Inmovilización de TiO2 sobre polímeros transparentes en el UV-A para la eliminación fotocatalítica de tricloroetileno en aire

El gran desarrollo industrial y demográfico de las últimas décadas ha dado lugar a un consumo crecientemente insostenible de energía y materias primas, que influye negativamente en el ambiente por la gran cantidad de contaminantes generados. Entre las emisiones tienen gran importancia los compuestos orgánicos volátiles (COV), y entre ellos los compuestos halogenados como el tricloroetileno, debido a su elevada toxicidad y resistencia a la degradación. Las tecnologías generalmente empleadas para la degradación de estos compuestos presentan inconvenientes derivados de la generación de productos tóxicos intermedios o su elevado coste. Dentro de los procesos avanzados de oxidación (Advanced Oxidation Processes AOP), la fotocatálisis resulta una técnica atractiva e innovadora de interés creciente en su aplicación para la eliminación de multitud de compuestos orgánicos e inorgánicos, y se ha revelado como una tecnología efectiva en la eliminación de compuestos orgánicos volátiles clorados como el tricloroetileno. Además, al poder aprovechar la luz solar como fuente de radiación UV permite una reducción significativa de costes energéticos y de operación. Los semiconductores más adecuados para su empleo como fotocatalizadores con aprovechamiento de la luz solar son aquellos que tienen una banda de energía comparable a la de los fotones de luz visible o, en su defecto, de luz ultravioleta A (Eg < 3,5 eV), siendo el más empleado el dióxido de titanio (TiO2). El objetivo principal de este trabajo es el estudio de polímeros orgánicos comerciales como soporte para el TiO2 en fotocatálisis heterogénea y su ensayo para la eliminación de tricloroetileno en aire. Para ello, se han evaluado sus propiedades ópticas y su resistencia a la fotodegradación, y se ha optimizado la fijación del fotocatalizador para conseguir un recubrimiento homogéneo, duradero y con elevada actividad fotocatalítica en diversas condiciones de operación. Los materiales plásticos ensayados fueron el polietileno (PE), copolímero de etil vinil acetato con distintos aditivos (EVA, EVA-H y EVA-SH), polipropileno (PP), polimetil (metacrilato) fabricado en colada y extrusión (PMMA-C y PMMA-E), policarbonato compacto y celular (PC-C y PC-Ce), polivinilo rígido y flexible (PVC-R y PVC-F), poliestireno (PS) y poliésteres (PET y PETG). En base a sus propiedades ópticas se seleccionaron el PP, PS, PMMA-C, EVA-SH y PVC-R, los cuales mostraron un valor de transmitancia superior al 80% en el entorno de la región estudiada (λ=365nm). Para la síntesis del fotocatalizador se empleó la tecnología sol-gel y la impregnación multicapa de los polímeros seleccionados por el método de dip-coating con secado intermedio a temperaturas moderadas. Con el fin de evaluar el envejecimiento de los polímeros bajo la radiación UV, y el efecto sobre éste del recubrimiento fotoactivo, se realizó un estudio en una cámara de exposición a la luz solar durante 150 días, evaluándose la resistencia química y la resistencia mecánica. Los resultados de espectroscopía infrarroja y del test de tracción tras el envejecimiento revelaron una mayor resistencia del PMMA y una degradación mayor en el PS, PVC-R y EVA SH, con una apreciable pérdida del recubrimiento en todos los polímeros. Los fotocatalizadores preparados sobre soportes sin tratamiento y con tres capas de óxido de titanio mostraron mejores resultados de actividad con PMMA-C, PET y PS, con buenos resultados de mineralización. Para conseguir una mayor y mejor fijación de la película al soporte se realizaron tratamientos químicos abrasivos con H2SO4 y NaOH y tratamientos de funcionalización superficial por tecnología de plasma a presión atmosférica (APP) y a baja presión (LPP). Con los tratamientos de plasma se consiguió una excelente mojabilidad de los soportes, que dio lugar a una distribución uniforme y más abundante del fotocatalizador, mientras que con los tratamientos químicos no se obtuvo una mejora significativa. Asimismo, se prepararon fotocatalizadores con una capa previa de dióxido de silicio con la intervención de surfactantes (PDDA-SiO2-3TiO2 y SiO2FC-3TiO2), consiguiéndose buenas propiedades de la película en todos los casos. Los mejores resultados de actividad con tratamiento LPP y tres capas de TiO2 se lograron con PMMA-C (91% de conversión a 30 ppm de TCE y caudal 200 ml·min-1) mejorando significativamente también la actividad fotocatalítica en PVC-R y PS. Sin embargo, el material más activo de todos los ensayados fue el PMMA-C con el recubrimiento SiO2FC-3TiO2, logrando el mejor grado de mineralización, del 45%, y una velocidad de 1,89 x 10-6 mol· m-2 · s-1, que dio lugar a la eliminación del 100 % del tricloroetileno en las condiciones anteriormente descritas. A modo comparativo se realizaron ensayos de actividad con otro contaminante orgánico tipo, el formaldehído, cuya degradación fotocatalítica fue también excelente (100% de conversión y 80% de mineralización con 24 ppm de HCHO en un caudal de aire seco de 200 ml·min-1). Los