Extended Triple-Junction Solar Cell 3D Distributed Model: Application to Chromatic Aberration-Related Losses

An extended 3D distributed model based on distributed circuit units for the simulation of triple‐junction solar cells under realistic conditions for the light distribution has been developed. A special emphasis has been put in the capability of the model to accurately account for current mismatch and chromatic aberration effects. This model has been validated, as shown by the good agreement between experimental and simulation results, for different light spot characteristics including spectral mismatch and irradiance non‐uniformities. This model is then used for the prediction of the performance of a triple‐junction solar cell for a light spot corresponding to a real optical architecture in order to illustrate its suitability in assisting concentrator system analysis and design process.

Analysis of Chromatic Aberration Effects in Triple-Junction Solar Cells Using Advanced Distributed Models

The consideration of real operating conditions for the design and optimization of a multijunction solar cell receiver-concentrator assembly is indispensable. Such a requirement involves the need for suitable modeling and simulation tools in order to complement the experimental work and circumvent its well-known burdens and restrictions. Three-dimensional distributed models have been demonstrated in the past to be a powerful choice for the analysis of distributed phenomena in single- and dual-junction solar cells, as well as for the design of strategies to minimize the solar cell losses when operating under high concentrations. In this paper, we present the application of these models for the analysis of triple-junction solar cells under real operating conditions. The impact of different chromatic aberration profiles on the short-circuit current of triple-junction solar cells is analyzed in detail using the developed distributed model. Current spreading conditions the impact of a given chromatic aberration profile on the solar cell I-V curve. The focus is put on determining the role of current spreading in the connection between photocurrent profile, subcell voltage and current, and semiconductor layers sheet resistance.

Triple-junction solar cell performance under Fresnel-based concentrators taking into account chromatic aberration and off-axis operation

Concentration photovoltaic (CPV) systems might produce quite uneven irradiance distributions (both on their level and on their spectral distribution) on the solar cell. This effect can be even more evident when the CPV system is slightly off-axis, since they are often designed to assure good uniformity only at normal incidence. The non-uniformities both in absolute irradiance and spectral content produced by the CPV systems, can originate electrical losses in multi-junction solar cells (MJSC). This works is focused on the integration of ray-tracing methods for simulating the irradiance and spectrum maps produced by different optic systems throughout the solar cell surface, with a 3D fully distributed circuit model which simulates the electrical behavior of a state-of-the-art triple-junction solar cell under the different light distributions obtained with ray-tracing. In this study four different CPV system (SILO, XTP, RTP, and FK) comprising Fresnel lenses concentrating sunlight onto the same solar cell are modeled when working on-axis and 0.6 degrees off-axis. In this study the impact of non-uniformities on a CPV system behavior is revealed. The FK outperforms other Fresnel-based CPV systems in both on-axis and off-axis conditions.

Experimental confirmation of FK concentrator insensitivity to chromatic aberrations

The FK concentrator has demonstrated during the last years that compares very well with other Fresnel-based concentrator optics for CPV. There are several features that provide the FK high performance: (1) high optical efficiency; (2) large tolerance to tracking misalignment and manufacturing errors, thanks to a high CAP (Concentration-Acceptance Product); (3) good irradiance uniformity and low chromatic dispersion on the cell surface. Non-uniformities in terms of absolute irradiance and spectral content produced by conventional CPV systems can originate electrical losses in multi-junction (MJ) solar cells. The aim of this work is to analyze the influence of these non-uniformities in the FK concentrator performance and how FK concentrator provides high electrical efficiencies thanks to its insensitivity to chromatic aberrations, especially when components move away from the module nominal position due to manufacturing misalignments. This analysis has been done here by means of both, experimental on-sun measurements and simulations based on 3D fully distributed circuit model for MJ cells.

