Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.

Development and performance assessment of a Plasma Focus electron beam generator for Intra-Operative Radiation Therapy

The Plasma Focus is a device designed to generate a plasma sheet between two coaxial electrodes by means of a high voltage difference. The plasma is then driven to collapse into a “pinch”, where thermonuclear conditions prevail. During the “pinch phase” charged particles are emitted, with two main components: an ion beam peaked forward and an electron beam directed backward. The electron beam emitted backward by Plasma Focus devices is being investigated as a radiation source for medical applications, using it to produce x-rays by interaction with appropriate targets (through bremsstrahlung and characteristic emission). A dedicated Plasma Focus device, named PFMA-3 (Plasma Focus for Medical Applications number 3), has been designed, put in operation and tested by the research groups of the Universities of Bologna and Ferrara. The very high dose rate (several gray per discharge, in less than 1 µs) is a peculiarity of this device that has to be investigated, as it might modify the relative biological effectiveness (RBE). Aim of this Ph.D. project was to investigate the main physical properties of the low-energy x-ray beams produced by a Plasma Focus device and their potential medical applications to IORT treatments. It was necessary to develop the optimal geometrical configuration; to evaluate the x-rays produced and their dose deposited; to estimate the energy electron spectrum produced in the “pinch phase”; to study an optimal target for the conversion of the x-rays; to conduct simulations to study the physics involved; and in order to evaluate the radio-biological features of the beam, cell holders had to be developed for both irradiations and cell growth conditions.

RNA non-codificanti indotti da danno al DNA regolano il fattore di trascrizione HIF-1α

Recenti analisi sull’intero trascrittoma hanno rivelato una estensiva trascrizione di RNA non codificanti (ncRNA), le quali funzioni sono tuttavia in gran parte sconosciute. In questo lavoro è stato dimostrato che alte dosi di camptotecina (CPT), un farmaco antitumorale inibitore della Top1, aumentano la trascrizione di due ncRNA antisenso in 5’ e 3’ (5'aHIF-1α e 3'aHIF-1α rispettivamente) al locus genico di HIF-1α e diminuiscono i livelli dell’mRNA di HIF-1α stesso. Gli effetti del trattamento sono Top1-dipendenti, mentre non dipendono dal danno al DNA alla forca di replicazione o dai checkpoint attivati dal danno al DNA. I ncRNA vengono attivati in risposta a diversi tipi di stress, il 5'aHIF-1α è lungo circa 10 kb e possiede sia il CAP in 5’ sia poliadenilazione in 3’ (in letteratura è noto che il 3'aHIF-1α è un trascritto di 1,7 kb, senza 5’CAP né poliadenilazione). Analisi di localizzazione intracellulare hanno dimostrato che entrambi sono trascritti nucleari. In particolare 5'aHIF-1α co-localizza con proteine del complesso del poro nucleare, suggerendo un suo possibile ruolo come mediatore degli scambi della membrana nucleare. È stata dimostrata inoltre la trascrizione dei due ncRNA in tessuti di tumore umano del rene, evidenziandone possibili ruoli nello sviluppo del cancro. È anche noto in letteratura che basse dosi di CPT in condizioni di ipossia diminuiscono i livelli di proteina di HIF-1α. Dopo aver dimostrato su diverse linee cellulari che i due ncRNA sopracitati non potessero essere implicati in tale effetto, abbiamo studiato le variazioni dell’intero miRnoma alle nuove condizioni sperimentali. In tal modo abbiamo scoperto che il miR-X sembra essere il mediatore molecolare dell’abbattimento di HIF-1α dopo trattamento con basse dosi di CPT in ipossia. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che il fattore di trascrizione HIF-1α venga finemente regolato da RNA non-codificanti indotti da danno al DNA.

L’elusione fiscale nell’IVA e l’antielusione nell’esperienza comunitaria e nazionale in Europa

La ricerca oggetto della tesi riguarda la disamina delle esperienze comunitarie e nazionali in Europa in materia di elusione IVA ed antielusione IVA, al fine di esaminare le utilizzabili esperienze in materia per la Cina che dovrebbe iniziare a prendere le giuste azioni per fronteggiare il problema della crescente diffusione dei fenomeni dell’elusione IVA, in particolare nel contesto della riforma perdurante dell’IVA cinese verso il modello moderno. A questo fine, prima la tesi ha analizzato dettagliatamente le seguenti principali questioni sulla base delle esperienze comunitarie e nazionali dei determinati Stati Membri dell’UE: la definizione dell’elusione fiscale generale (a tale proposito, più rilevanti le differenze tra elusione fiscale ed altri relativi concetti come risparmio d’imposta, evasione fiscale e simulazione e la relazione intrinseca tra elusione fiscale ed altri relativi concetti come frode alla legge ed abuso del diritto), la definizione dell’elusione IVA (a tale proposito, più rilevanti gli aspetti di particolare interesse ai fini della definizione dell’elusione IVA), i principi e metodologie dell’elusione IVA, le applicazioni delle varie misure antielusive rivolte all’elusione IVA nell’ordinamento comunitario e negli ordinamenti interni degli alcuni principali Stati Membri dell’UE (a tale proposito, più rilevanti l’applicazone del principio Halifax, quale norma antielusiva generale basata sul principio di divieto dell’abuso del diritto, e la considerazione delle altre soluzioni antielusive applicabili nell’IVA, comprese correzioni normative e clausole antielusive specifiche), gli effetti dell’antielusione IVA e i limiti entro cui l’autorità impositiva può esercitare l’antielusione IVA per la tutela degli interessi legittimi dei soggetti passivi come certezza giuridica ed autonomia contrattuale. Poi, la tesi ha avanzato le proposte relative al perfezionamento delle soluzioni antielusive IVA nell’ordinamento tributario cinese, dopo presentati i principali regimi attuali dell’IVA cinese e analizzate le situazioni attuali realtive all’elusione IVA e all’antielusione IVA nel sistema fiscale cinese.

Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Spectrum reconstruction from a scattering measurement using the adjoint Boltzmann transport equation for photons

Quality control of medical radiological systems is of fundamental importance, and requires efficient methods for accurately determine the X-ray source spectrum. Straightforward measurements of X-ray spectra in standard operating require the limitation of the high photon flux, and therefore the measure has to be performed in a laboratory. However, the optimal quality control requires frequent in situ measurements which can be only performed using a portable system. To reduce the photon flux by 3 magnitude orders an indirect technique based on the scattering of the X-ray source beam by a solid target is used. The measured spectrum presents a lack of information because of transport and detection effects. The solution is then unfolded by solving the matrix equation that represents formally the scattering problem. However, the algebraic system is ill-conditioned and, therefore, it is not possible to obtain a satisfactory solution. Special strategies are necessary to circumvent the ill-conditioning. Numerous attempts have been done to solve this problem by using purely mathematical methods. In this thesis, a more physical point of view is adopted. The proposed method uses both the forward and the adjoint solutions of the Boltzmann transport equation to generate a better conditioned linear algebraic system. The procedure has been tested first on numerical experiments, giving excellent results. Then, the method has been verified with experimental measurements performed at the Operational Unit of Health Physics of the University of Bologna. The reconstructed spectra have been compared with the ones obtained with straightforward measurements, showing very good agreement.

Variabilità spaziale dei parametri di modelli afflussi-deflussi

L’invarianza spaziale dei parametri di un modello afflussi-deflussi può rivelarsi una soluzione pratica e valida nel caso si voglia stimare la disponibilità di risorsa idrica di un’area. La simulazione idrologica è infatti uno strumento molto adottato ma presenta alcune criticità legate soprattutto alla necessità di calibrare i parametri del modello. Se si opta per l’applicazione di modelli spazialmente distribuiti, utili perché in grado di rendere conto della variabilità spaziale dei fenomeni che concorrono alla formazione di deflusso, il problema è solitamente legato all’alto numero di parametri in gioco. Assumendo che alcuni di questi siano omogenei nello spazio, dunque presentino lo stesso valore sui diversi bacini, è possibile ridurre il numero complessivo dei parametri che necessitano della calibrazione. Si verifica su base statistica questa assunzione, ricorrendo alla stima dell’incertezza parametrica valutata per mezzo di un algoritmo MCMC. Si nota che le distribuzioni dei parametri risultano in diversa misura compatibili sui bacini considerati. Quando poi l’obiettivo è la stima della disponibilità di risorsa idrica di bacini non strumentati, l’ipotesi di invarianza dei parametri assume ancora più importanza; solitamente infatti si affronta questo problema ricorrendo a lunghe analisi di regionalizzazione dei parametri. In questa sede invece si propone una procedura di cross-calibrazione che viene realizzata adottando le informazioni provenienti dai bacini strumentati più simili al sito di interesse. Si vuole raggiungere cioè un giusto compromesso tra lo svantaggio derivante dall’assumere i parametri del modello costanti sui bacini strumentati e il beneficio legato all’introduzione, passo dopo passo, di nuove e importanti informazioni derivanti dai bacini strumentati coinvolti nell’analisi. I risultati dimostrano l’utilità della metodologia proposta; si vede infatti che, in fase di validazione sul bacino considerato non strumentato, è possibile raggiungere un buona concordanza tra le serie di portata simulate e osservate.

Infrastrutture per la mobilità, interventi di trasformazione territoriale e valorizzazione immobiliare: una proposta metodologica di approccio integrato