buenos resultados de actividad obtenidos confirman las enormes posibilidades que ofrecen los polímeros transparentes en el UV-A como soportes del dióxido de titanio para la eliminación fotocatalítica de contaminantes en aire. ABSTRACT The great industrial and demographic development of recent decades has led to an unsustainable increase of energy and raw materials consumption that negatively affects the environment due to the large amount of waste and pollutants generated. Between emissions generated organic compounds (VOCs), specially the halogenated ones such as trichloroethylene, are particularly important due to its high toxicity and resistance to degradation. The technologies generally used for the degradation of these compounds have serious inconveniences due to the generation of toxic intermediates turn creating the problem of disposal besides the high cost. Among the advanced oxidation processes (AOP), photocatalysis is an attractive and innovative technique with growing interest in its application for the removal of many organic and inorganic compounds, and has emerged as an effective technology in eliminating chlorinated organic compounds such as trichloroethylene. In addition, as it allows the use of sunlight as a source of UV radiation there is a significant reduction of energy costs and operation. Semiconductors suitable to be used as photocatalyst activated by sunlight are those having an energy band comparable to that of the visible or UV-A light (Eg <3,5 eV), being titanium dioxide (TiO2), the most widely used. The main objective of this study is the test of commercial organic polymers as supports for TiO2 to be applied in heterogeneous photocatalysis and its assay for removing trichloroethylene in air. To accomplish that, its optical properties and resistance to photooxidation have been evaluated, and different operating conditions have been tested in order to optimize the fixation of the photocatalyst to obtain a homogeneous coating, with durable and high photocatalytic activity. The plastic materials tested were: polyethylene (PE), ethyl vinyl acetace copolymers with different additives (EVA, EVA-H and EVA -SH), polypropylene (PP), poly methyl (methacrylate) manufactured by sheet moulding and extrusion (PMMA-C and PMMA-E), compact and cellular polycarbonates (PC-C PC-Ce), rigid and flexible polyvinyl chloride (PVC-R and PVC-F), polystyrene (PS) and polyesters (PET and PETG). On the basis of their optical properties PP, PS, PMMA-C, EVA-SH and PVC-R were selected, as they showed a transmittance value greater than 80% in the range of the studied region (λ = 365nm). For the synthesis of the photocatalyst sol-gel technology was employed with multilayers impregnation of the polymers selected by dip-coating, with intermediate TiO2 drying at moderate temperatures. To evaluate the polymers aging due to UV radiation, and the effect of photoactive coating thereon, a study in an sunlight exposure chamber for 150 days was performed, evaluating the chemical resistance and the mechanical strength. The results of infrared spectroscopy and tensile stress test after aging showed the PMMA is the most resistant sample, but a greater degradation in PS, PVC-R and EVA SH, with a visible loss of the coating in all the polymers tested. The photocatalysts prepared on the untreated substrates with three layers of TiO2 showed better activity results when PMMA-C, PET and PS where used. To achieve greater and better fixation of the film to the support, chemical abrasive treatments, with H2SO4 and NaOH, as well as surface functionalization treatments with atmospheric pressure plasma (APP) and low pressure plasma (LPP) technologies were performed. The plasma treatment showed the best results, with an excellent wettability of the substrates that lead to a better and uniform distribution of the photocatalyst compared to the chemical treatments tested, in which no significant improvement was obtained. Also photocatalysts were prepared with the a silicon dioxide previous layer with the help of surfactants (SiO2- 3TiO2 PDDA-and-3TiO2 SiO2FC), obtaining good properties of the film in all cases. The best activity results for LPP-treated samples with three layers of TiO2 were achieved with PMMA-C (91% conversion, in conditions of 30 ppm of TCE and 200 ml·min-1 air flow rate), with a significant improvement of the photocatalytic activity in PVC-R and PS samples too. However, among all the materials assayed, PMMA-C with SiO2FC-3TiO2 coating was the most active one, achieving the highest mineralization grade (45%) and a reaction rate of 1,89 x 10-6 mol· m-2 · s-1, with total trichloroethylene elimination in the same conditions. As a comparative assay, an activity test was also performed with another typical organic contaminant, formaldehyde, also with good results (100% conversion with 24 ppm of HCHO and 200 ml·min-1 gas flow rate). The good activity results obtained in this study confirm the great potential of organic polymers which are transparent in the UV-A as supports for titanium dioxide for photocatalytic removal of air organic pollutants.