Analysis of the behavior of multijunction solar cells under high irradiance Gaussian light profiles showing chromatic aberration with emphasis on tunnel junction performance

In this work, we explain the behavior of multijunction solar cells under non-uniform (spatially and in spectral content) light profiles in general and in particular when Gaussian light profiles cause a photo-generated current density, which exceeds locally the peak current density of the tunnel junction. We have analyzed the implications on the tunnel junction's limitation, that is, in the loss of efficiency due to the appearance of a dip in the I–V curve. For that, we have carried out simulations with our three-dimensional distributed model for multijunction solar cells, which contemplates a full description of the tunnel junction and also takes into account the lateral resistances in the tunnel junction. The main findings are that the current density photo-generated spreads out through the lateral resistances of the device, mainly through the tunnel junction layers and the back contact. Therefore, under non-uniform light profiles these resistances are determinant not only to avoid the tunnel junction's limitation but also for mitigating losses in the fill factor. Therefore, taking into account these lateral resistances could be the key for jointly optimizing the concentrator photovoltaic system (concentrator optics, front grid layout and semiconductor structure)

Fabrication of sub-100 nm IDT SAW devices on insulating, semiconducting and conductive substrates

This work describes the electron-beam (e-beam) lithography process developed to manufacture nano interdigital transducers (IDTs) to be used in high frequency (GHz) surface acoustic wave (SAW) applications. The combination of electron-beam (e-beam) lithography and lift-off process is shown to be effective in fabricating well-defined IDT finger patterns with a line width below 100 nm with a good yield. Working with insulating piezoelectric substrates brings about e-beam deflection. It is also shown how a very thin organic anti-static layer works well in avoiding this charge accumulation during e-beam lithography on the resist layer. However, the use of this anti-static layer is not required with the insulating piezoelectric layer laying on a semiconducting substrate such as highly doped silicon. The effect of the e-beam dose on a number of different layers (of insulating, insulating on semiconducting, semiconducting, and conductive natures) is provided. Among other advantages, the use of reduced e-beam doses increases the manufacturing time. The principal aim of this work is to explain the interrelation among e-beam dose, substrate nature and IDT structure. An extensive study of the e-beam lithography of long IDT-fingers is provided, in a wide variety of electrode widths, electrode numbers and electrode pitches. It is worthy to highlight that this work shows the influence of the e-beam dose on five substrates of different conductive nature

Optimización de los procesos de medida e interpretación de la tomografía geoeléctrica en la prospección superficial

Debido al carácter innovador de los objetivos científico-tecnológicos planteados al inicio de la presente Tesis doctoral, además de la primera recopilación bibliográfica, a lo largo del desarrollo de la misma se ha realizado una actualización bibliográfica continua centrada en los desarrollos relativos a la instrumentación, las aplicaciones y los procesos de interpretación de las técnicas de tomografía eléctrica. Durante el desarrollo del presente trabajo, se han realizado una serie de campañas diferenciadas, tanto por los ambientes geológicos y las condiciones antrópicas en los que se han efectuado los perfiles geoeléctricos, como por la profundidad y los objetivos de la prospección. En esas campañas se han obtenido, mediante el programa Res2DInv, las secciones tomográficas con la configuración de variables por defecto y se ha realizado una interpretación estructural de las mismas. Como parte central del desarrollo de esta investigación se han efectuado varios procesos de optimización: Comparación y optimización de los dispositivos empleados para la medición de perfiles de resistividad de cara a la obtención de secciones tomográficas que presenten la mayor resolución en distintos ambientes geológicos. Selección de los rangos de representación (lineales y logarítmicos) y de la gradación cromática que, pudiendo adoptarse de forma generalizada, permita la mejor interpretación gráfica para usuarios no avanzados. Diseño de criterios para la selección del factor de amortiguamiento, como parámetro crítico en los procesos de inversión tomográfica de perfiles geoeléctricos de superficie, de forma que los modelos resultantes alcancen la mejor relación entre fiabilidad y error respecto a los valores medidos. Paralelamente a los procesos anteriores se ha definido un índice de calidad de la inversión, que es directamente normalizado y que permite evaluar el grado en el que pueden considerarse fiables tanto los valores de resistividad obtenidos como su distribución espacial. El índice desarrollado (IRI) está basado en la influencia que tiene la resistividad inicial del modelo de inversión en los valores de cada una de las celdas de la malla de inversión. Tras un exhaustivo análisis estadístico se ha verificado que, a diferencia de otros índices utilizados hasta la fecha, dicho índice no está afectado ni por la profundidad de investigación y la resolución de los dispositivos, ni por la distribución de resistividades que presente el subsuelo. ABSTRACT Due to the innovative character of the scientific and technological objectives proposed at the beginning of this thesis, in addition to preparatory bibliographic reference, a constant bibliographic update on developments related to instrumentation, applications and interpretation processes for electric tomography has been performed all through the development of the work. Several measuring campaigns were performed during the development of the thesis. These campaigns, in which the geoelectric profiles were measured, varied in several aspects, both in the geological and anthropic conditions, and also in the depth and objectives of the prospection. Tomographic sections were obtained and interpretated by making use of the Res2DInv software configured with the default variables. As part of the core development in this research, several optimization processes have been done: Comparison and optimization of the devices used in the measurement of resistivity profiles. This optimization allows increasing the resolution of tomographic sections in different geological conditions. Selection of the best visual representation for the tomographic sections. This involves the selection of the range of values and type of scale (linear vs. logarithmic) as well as the chromatic graduation. This selection allows improving the interpretation of tomographic sections for the non-expert eye. Devising of criteria for the selection of the damping factor, as the critical parameter in processes of tomographic inversion of superficial geoelectrical profiles. The use of these criteria allows selecting the best factors to obtain the best ratio between reliability and error (in relation to the mean values) for the resulting model. In addition to the aforementioned processes, and as part of the work within this thesis, it has been defined a normalized quality index for inversion. This index allows evaluating the degree of reliability of the obtained resistivity values and spatial distribution. The developed index, termed IRI in the thesis, is based on the influence shown by the initial resistivity of the inversion model on the values of each of the cells of the inversion mesh. After an exhaustive statistical analysis it was verified that the IRI index is neither affected by the investigation depth, nor the resolution of the devices, nor the resistivity’s distribution of the sub soil. This independency is a unique characteristic of the IRI index, not present in other indexes developed and used till date.

