for pigs fed this diet for only 7 d (P<0.01). From d 21 to 35, pigs previously fed the LQ diet had higher ADG than pigs fed the HQ phase I diets (P<0.001). Also, pigs that were fed the phase I diets for 21 d had lower ADG (P<0.05) and ADFI (P< 0.001) and poor FCR (P<0.05) than pigs fed these diets for 7 or 14 d. Organic matter digestibility was higher for pigs fed the HQ phase I diets than for pigs fed the LQ phase I diets (P<0.05). Pelleting improved TTAD of all nutrients (P<0.01). It is concluded that HQ phase I diets increased TTAD of nutrients but not feed efficiency of Iberian pigs from d 28 to 63 d of age. Also, pelleting improved nutrient digestibility and feed efficiency. Increasing the duration of supply of the phase I diets from 7 to 21 d improved feed efficiency but reduced ADG. Therefore, the use of LQ phase I diets in pellet form for no more than 7 d after weaning is recommended in Iberian pigs.