Desarrollo y validación de tecnologías de intensificación lumínica para fotobiorreactores (FBR) para el aprovechamiento de la radiación en el cultivo de microalgas

En la actualidad la humanidad se enfrenta a una serie de problemas de gran transcendencia que van a determinar en alto grado los niveles de calidad de vida en los próximos años. El calentamiento global, el incremento demográfico incontrolado, la contaminación ambiental y la escasez de recursos así como una mala distribución de los mismos, son sólo algunos ejemplos. En este contexto, las microalgas, microrganismos fotosintéticos de alta eficiencia y versatilidad, presentan una serie de características que las convierten a priori en la base de una tecnología con un enorme potencial para formar parte de la solución a estos graves problemas planteados. Uno de los principales factores que impiden una mayor implantación de la tecnología de microalgas es de tipo económico. La baja productividad por unidad de área de los sistemas de cultivo actuales y la alta inversión necesaria en equipos y mantenimiento, hace que solo se justifique el cultivo de productos de muy alto valor añadido. Las soluciones pasan por aumentar el rendimiento global de los cultivos y por disminuir los costes de equipos e instalaciones. La presente tesis investiga sobre la posibilidad de conseguir un mejor aprovechamiento de la luz solar incidente sobre un cultivo de microalgas mediante el uso de una serie de dispositivos ópticos que vienen a denominarse intensificadores lumínicos. De entre los factores que determinan la productividad de un campo de cultivo de microalgas, posiblemente el más determinante sea la cantidad de radiación que las microalgas pueden aprovechar. Los intensificadores aumentan la disponibilidad de luz en el interior de los tubos de cultivo, de forma que la fotosíntesis se vea favorecida y, de este modo, se incremente la tasa de crecimiento de las microalgas. En el desarrollo de la tesis se proponen tres tipologías diferentes de intensificador diseñadas en base a criterios óptico-geométricos. Para cada una de estas tipologías se evalúa el incremento de radiación que se lograría sobre un tubo de cultivo. Paralelamente se desarrolla un modelo que permite la evaluación de la productividad del cultivo. Esto permite añadir el factor biológico al puramente óptico-físico y valorar las distintas propuestas de intensificadores en función de las características propias del microalga utilizada en el cultivo. El modelo es verificado y contrastado frente a datos de producción obtenidos en la bibliografía. Finalmente, la exposición concluye con una presentación general de las futuras líneas de investigación. ABSTRACT Today, humanity is facing a series of problems of global significance that will determine the standard of living in the years ahead. Global warming, uncontrolled population growth, pollution, lack of resources and poor distribution of them are just an example of the challenges we are facing. In this context, microalgae, high efficient photosynthetic microorganisms, have a number of characteristics that turn them into a very promising technology that can contribute or be part of a sustainable solution. One of the main factors preventing the adoption of microalgae technology is economical. The low productivity per unit area of current farming systems and the high investment needed in equipment and maintenance, only justifies the cultivation of algae for high value applications. One solution could be increasing the overall yield of the crops and reduce the equipment and facilities costs. Among the factors that determine the productivity of a microalgae culture, possibly the most influential one is the amount of radiation that microalgae receive. This Thesis develops the possibility of making better use of the sunlight radiation incident on a crop field using a series of devices similar to solar collectors. The solar collectors proposed are intended to increase the availability of light inside the culture tubes and within it, the tax of photosynthesis and the overall growth rate of the microalgae. In this research, three different configurations of collectors are designed, based on optical and geometrical criteria. For each one of these collectors, the increase on radiation that would be expected is evaluated. Furthermore, a model for light distribution inside the culture is developed in terms to estimate the biomass productivity. This allows adding the biological factor to purely optical-physical considerations and to assess the different solar collectors proposed, in terms specific for the microalgae. The model is tested against production data obtained in different scientific literature. Finally, the exposition concludes with some guidelines for future research.