La luz natural como generadora del espacio arquitectónico de la catedral gótica

La historia de la construcción de las catedrales góticas es la historia de la búsqueda de la luz. Esta afirmación casi metafísica, recoge una realidad asumida por todos los historiadores tanto de la arquitectura antigua como del resto de las artes. La luz en el gótico ha sido descrita bajo múltiples matices como son su carácter simbólico, cromático e incluso místico, sin embargo no existe, en el estudio del conocimiento de la luz gótica, ninguna referencia a la misma como realidad física cuantificable, cualificable y por tanto, clasificable. La presente tesis doctoral aborda el concepto de la iluminación gótica desde una perspectiva nueva. Demuestra, con un método analítico inédito, que la iluminación gótica es cuantificable y cualificable. Para ello analiza en profundidad la iluminación de una selección de 6 edificios muestra, las catedrales de Gerona, Toledo, Sevilla y León, la basílica de Santa María del Mar y la capilla de la Sainte Chapelle de París, mediante una toma de datos “in situ” de iluminación y su comparación con los datos lumínicos obtenidos por un programa de soleamiento de la simulación en tres dimensiones de los distintos proyectos originales góticos. El análisis exhaustivo de las muestras y su introducción en el método analítico descrito, permite determinar, en primer lugar, unas cualidades inéditas que identifican la luz de los espacios góticos según unos parámetros nuevos como son la intensidad, expresividad, recorrido, distorsión y color. También describe cuales son los factores determinantes, de nuevo inéditos, que modulan cada una de las cualidades y en que proporción lo hacen cada uno de ellos. Una vez establecidas las cualidades y los factores que las definen, la tesis doctoral establece los rangos en los que se mueven las distintas cualidades y que conformarán la definitiva clasificación según “tipos de cualidad lumínica”. Adicionalmente, la tesis propone un procedimiento abreviado de acercamiento a la realidad de la iluminación gótica a través de unas fórmulas matemáticas que relacionan los factores geométricos detectados y descritos en la tesis con el resultado luminoso del espacio en lo que concierne a las dos cualidades más importantes de las reflejadas, la intensidad y la expresividad. Gracias a este método y su procedimiento abreviado, la clasificación se hace extensible al resto de catedrales góticas del panorama español y europeo y abre el camino a nuevas clasificaciones de edificios históricos de distintas épocas, iniciando un apasionante camino por recorrer en la recuperación de “la luz original”. Esta clasificación y sus cualidades podrán a su vez, ser utilizadas como herramientas de conocimiento de un factor determinante a la hora de describir cualquier espacio gótico y su aportación pretende ser un nuevo condicionante a tener en cuenta en el futuro, ayudando a entender y respetar, en las posibles intervenciones a realizar sobre el patrimonio arquitectónico, aquello que fue en su inicio motor principal del proyecto arquitectónico y que hoy día no se valora suficientemente tan solo por falta de conocimiento: su luz. The history of the construction of the Gothic cathedrals is the history of the search for light. This almost etaphysical statement reflects a reality accepted by all historians both of ancient architecture and other arts. Light in the Gothic period has been described under multiple approaches such as its symbolic, chromatic and even mystical character. However, in the study of the Gothic light, no references exist to it as a physical quantifiable and qualifiable reality and therefore, classifiable. This dissertation deals with the concept of Gothic light from a new perspective. With a new analytical method, it shows that Gothic lighting is quantifiable and can be classified regarding quality. To this end, a selection of 6 buildings light samples are analyzed; the cathedrals of Gerona, Toledo, Seville and León, the basilica of Santa María of the Sea and the Sainte Chapelle in Paris. "In situ" lighting data is collected and it is compared with lighting data obtained by a program of sunlight of the 3D simulation of various Gothic original projects. The comprehensive analysis of the samples and the data introduced in the analytical method described, allows determining, first, important qualities that identify the light of Gothic spaces according to new parameters such as intensity, expressiveness, trajectory, distortion and color. It also describes the determinant factors, which modulate each of the qualities and in what proportion they do it. Once the qualities and factors that define them have been established, in this doctoral dissertation the ranges regarding different qualities are set, which will make up the final classification according to "types of light quality". In addition, this work proposes an abbreviated procedure approach to the reality of the Gothic lighting through some mathematical formulae, relating the geometric factors identified and described in the study with the bright result of space regarding the two most important qualities of the light,intensity and expressiveness. Thanks to this method and to the abbreviated procedure, the classification can be applied to other Spanish and European Gothic cathedrals and opens up the way to new classifications of historic buildings from different eras, starting an exciting road ahead in the recovery of the "original light". This classification and its qualities may in turn be used as tools to know a determinant factor when describing any Gothic space. Its contribution is intended to be a new conditioning factor to keep in mind in the future, helping to understand and respect, in possible interventions on the architectural heritage, what was the main engine to start the architectural project and which today is not valued enough due to the lack knowledge: the light.

