The lead salt quantum dot intermediate band solar cell

We propose a new kind of quantum dot (QD) materials for the implementation of the intermediate band solar cell (IBSC) [1]. The materials are formed by lead salt QDs of the family IV-VI (PbTe, PbSe or PbS) embedded in a semiconductor of the family II-VI (Cd1-xMgxTe, CdxZn1-xTe, and CdS1-xSex or ZnSe1-xTex, respectively). These QDs are not nucleated due to lattice mismatch, as it is the case of the InAs/GaAs QD material system grown by the Stranski-Krastanov (S-K) mode. In these materials, the QDs precipitate due to the difference in lattice type: the QD lead salt material crystallizes in the rocksalt structure, while the II-VI host material has the zincblende structure [2]. Therefore, it is possible to use lattice-matched QD/host combinations, avoiding all the strain-related problems found in previous QD-IBSC developments. In this paper we discuss the properties of the lead salt QD materials and propose that they are appropriate to overcome the fundamental drawbacks of present III-V-based QD-IBSC prototypes. We also calculate the band diagram for some examples of IV-VI/II-VI QD materials. The detailed balance efficiency limit of QD-IBSCs based on the studied materials is found to be over 60% under maximum concentration.

Single - and double energy swift and slow heavy ion irradiated optical waveguides in Er: Tungstene-Tellurite glass and BGO for telecom applications

The fabrication of broadband amplifiers in wavelength division multiplexing (WDM) around 1.55 m, as they exhibit large stimulated cross sections and broad emission bandwidth. Bi4Ge3O12 (eultine type BGO) - well known scintillator material, also a rare-earth host material, photorefractive waveguides produced in it only using light ions in the past. Recently: MeV N+ ions and swift O5+ and C5+ ions, too*. Bi12GeO20 (sillenite type BGO) - high photoconductivity and photorefractive sensitivity in the visible and NIR good candidate for real-time holography and optical phase conjugation, photorefractive waveguides produced in it only using light ions. No previous attempts of ion beam fabrication of waveguides in it.

InAs/AlGaAs quantum dot intermediate band solar cells with enlarged sub-bandgaps

In the last decade several prototypes of intermediate band solar cells (IBSCs) have been manufactured. So far, most of these prototypes have been based on InAs/GaAs quantum dots (QDs) in order to implement the IB material. The key operation principles of the IB theory are two photon sub-bandgap (SBG) photocurrent, and output voltage preservation, and both have been experimentally demonstrated at low temperature. At room temperature (RT), however, thermal escape/relaxation between the conduction band (CB) and the IB prevents voltage preservation. To improve this situation, we have produced and characterized the first reported InAs/AlGaAs QD-based IBSCs. For an Al content of 25% in the host material, we have measured an activation energy of 361 meV for the thermal carrier escape. This energy is about 250 meV higher than the energies found in the literature for InAs/GaAs QD, and almost 140 meV higher than the activation energy obtained in our previous InAs/GaAs QD-IBSC prototypes including a specifically designed QD capping layer. This high value is responsible for the suppression of the SBG quantum efficiency under monochromatic illumination at around 220 K. We suggest that, if the energy split between the CB and the IB is large enough, activation energies as high as to suppress thermal carrier escape at room temperature (RT) can be achieved. In this respect, the InAs/AlGaAs system offers new possibilities to overcome some of the problems encountered in InAs/GaAs and opens the path for QD-IBSC devices capable of achieving high efficiency at RT.

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.

Fenología y capacidad de dispersión de Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) en la Península Ibérica = Phenology and dispersal ability of Monochamus galloprovincialis (Olivier 1795) at Iberian Peninsula