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Proyecto de ampliación del Estadio José Zorrilla de Valladolid

Este proyecto describe la ampliación del Estadio José Zorrilla de Valladolid, que consiste entre otras cosas, en incrementar el graderío del anillo superior en el Fondo Sur mediante una tribuna y realizar una nueva cubierta del Estadio. Actualmente, el cerramiento del Fondo Norte lleva una cubierta metálica diferente a la de los laterales, pero no cubre más allá de la grada de ampliación del Fondo. Esto quiere decir que la grada baja no está protegida frente a la lluvia en ninguna parte del estadio. Según los asistentes habituales, es muy normal que la temperatura sea de unos 2 o 3 grados durante el invierno, y según el Club esto es un motivo para no acudir al Estadio. Es por esto que sería interesante conseguir reducir el efecto del viento y la humedad con una cubierta más larga que alcanzase también el anillo inferior, o con la cubrición del Estadio al completo. La nueva cubierta será independiente de la antigua, pues el Estadio ya ha cumplido 30 años y su estado no es el adecuado para prolongar la cubierta del mismo. Por otra parte, la nueva cubierta se separará como estructura del Estadio para no alterar el estado de los elementos estructurales del mismo. De esta manera se tendrán que diseñar cimentaciones específicas para la cubierta y sistemas estructurales que eviten que el edificio antiguo sea la sustentación principal de la cubierta. Estas dos aclaraciones son la base del diseño estructural realizado en este Proyecto de Ampliación del Estadio José Zorrilla. Por último, el Real Valladolid ha solicitado que no se instalen cubiertas que afecten al número de horas de luz solar incidente sobre el terreno de juego. Por tanto, para adecuarse a esta petición se va a diseñar una cubierta con zonas translúcidas. Así se evita que los espectadores se mojen y se mantiene la luz natural incidente sobre el césped.

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

Research on intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization under concentrated illumination

Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombi¬nation. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel character¬ization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the “voltage preservation” principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the de¬tailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigación y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energía -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energía inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorción de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de allí a la banda de conducción (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energía conlleva un empleo más eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap está relacionada con la preservación del voltaje: la tensión de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no está limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que está únicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinación electrónica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma teórica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recom¬binación de la IBSC y evitar la degradación del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa técnica de caracterización consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentración y a baja temperatura. En esta etapa de la investigación, se están desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin está siendo empleada para realimentar el proceso de fabricación, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificación del principio de preservación del voltaje. También se ha desarrollado un modelo analítico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cuánticos. Dicho modelo está basado en el cálculo del alineamiento de bandas de energía en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimación de la energía de los niveles confinados en un QD y en el cálculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente útiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x ó InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, también se ha desarrollado un modelado teórico para el análisis de la resistencia serie de una célula solar de concentración. Gracias a dicho modelo se han diseñado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.