Influencias de los barnices incoloros en las propiedades superficiales de las maderas de construcción

En esta Tesis se cuantifica la variación cromática que producen los barnices en el color de los diferentes tipos de maderas de construcción, obteniendo un modelo matemático de predicción de color de la madera. Se analizan las prestaciones de dieciséis barnices, supuestamente incoloros, aplicados sobre veinte tipos de maderas, angiospermas y gimnospermas, de distintas densidades y latitudes. Ambos materiales son de uso frecuente en el ámbito de la construcción y de fácil localización en las tiendas y almacenes de ambos sectores. Se utilizan técnicas de descomposición cromática, mediante el empleo de microscopio óptico de reflexión, para poder obtener un abanico gráfico de histogramas con valores numéricos de luminosidad y composición cromática, y de esta forma comprobar que los supuestos barnices que se venden como incoloros, no son totalmente incoloros sino que muestran tendencias a virar hacia alguno de los colores básicos. En el proceso experimental de la Tesis, se aplican 16 barnices sobre 20 tipos de maderas, obteniéndose los histogramas de las campañas de fotografías realizadas con cinco años de diferencia, obteniéndose no solo la variación de color que producen los barnices sobre el original de la madera, sino además la influencia de un envejecimiento a los cinco años. La Tesis relaciona el tipo de barniz idóneo para cada tipo de madera, de modo que produzca la menor variación cromática. La Tesis además obtiene un modelo matemático que permite predecir el color final de la madera tratada en función del color inicial de la madera sin barnizar. Se propone en esta Tesis una recomendación de los productos a utilizar en cada uno de los tipos de madera en base a su color inicial. This Thesis quantifies the chromatic variation caused by varnishes in the colour of different types of timbers, obtaining a mathematical model for predicting the timber’s colour. The performance of sixteen varnishes, supposedly colourless, is analysed, applied on twenty types of timber, angiosperms and gymnosperms, of different densities and latitudes. Both materials are of frequent use in the construction field and easily located in the stores and warehouses of both sectors. Chromatic decomposition techniques are used, through the utilization of a reflection optical microscope, in order to obtain a graphic range of histograms with numerical values of luminosity and chromatic composition, and this way confirm that the alleged varnishes sold as colourless are not completely colourless but are prone to shift towards one of the basic colours. During the Thesis’ experimental procedure 16 varnishes are applied on 20 types of timber, obtaining the colour histograms of the photography campaigns carried out with a five years difference, resulting in not only the colour variation caused by the varnishes on the original timber, but also the influence of its ageing five years later. The Thesis links the right type of varnish for each kind of timber, so that as little chromatic variation as possible occurs. The Thesis obtains as well a mathematical model, which makes it possible to predict the final colour of the treated timber depending on the original colour of the timber with no varnish. This Thesis proposes a recommendation of the products to use on each type of timber on the basis of its original colour.