La aparición y avance de la enfermedad del marchitamiento del pino (Pine Wilt Desease, PWD), causada por Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), el nematodo de la madera del pino (NMP), en el suroeste de Europa, ha puesto de manifiesto la necesidad de estudiar la fenología y la dispersión de su único vector conocido en Europa, Monochamus galloprovincialis (Col., Cerambycidae). El análisis de 12 series de emergencias entre 2010 y 2014, registradas en Palencia, València y Teruel, con material procedente de diversos puntos de la península ibérica, demostró una alta variabilidad en la fenología de M. galloprovincialis y la divergencia térmica respecto de las poblaciones portuguesas. Para éstas, el establecimiento de los umbrales térmicos de desarrollo de las larvas post-dormantes del vector (12,2 y 33,5ºC) permitió la predicción de la emergencia mediana para la fecha en la que se acumulaban de 822 grados-día. Ninguna de las series analizadas en este trabajo necesitó de dichos grados-día estimados para la emergencia mediana. Asimismo, la emergencia se adelantó en las regiones más calurosas, mientras que se retrasó en las zonas más templadas. Más allá de la posible variabilidad entre poblaciones locales peninsulares, se detectaron indicios de que la diferencia en la acumulación de calor durante el otoño puede afectar el grado de maduración de las larvas invernantes, y su posterior patrón temporal de emergencia. Por último, también fueron observados comportamientos de protandria en las emergencias. Respecto a la fenología de su vuelo, entre los años 2010 y 2015, fueron ejecutados un total de 8 experimentos de captura de M. galloprovincialis mediante trampas cebadas con atrayentes en diferentes regiones (Castellón, Teruel, Segovia y Alicante) permitiendo el seguimiento del periodo de vuelo. Su análisis permitió constatar la disminución de las capturas y el acortamiento del periodo de vuelo con la altitud, el inicio del vuelo en el mes de mayo/junio a partir de los 14ºC de temperatura media diaria, la influencia de las altas temperaturas en la disminución de las capturas estivales (potencial causante de perfiles bimodales en las curvas de vuelo en las zonas menos frías), la evolución de la proporción de sexos a lo largo del periodo de vuelo (que muestra una mayor captura de hembras al inicio y de machos al final) y el comportamiento diurno y ligado a las altas temperaturas del vuelo circadiano del insecto. Dos redes de muestreo sistemático de insectos saproxílicos instaladas en la Comunitat Valencia (Red MUFFET, 15 parcelas, año 2013) y en Murcia (Red ESFP, 20 parcelas, años 2008-2010) permitieron el estudio de la comunidad de insectos relacionada con M. galloprovincialis. Cada una de las parcelas contaba con una trampa cebada con atrayentes y una estación meteorológica. El registro de más de 250 especies de coleópteros saproxílicos demostró el potencial que tiene el empleo de redes de trampas vigía para la detección temprana de organismos exóticos, además de permitir la caracterización y evaluación de las comunidades de entomofauna útil, representando una de las mejores herramientas de la gestión integrada de plagas. En este caso, la comunidad de saproxílicos estudiada mostró ser muy homogénea respecto a la variación ambiental de las zonas de muestreo, y que pese a las pequeñas variaciones entre las comunidades de los diferentes ecosistemas, el rol que M. galloprovincialis desempeña en ellas a lo largo de todo el gradiente estudiado es el mismo. Con todo, el análisis mediante redes de interacción mostró su relevancia ecológica al actuar de conector entre los diferentes niveles tróficos. Por último, un total de 12 experimentos de marcaje-liberación-recaptura desarrollados entre 2009 y 2012 en Castellón, Teruel, Valencia y Murcia permitieron evaluar el comportamiento dispersivo de M. galloprovincialis. Las detecciones mediante trampas cebadas de los insectos liberados se dieron por lo menos 8 días después de la emergencia. La abundancia de población pareció relacionada con la continuidad, la naturalización de la masa, y con la afección previa de incendios. La dispersión no estuvo influida por la dirección ni la intensidad de los vientos dominantes. La abundancia de material hospedante (en lo referente a las variables de masa y a los índices de competencia) influyó en la captura del insecto en paisajes fragmentados, aunque la ubicación de las trampas optimizó el número de capturas cuando se ubicaron en el límite de la masa y en zonas visibles. Por último también se constató que M. galloprovincialis posee suficiente capacidad de dispersión como para recorrer hasta 1500 m/día, llegando a alcanzar distancias máximas de 13600m o de 22100 m. ABSTRACT The detection and expansion of the Pine Wilt Desease (PWD), caused by Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda; Aphelenchoididae), Pine Wood Nematode (PWN), in southwestern Europe since 1999, has triggered off the study of the phenology and the dispersion of its unique vector in the continent, Monochamus galloprovincialis (Coleoptera, Cerambycidae). The analysis of 12 emergence series between 2010 and 2014 registered in Palencia, Teruel and Valencia (Spain), registered from field colonized material collected at several locations of the Iberian Peninsula, showed a high variability in the emergence phenology of M. galloprovincialis. In addition, these patterns showed