Advances in the modeling, characterization and reliability of concentrator multijunction solar cells

Los sistemas de concentración fotovoltaica (CPV) parecen ser una de las vías más prometedoras para generar electricidad a gran escala a precios competitivos. La investigación actual se centra en aumentar la eficiencia y la concentración de los sistemas para abaratar costes. Al mismo tiempo se investiga sobre la fiabilidad de los diferentes componentes que integran un sistema de concentración, ya que para que los sistemas de concentración sean competitivos es necesario que tengan una fiabilidad al menos similar a los sistemas basados en células de silicio. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el estudio de aspectos avanzados de células solares multi-unión diseñadas para trabajar a concentraciones ultra-altas. Para ello, se ha desarrollado un modelo circuital tridimensional distribuido con el que simular el comportamiento de las células solares triple-unión bajo distintas condiciones de funcionamiento, así mismo se ha realizado una caracterización avanzada de este tipo de células para comprender mejor su modo de operación y así poder contribuir a mejorar su eficiencia. Finalmente, se han llevado a cabo ensayos de vida acelerados en células multiunión comerciales para conocer la fiabilidad de este tipo de células solares. Para la simulación de células solares triple-unión se ha desarrollado en la presente tesis doctoral un modelo circuital tridimensinal distribuido el cuál integra una descripción completa de la unión túnel. De este modo, con el modelo desarrollado, hemos podido simular perfiles de luz sobre la célula solar que hacen que la densidad de corriente fotogenerada sea mayor a la densidad de corriente pico de la unión túnel. El modelo desarrollado también contempla la distribución lateral de corriente en las capas semiconductoras que componen y rodean la unión túnel. Por tanto, se ha podido simular y analizar el efecto que tiene sobre el funcionamiento de la célula solar que los concentradores ópticos produzcan perfiles de luz desuniformes, tanto en nivel de irradiancia como en el contenido espectral de la luz (aberración cromática). Con el objetivo de determinar cuáles son los mecanismos de recombinación que están limitando el funcionamiento de cada subcélula que integra una triple-unión, y así intentar reducirlos, se ha llevado a cabo la caracterización eléctrica de células solares monouni ón idénticas a las subcelulas de una triple-unión. También se ha determinado la curva corriente-tensión en oscuridad de las subcélulas de GaInP y GaAs de una célula dobleunión mediante la utilización de un teorema de reciprocidad electro-óptico. Finalmente, se ha analizado el impacto de los diferentes mecanismos de recombinación en el funcionamiento de la célula solar triple-unión en concentración. Por último, para determinar la fiabilidad de este tipo de células, se ha llevado a cabo un ensayo de vida acelerada en temperatura en células solares triple-unión comerciales. En la presente tesis doctoral se describe el diseño del ensayo, el progreso del mismo y los datos obtenidos tras el análisis de los resultados preliminares. Abstract Concentrator photovoltaic systems (CPV) seem to be one of the most promising ways to generate electricity at competitive prices. Nowadays, the research is focused on increasing the efficiency and the concentration of the systems in order to reduce costs. At the same time, another important area of research is the study of the reliability of the different components which make up a CPV system. In fact, in order for a CPV to be cost-effective, it should have a warranty at least similar to that of the systems based on Si solar cells. In the present thesis, we will study in depth the behavior of multijunction solar cells under ultra-high concentration. With this purpose in mind, a three-dimensional circuital distributed model which is able to simulate the behavior of triple-junction solar cells under different working conditions has been developed. Also, an advanced characterization of these solar cells has been carried out in order to better understand their behavior and thus contribute to improving efficiency. Finally, accelerated life tests have been carried out on commercial lattice-matched triple-junction solar cells in order to determine their reliability. In order to simulate triple-junction solar cells, a 3D circuital distributed model which integrates a full description of the tunnel junction has been developed. We have analyzed the behavior of the multijunction solar cell under light profiles which cause the current density photo-generated in the solar cell to be higher than the tunnel junction’s peak current density. The advanced model developed also takes into account the lateral current spreading through the semiconductor layers which constitute and surround the tunnel junction. Therefore, the effects of non-uniform light profiles, in both irradiance and the spectral content produced by the concentrators on the solar cell, have been simulated and analyzed. In order to determine which recombination mechanisms are limiting the behavior of each subcell in a triple-junction stack, and to try to reduce them when possible, an electrical characterization of single-junction solar cells that resemble the subcells in a triplejunction stack has been carried out. Also, the dark I-V curves of the GaInP and GaAs subcells in a dual-junction solar cell have been determined by using an electro-optical reciprocity theorem. Finally, the impact of the different recombination mechanisms on the behavior of the triple-junction solar cell under concentration has been analyzed. In order to determine the reliability of these solar cells, a temperature accelerated life test has been carried out on commercial triple-junction solar cells. In the present thesis, the design and the evolution of the test, as well as the data obtained from the analysis of the preliminary results, are presented.