Bandlimited Airy Pulses for Invariant Propagation in Single-Mode Fibers

By spectral analysis, and using joint time-frequency representations, we present the theoretical basis to design invariant bandlimited Airy pulses with an arbitrary degree of robustness and an arbitrary range of single-mode fiber chromatic dispersion. The numerically simulated examples confirm the theoretically predicted pulse partial invariance in the propagation of the pulse in the fiber.

Structural challenges in multijunction solar cells for ultra-high CPV

The paths towards high efficiency multijunction solar cells operating inside real concentrators at ultra high concentration (>1000 suns) are described. The key addressed factors comprehend: 1) the development of an optimized tunnel junction with a high peak current density (240 A/cm2) to mitigate the non-uniform light profiles created by concentrators, 2) the inclusion of highly conductive semiconductor lateral layers to minimize the effects of the non-uniform light profiles in general, and the chromatic aberration in particular; and 3) an adequate design of reliability studies to test multijunction solar cells for real operation conditions in order to determine the fragile parts in the device and improve them. These challenges are faced by means of experimental and theoretical investigation using a quasi-3D distributed circuital model.

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

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

Digital Coherent Receivers and Advanced Optical Modulation Formats in 100 and 200 Gb/s DWDM Systems

Recent advances in coherent optical receivers is reviewed. Digital-Signal-Processing (DSP) based phase and polarization management techniques make coherent detection robust and feasible. With coherent detection, the complex field of the received optical signal is fully recovered, allowing compensation of linear and nonlinear optical impairments including chromatic dispersion (CD) and polarization-mode dispersion (PMD) using digital filters. Coherent detection and advanced optical modulation formats have become a key ingredient to the design of modern dense wavelength-division multiplexed (DWDM) optical broadband networks. In this paper, firstly we present the different subsystems of a digital coherent optical receiver, and secondly, we will compare the performance of some multi-level and multi-dimensional modulation formats in some physical impairments and in high spectral-efficiency (SE) and high-capacity DWDM transmissions, simulating the DSP with Matlab and the optical network performance with OptiSystem software.

Pulse-Shape Analysis of PDM-QPSK Modulation Formats for 100 and 200 Gb/s DWDM transmissions

Advanced optical modulation format polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) has become a key ingredient in the design of 100 and 200-Gb/s dense wavelength-division multiplexed (DWDM) networks. The performance of this format varies according to the shape of the pulses employed by the optical carrier: non-return to zero (NRZ), return to zero (RZ) or carrier-suppressed return to zero (CSRZ). In this paper we analyze the tolerance of PDM-QPSK to linear and nonlinear optical impairments: amplified spontaneous emission (ASE) noise, crosstalk, distortion by optical filtering, chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD) and fiber Kerr nonlinearities. RZ formats with a low duty cycle value reduce pulse-to-pulse interaction obtaining a higher tolerance to CD, PMD and intrachannel nonlinearities.

