Thermostatistical description of small systems in nonequilibrium conditions: Energy conversion and harvesting

Hysteresis cycles are very important features of energy conversion and harvesting devices, such as batteries. The efficiency of these may be strongly affected by the physical size of the system. Here, we show that in systems which are small enough, the existence of physical boundaries which produce nonhomogeneities of the interaction potential gives rise to inflections and barriers in the associated free energy. This in turn brings on irreversible processes which can be triggered under suitable external conditions imposed by a heat bath. As an example, by controlling the temperature, the state of a small system may be impelled to oscillate between two different structural configurations or aggregation states avoiding equilibrium coexistence and therefore dissipating energy. This cyclical behavior associated with a hysteresis cycle may be prototypical of energy conversion, storage, or generating nanodevices, as exemplified by Li-ion insertion batteries.

Muntatge i caracterització d'una placa DSSC: Buscant potència

Treball de recerca realitzat per alumnes d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Els objectius inicials foren la construcció d una 'Cèl•lula Solar Sensibilitzada mitjançant un Colorant’ (DSSC) amb el tint d una col llombarda i posterior caracterització segons el dossier 'Nanocrystalline Solar Cell Kit: Recreating Photosynthesis’. Les DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) són un tipus de cèl•lules que imiten els principis que la fotosíntesis ha fet servir exitosament durant més de 3,5 bilions d anys. S’han construït algunes DSSC i se n’ha provat la seva eficiència. El seu funcionament es basa en l’energia d’un fotó que excita un electró i el fa saltar de nivell energètic fins que es desprèn de l’àtom de colorant, deixant un forat en la molècula. Aquest electró lliure passa a través de la capa de TiO2 fins arribar a la càrrega on es genera el corrent elèctric. Tot seguit, l’electró arriba al contra-elèctrode i és aquí on entra en contacte amb l’electròlit, el mediador iode/triiode. Aquest regenera l’electró, que anteriorment ha saltat del colorant, oxidant-se ell mateix.

Engineering the thermal emission of macroporous silicon

Todos los cuerpos emiten luz espontaneamente al ser calentados. El espectro de radiacion es una funcion de la temperatura y el material. Sin embargo, la mayoria de los materiales irradia, en general, en una banda espectral amplia. Algunas matereiales, por el contrario, son capaces de concentrar la radiacion termica en una banda espectral mucho mas estrecha. Estos materiales se conocen como emisores selectivos y su uso tiene un profundo impacto en la eficiencia de sistemas sistemas tales como iluminacion y conversion de energia termofotovoltaica. De los emisores selectivos se espera que sean capaces de operar a altas temperaturas y que emitan en una banda espectral muy concisa. Uno de los metodos mas prometedores para controlar y disenar el espectro de emision termico es la utilizacion de cristales fotonicos. Los cristales fotonicos son estructuras periodicas artificiales capaces de controlar y confinar la luz de formas sin precedentes. Sin embargo, la produccion de dichas estructuras con grandes superficies y capaces de soportar altas temperaturas sigue siendo una dificil tarea. Este trabajo esta dedicada al estudio de las propiedades de emision termica de estructuras 3D de silicio macroporoso en el rango espectral mid-IR (2-30 m). En particular, este trabajo se enfoca en reducir la elevada emisividad del silicio cristalino. Las muestras estudiadas en este trabajo tienen una periodicidad de 4 m, lo que limitan los resultados obtenidos a la banda del infrarrojo medio, aunque estructuras mucho mas pequenas son tecnologicamente realizables con el metodo de fabricacion utilizado. Hemos demostrado que el silicio macroporoso 3D puede inhibir completamente la emision termica en su superficie. Mas aun, esta banda se puede ajustar en un amplio margen mediante pequenos cambios durante la formacion de los macroporos. Tambien hemos demostrado que tanto el ancho como la frecuencia de la banda de inhibicion se puede doblar mediante la aplicacion de tecnicas de postprocesado adecuadas. Finalmente hemos mostrado que es posible crear bandas de baja emisividad arbitrariamente anchas mediante estructuras macroporosas aperiodicas.

Pyroelectric conversion: harvesting energy from temperature fluctuations

Peer reviewed

Report on theorerical results of power generation and conversion

Experimental results of a new controller able to support bidirectional power flow in a full-bridge rectifier with boost-like topology are obtained. The controller is computed using port Hamiltonian passivity techniques for a suitable generalized state space averaging truncation system, which transforms the control objectives, namely constant output voltage dc-bus and unity input power factor, into a regulation problem. Simulation results for the full system show the essential correctness of the simplifications introduced to obtain the controller, although some small experimental discrepancies point to several aspects that need further improvement.

Up-conversion effect of Er- and Yb-doped ZnO thin films

Visible up-conversion in ZnO:Er and ZnO:Er:Yb thin films deposited by RF magnetron sputtering under different O2-rich atmospheres has been studied. Conventional photoluminescence (325 nm laser source) and up-conversion (980 nm laser source) have been performed in the films before and after an annealing process at 800 °C. The resulting spectra demonstrate that the thermal treatment, either during or post-deposition, activates optically the Er3+ ions, being the latter process much more efficient. Moreover, the atmosphere during deposition was also found to be an important parameter, as the deposition under O2 flow increases the optical activity of Er+3 ions. In addition, the inclusion of Yb3+ ions into the films has shown an enhancement of the visible up-conversion emission at 660 nm by a factor of 4, which could be associated to either a better energy transfer from the 2F5/2 Yb level to the 4I11/2 Er one, or to the prevention of having Er2O3 clustering in the films.