Sulfuros fotocatalizadores que utilizan ampliamente el espectro de luz visible

Cuando se usa fotocatálisis, tanto para procesos de descontaminación como para síntesis química específica y (especialmente) para aprovechamiento de energía solar, importa aprovechar un rango muy amplio de luz visible. Para ello se estudian hoy principalmente óxidos (con o sin adición de aniones que disminuyen el gap como el nitrógeno); los sulfuros, como el bien conocido CdS, tienen estabilidad limitada, sobre todo para procesos de fotooxidación en presencia de agua en los que sufren corrosión. Aquí se presentan estudios sobre sulfuros como el In2S3 y el SnS2 (con bandgaps respectivos de 2.0 y 2.2 eV [1]) cuyos metales tienen mayor valencia y coordinación octaédrica, y en los que por ambos factores cabe suponer que su red cristalina, más compacta, tendrá mayor estabilidad. Se muestra también que mediante un dopado importante con vanadio se puede extender su rango espectral de fotoactividad, lo que se atribuye a la formación de una banda intermedia que posibilita el uso de dos fotones con energía inferior al bandgap para conseguir una excitación completa en el semiconductor; este proceso ha sido propuesto últimamente para aumentar el rendimiento de las células fotovoltaicas.

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

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

Fotodiodos basados en (Zn,Mg)O para la detección de luz ultravioleta

La presente tesis fue ideada con el objetivo principal de fabricar y caracterizar fotodiodos Schottky en capas de ZnMgO y en estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO para la detección de luz UV. La elección de este material semiconductor vino motivada por la posibilidad que ofrece de detectar y procesar señales simultáneamente, en un amplio margen de longitudes de onda, al igual que su más directo competidor el GaN. En esta memoria se da en primer lugar una visión general de las propiedades estructurales y ópticas del ZnO, prestando especial atención a su ternario ZnMgO y a las estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO. Además, se han desarrollado los conocimientos teóricos necesarios para una mejor compresión y discusión de los resultados alcanzados. En lo que respecta a los resultados de esta memoria, en esencia, estos se dividen en dos bloques. Fotodiodos desarrollados sobre capas delgadas de ZnMgO no-polar, y sobre estructuras de pozo cuántico de ZnMgO/ZnO no-polares y semipolares Fotodiodos de capas delgadas de ZnMgO. Es bien conocido que la adición de Mg a la estructura cristalina del ZnO desplaza el borde de absorción hacia energías mayores en el UV. Se ha aprovechado esto para fabricar fotodiodos Schottky sobre capas de ZnMgO crecidas por MOCVD y MBE, los cuales detecten en un ventana de energías comprendida entre 3.3 a 4.6 eV. Sobre las capas de ZnMgO, con diferentes contenidos de Mg(5.6-18.0 %), crecidas por MOCVD se han fabricado fotodiodos Schottky. Se han estudiado en detalle las curvas corrientevoltaje (I-V). Seguidamente, se ha realizado un análisis de la respuesta espectral bajo polarización inversa. Tanto los valores de responsividad obtenidos como el contraste UV/VIS están claramente aumentados por la presencia de ganancia. Paralelamente, se han realizado medidas de espectroscopia de niveles profundos (DLOS), identificándose la presencia de dos niveles profundos de carácter aceptor. El papel desempeñado por estos en la ganancia ha sido analizado meticulosamente. Se ha demostrado que cuando estos son fotoionizados son responsables directos del gran aumento de la corriente túnel que se produce a través de la barrera Schottky, dando lugar a la presencia de la ganancia observada, que además resulta ser función del flujo de fotones incidente. Para extender el rango detección hasta 4.6 eV se fabricaron fotodiodos sobre capas de ZnMgO de altísima calidad cristalina