Estudio de la fiabilidad de diodos LEDs rojos mediante ensayos acelerados

El objetivo de este Proyecto Final de Carrera es la realización de un ensayo de fiabilidad de componentes electrónicos, más concretamente de diodos LED, con el fin de estudiar su comportamiento a lo largo del tiempo de vida. Debido a la larga duración de los LEDs, un ensayo de este tipo podría durar años, por lo que es necesario realizar un ensayo acelerado que acorte significativamente el tiempo del experimento, para ello, han de someterse a esfuerzos mayores que en condiciones normales de funcionamiento. En la actualidad, los LEDs son usados en infinidad de aplicaciones, debido a sus múltiples ventajas respecto a otros sistemas de iluminación o señalización convencionales. En numerosos casos se utilizan en el exterior, soportando cambios de temperaturas y de humedad elevados, de ahí, la importancia de realizar ensayos de fiabilidad, que muestren sus posibles causas de fallo, los efectos que producen estos fallos y los aspectos de diseño, fabricación y mantenimiento que puedan afectarles. Como consecuencia del envejecimiento de los LEDs, pueden mostrar una reducción en el flujo luminoso y un empeoramiento de las propiedades cromáticas. Los LEDs utilizados en este Proyecto son de AlInGaP, rojos, de alta luminosidad. Para acelerar el ensayo, se utilizará una cámara climática que simule unas condiciones ambientales determinadas, en concreto, 85º C y 85% HR. Además, se realiza una monitorización periódica, siendo necesaria la utilización de un sistema automático de medida diseñado en LabVIEW, el cual, de manera simultánea realizará medidas y gestionará la inyección de corriente a los LEDs mientras se encuentren en el interior de la cámara climática. Se fabrican dos placas con 4 tiras de LEDs para inyectar un nivel de corriente diferente en cada una y así poder comparar la degradación en función de este parámetro. Fuera de la cámara climática se van a medir las curvas características de tensióncorriente de cada LED a una temperatura ambiente constante, fijada por un módulo Peltier. También se realizarán medidas de potencia luminosa y de espectro de emisión. Se analizarán los resultados obtenidos de cada una de las medidas y se realizará un estudio de fiabilidad y del proceso de degradación sufrido por los LEDs. Este PFC se puede dividir en las siguientes fases de trabajo, siendo el ensayo la parte más larga en el tiempo: · Búsqueda de bibliografía, documentación y normas aplicables. · Familiarización con los equipos y software, estudiando el manejo y funcionamiento de la cámara climática temperatura-humedad y el software a aplicar (LabVIEW y software del espectrómetro). · Desarrollo del hardware y sistemas necesarios para la realización del ensayo. · Realización del ensayo. · Análisis de resultados. ABSTRACT. The objective of this end of degree project is conducting an essay reliability of electronic components, more concretely LEDs, in order to study their behavior throughout its lifespan. Due to the long duration of the LEDs, a essay of this type could last for years, so it is necessary to perform an accelerated essay which significantly shorten the time of the experiment, testing should be subjected to greater efforts than in normal operation. Today, LEDs are used in many applications due to its many advantages over other conventional lighting systems or signaling. In numerous cases are used on the outside, enduring high changes in temperature and humidity, hence the importance of reliability essays, showing the possible causes of failure, the effects produced by these failures and aspects of design, manufacturing and maintenance that may affect them. As a result of the ageing of the LEDs, they may show a reduction in light output and a worsening of the chromatic properties. The LEDs used in this project are AlInGaP, red and high brightness. To speed up the essay will be used a climatic chamber to simulate specific environmental conditions, specifically 85 ° C and 85 % RH. In addition, is pe rformed a periodic monitoring using an automatic measurement system designed in LabVIEW , which , simultaneously will performed measurements and will manage the injection current to the LEDs while are inside of the climatic chamber. 4 strips of LEDs are created to inject a different level of current in each, so can compare the degradation in terms of this parameter. Out of the climatic chamber are obtained the characteristic curves of voltage-current of each LED at a constant room temperature, set by a Peltier module. Also, measures light power and the emitted spectrum. The results of each of the measures and a reliability study and degradation suffered by the LEDs will be discussed. This PFC can be divided into the following steps, the essay being the longest part: • Search bibliography, documentation and standards. • Familiarization with equipment and software, studying the management and the operation of the temperature-humidity environmental chamber and applying software (LabVIEW applications and spectrometer software). • Development of hardware and systems necessary for the conduct of the essay. • Carrying out the essay. • Analysis of results.