a very acute thermal divergence regarding a development model fitted earlier in Portugal. Such model forecasted the emergence of 50% of M. galloprovincialis individuals in the Setúbal Peninsula (Portugal) when an average of 822 degree-days (DD) were reached, based on the accumulation of heat from the 1st of March until emergence and lower and upper thresholds of 12.2 ºC and 33,5 °C respectively. In our results, all analyzed series needed less than 822 DD to complete the 50% of the emergence. Also, emergency occurred earlier in the hottest regions, while it was delayed in more temperate areas. Beyond the possible variability between local populations, the difference in the heat accumulation during the fall season may have affected the degree of maturation of overwintering larvae, and subsequently, the temporal pattern of M. galloprovincialis emergences. Therefore these results suggest the need to differentiate local management strategies for the PWN vector, depending on the location, and the climatic variables of each region. Finally, protandrous emergence patterns were observed for M. galloprovincialis in most of the studied data-sets. Regarding the flight phenology of M. galloprovincialis, a total of 8 trapping experiments were carried out in different regions of the Iberian Peninsula (Castellón, Teruel, Segovia and Alicante) between 2010 and 2015. The use of commercial lures and traps allowed monitoring of the flight period of M. galloprovincialis. The analyses of such curves, helped confirming different aspects. First, a decline in the number of catches and a shortening of the flight period was observed as the altitude increased. Flight period was recorded to start in May / June when the daily average temperature went over 14 ° C. A significant influence of high temperatures on the decrease of catches in the summer was found in many occasions, which frequently lead to a bimodal profile of the flight curves in warm areas. The evolution of sex ratio along the flight period shows a greater capture of females at the beginning of the period, and of males at the end. In addition, the circadian response of M. galloprovincialis to lured traps was described for the first time, concluding that the insect is diurnal and that such response is linked to high temperatures. Two networks of systematic sampling of saproxylic insects were installed in the Region of Valencia (Red MUFFET, 15 plots, 2013) and Murcia (Red ICPF, 20 plots, 2008-2010). These networks, intended to serve the double purpose of early-detection and long term monitoring of the saproxylic beetle assemblies, allowed the study of insect communities related to M. galloprovincialis. Each of the plots had a trap baited with attractants and a weather station. The registration of almost 300 species of saproxylic beetles demonstrated the potential use of such trapping networks for the early detection of exotic organisms, while at the same time allows the characterization and evaluation of useful entomological fauna communities, representing one of the best tools for the integrated pest management. In this particular case, the studied community of saproxylic beetles was very homogeneous with respect to environmental variation of the sampling areas, and despite small variations between communities of different ecosystems, the role that M. galloprovincialis apparently plays in them across the studied gradient seems to be the same. However, the analysis through food-webs showed the ecological significance of M. galloprovincialis as a connector between different trophic levels. Finally, 12 mark-release-recapture experiments were carried out between 2009 and 2012 in Castellón, Teruel, Valencia and Murcia (Spain) with the aim to describe the dispersive behavior of M. galloprovincialis as well as the stand and landscape characteristics that could influence its abundance and dispersal. No insects younger than 8 days were caught in lured traps. Population abundance estimates from mark-release-recapture data, seemed related to forest continuity, naturalization, and to prior presence of forest fires. On the other hand, M. galloprovincialis dispersal was not found to be significantly influenced by the direction and intensity of prevailing winds. The abundance of host material, very related to stand characteristics and spacing indexes, influenced the insect abundance in fragmented landscapes. In addition, the location of the traps optimized the number of catches when they were placed in the edge of the forest stands and in visible positions. Finally it was also found that M. galloprovincialis is able to fly up to 1500 m / day, reaching maximum distances of up to 13600 m or 22100 m.

Obtaining an intermediate band photovoltaic material through the Bi insertion in CdTe

Defect interaction can take place in CdTe under Te and Bi rich conditions. We demonstrate in this work through first principles calculations, that this phenomenon allows a Jahn Teller distortion to form an isolated half-filled intermediate band in the host semiconductor band-gap. This delocalized energy band supports the experimental deep level reported in the host band-gap of CdTe at a low bismuth concentration. Furthermore, the calculated optical absorption of CdTe:Bi in this work shows a significant subband-gap absorption that also supports the enhancement of the optical absorption found in the previous experimental results.