crecidas por MBE. Sobre estos se ha realizado un riguroso análisis de las curvas I-V y de las curvas capacidad-voltaje (CV), para posteriormente identificar los niveles profundos presentes en el material, mediante la técnica de DLOS. Así mismo se ha medido la respuesta espectral de los fotodetectores, la cual muestra un corte abrupto y un altísimo contraste UV/VIS. Además, se ha demostrado como estos son perfectos candidatos para la detección de luz en la región ciega al Sol. Por otra parte, se han fabricado fotodiodos MSM sobre estas mismas capas. Se han estudiado las principales figuras de mérito de estos, observándose unas corrientes bajas de oscuridad, un contraste UV/VIS de 103, y la presencia de fotocorriente persistente. Fotodiodos Schottky de pozos cuánticos de ZnO/ZnMgO. En el segundo bloque de esta memoria, con el objeto final de clarificar el impacto que tiene el tratamiento del H2O2 sobre las características optoelectrónicas de los dispositivos, se ha realizado un estudio detallado, en el que se han analizado por separado fotodiodos tratados y no tratados con H2O2, fabricados sobre pozos cuánticos de ZnMgO/ZnO. Se ha estudiado la respuesta espectral en ambos casos, observándose la presencia de ganancia en los dos. A través de un análisis meticuloso de las características electrónicas y optoeletrónicas de los fotodiodos, se han identificado dos mecanismos de ganancia internos diferentes en función de que la muestra sea tratada o no-tratada. Se han estudiado fotodetectores sensibles a la polarización de la luz (PSPDs) usando estructuras de pozo cuántico no-polares y semipolares sobre sustratos de zafiro y sustratos de ZnO. En lo que respecta a los PSPDs sobre zafiro, en los cuales el pozo presenta una tensión acumulada en el plano, se ha visto que el borde de absorción se desplaza _E _21 meV con respecto a luz linealmente polarizada perpendicular y paralela al eje-c, midiéndose un contraste (RE || c /RE c)max _ 6. Con respecto a los PSPDs crecidos sobre ZnO, los cuales tienen el pozo relajado, se ha obtenido un 4E _30-40, y 21 meV para las heteroestructuras no-polar y semipolar, respectivamente. Además el máximo contraste de responsividad fue de (RE || c /RE c)max _ 6 . Esta sensibilidad a la polarización de la luz ha sido explicada en términos de las transiciones excitónicas entre la banda de conducción y las tres bandas de valencia. ABSTRACT The main goal of the present thesis is the fabrication and characterization of Schottky photodiodes based on ZnMgO layers and ZnMgO / ZnO quantum wells (QWs) for the UV detection. The decision of choosing this semiconductor was mainly motivated by the possibility it offers of detecting and processing signals simultaneously in a wide range of wavelengths like its main competitor GaN. A general overview about the structural and optical properties of ZnO, ZnMgO layers and ZnMgO/ZnO QWs is given in the first part of this thesis. Besides, it is shown the necessary theoretical knowledge for a better understanding of the discussion presented here. The results of this thesis may be divided in two parts. On the one hand, the first part is based on studying non-polar ZnMgO photodiodes. On the other hand, the second part is focused on the characterization of non-polar and semipolar ZnMgO / ZnO QWs Schottky photodiodes. ZnMgO photodiodes. It is well known that the addition of Mg in the crystal structure of ZnO results in a strong blue-shift of the ZnO band-gap. Taking into account this fact Schottky photodiodes were fabricated on ZnMgO layers grown by MOCVD and MBE. Concerning ZnMgO layers grown by MOCVD, a series of Schottky photodiodes were fabricated, by varying the Mg content from 5.6% to 18 %. Firstly, it has been studied in detail the current-voltage curves. Subsequently, spectral response was analyzed at reverse bias voltage. Both the rejection ratio and the responsivity are shown to be largely enhanced by the presence of an internal gain mechanism. Simultaneously, measurements of deep level optical spectroscopy were carried out, identifying the presence of two acceptor-like deep levels. The role played for these in the gain observed was studied in detail. It has been demonstrated that when these are photoionized cause a large increase in the tunnel current through the Schottky barrier, yielding internal gains that are a function of the incident photon flux. In order to extend the detection range up to 4.6 eV, photodiodes ZnMgO grown by MBE were fabricated. An exhaustive analysis of the both I-V and CV characteristics was performed. Once again, deep levels were identified by using the technique DLOS. Furthermore, the spectral response was measured, observing sharp absorption edges and high UV/VIS rejections ratio. The results obtained have confirmed these photodiodes are excellent candidates for the light detection in the solar-blind region. In addition, MSM photodiodes have also been fabricated on the same layers. The main figures of merit have been studied, showing low dark currents, a large UV/VIS rejection ratio and persistent photocurrent. ZnMgO/ZnO QWs photodiodes. The second part was focused on ZnMgO/ ZnO QWs. In order to clarify the impact of the H2O2 treatment on the performance of the Schottky diodes, a comparative study using treated and untreated ZnMgO/ZnO photodiodes has been carried out. The spectral response in both cases has shown the presence of gain, under reverse bias. Finally, by means of the analysis of electronic and optoelectronic characteristics, two different internal gain mechanisms have been indentified in treated and non-treated material. Light polarization-sensitive UV photodetectors (PSPDs) using non-polar and semipolar ZnMgO/ZnO multiple quantum wells grown both on sapphire and ZnO substrates have been demonstrated. For the PSPDs grown on sapphire with anisotropic biaxial in-plain strain, the responsivity absorption edge shifts by _E _21 meV between light polarized perpendicular and parallel to the c-axis, and the maximum responsivity contrast is (RE || c /RE c)max _ 6 . For the PSPDs grown on ZnO, with strain-free quantum wells, 4E _30-40, and 21 meV for non-polar and semipolar heterostructures, and maximum (R /R||)max _10. for non-polar heterostructure was achieved. These light polarization sensitivities have been explained in terms of the excitonic transitions between the conduction and the three valence bands.

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.

Diseño de sistema de orientación automática para energía solar

El sistema energético mundial actual es insostenible a largo plazo debido a la fuerte presencia de los combustibles fósiles. Es por ello que se está llevando a cabo gradualmente un proceso de cambio de modelo energético, teniendo como base la incorporación de las energías renovables. Dentro de este tipo de energías la energía solar, tanto fotovoltaica como de concentración, es una de las tecnologías con más crecimiento y potencial en el futuro. Las mejoras en materiales y dispositivos en energía solar permiten la reducción de costes y la mejora de la eficiencia causando un aumento en la competitividad de esta tecnología. El objetivo de este proyecto es el de diseñar y construir un sistema de orientación solar electrónico. Para ello será necesario la utilización de sensores de luminosidad, un controlador y un motor eléctrico. El sistema detectará el punto de mayor intensidad lumínica y orientará la superficie de una placa hacia este punto. El proyecto se desarrollará empleando la plataforma Arduino, una serie de micro procesadores de libre acceso destinados al uso en aplicaciones de electrónica general en el ámbito educativo y de bajo coste. Todo el sistema estará dirigido por un programa que controlará las lecturas de luz y el movimiento del motor.