In una situazione caratterizzata dalla scarsità delle risorse finanziare a disposizione degli enti locali, che rende necessario il contributo dei privati alla realizzazione delle opere pubbliche, e dalla scarsità delle risorse ambientali, che impone di perseguire la sostenibilità degli interventi, la tesi si pone l’obiettivo di rendere le realizzazioni di nuove infrastrutture viarie “attive” rispetto al contesto in cui si collocano, garantendo l’impegno di tutte parti coinvolte. Si tratta di ottenere il contributo dei privati oltre che per le opere di urbanizzazione primaria, funzionali all’insediamento stesso, anche per la realizzazione di infrastrutture viarie non esclusivamente dedicate a questo, ma che sono necessarie per garantirne la sostenibilità. Tale principio, che viene anche denominato “contributo di sostenibilità”, comincia oggi a trovare un’applicazione nelle pratiche urbanistiche, sconta ancora alcune criticità, in quanto i casi sviluppati si basano spesso su considerazioni che si prestano a contenziosi tra operatori privati e pubblica amministrazione. Ponendosi come obiettivo la definizione di una metodologia di supporto alla negoziazione per la determinazione univoca e oggettiva del contributo da chiedere agli attuatori delle trasformazioni per la realizzazione di nuove infrastrutture viarie, ci si è concentrati sullo sviluppo di un metodo operativo basato sull’adozione dei modelli di simulazione del traffico a 4 stadi. La metodologia proposta è stata verificata attraverso l’applicazione ad un caso di studio, che riguarda la realizzazione di un nuovo asse viario al confine tra i comuni di Castel Maggiore ed Argelato. L’asse, indispensabile per garantire l’accessibilità alle nuove aree di trasformazione che interessano quel quadrante, permette anche di risolvere alcune criticità viabilistiche attualmente presenti. Il tema affrontato quindi è quello della determinazione del contributo che ciascuno degli utilizzatori del nuovo asse dovrà versare al fine di consentirne la realizzazione. In conclusione, si formulano alcune considerazioni sull’utilità della metodologia proposta e sulla sua applicabilità a casi analoghi.

Riconversione degli impianti saccariferi per la valorizzazione della filiera agro-energetica: analisi di impatto sul comprensorio agricolo

Il presente lavoro trae origine dagli obiettivi e dalle relative misure applicative della riforma dell’OCM zucchero del 2006 e nello specifico dal Piano nazionale per la razionalizzazione e riconversione della produzione bieticolo-saccarifera approvato dal MIPAF nel 2007. Lo studio riguarda la riconversione dello zuccherificio di Finale Emilia (MO), di appartenenza del Gruppo bieticolo-saccarifero Co.Pro.B, in un impianto di generazione di energia elettrica e termica che utilizza biomassa di origine agricola per la combustione diretta. L'alimentazione avviene principalmente dalla coltivazione dedicata del sorgo da fibra (Sorghum bicolor), integrata con risorse agro-forestali. Lo studio mostra la necessità di coltivazione di 4.400 ettari di sorgo da fibra con una produzione annua di circa 97.000 t di prodotto al 75% di sostanza secca necessari per l’alimentazione della centrale a biomassa. L’obiettivo é quello di valutare l’impatto della nuova coltura energetica sul comprensorio agricolo e sulla economia dell’impresa agricola. La metodologia adottata si basa sulla simulazione di modelli aziendali di programmazione lineare che prevedono l’inserimento del sorgo da fibra come coltura energetica nel piano ottimo delle aziende considerate. I modelli predisposti sono stati calibrati su aziende RICA al fine di riprodurre riparti medi reali su tre tipologie dimensionali rappresentative: azienda piccola entro i 20 ha, media da 20 a 50 ha e grande oltre i 50 ha. La superficie di entrata a livello aziendale, se rapportata alla rappresentatività delle aziende dell’area di studio, risulta insufficiente per soddisfare la richiesta di approvvigionamento dell’impianto a biomassa. Infatti con tale incremento la superficie di coltivazione nel comprensorio si attesta sui 2.500 ettari circa contro i 4.400 necessari alla centrale. Lo studio mostra pertanto che occorre un incentivo superiore, di circa 80-90 €/ha, per soddisfare la richiesta della superficie colturale a livello di territorio. A questi livelli, la disponibilità della coltura energetica sul comprensorio risulta circa 9.500 ettari.

The AMS-02 Experiment and the Dark Matter Search

AMS-02 is running after great scientific goals since one year and a half: a final setting up for dark matter searches has been achieved, allowing to study the so important antiparticle to particle ratios, which will probably be the first dark matter signals ever corroborated. Even if primary cosmic rays fluxes are subjected to a lot of uncertainties sources, some statements can be done and have been written down about dark matter properties: DM should be a heavy Majorana fermion or Spin 0 or 1 boson, with a mass from about 1 TeV to 10 TeV - unveiling a new TeV-ish search age - which could be able to originate antiparticle fluxes enhancements at high energies, both for positrons and antiprotons. All the observations, direct and indirect, point to these new paradigms or can be traced back to them quite easily. These enhancements perfectly fall into the research window of AMS-02, allowing the experiment to attack each today credible theory. Also an investigation of the Sommerfeld effect-associated dark boson will be possible, in terms of antiparticle to particle ratios substructures. The first great AMS-02 measurement is the positron fraction: an official paper is going to be submitted in few months, where the correct behavior of the apparatus will be reviewed and the full positron fraction rate will be analyzed up to 200 GeV. In this concern, one of the objectives of this work is to test the AMS-02 capability and versatility in doing these dark matter researches, thanks to an orbital temporal (and geomagnetic) stability. The goal has been accomplished: the experiment is very stable in time, so that the temporal error associated to the positron fraction measurement is compatible with zero, offering a beyond belief opportunity to measure CR antiparticle to particle ratios.

Study of the forward photons productions in pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV with the ZDC detector of the ATLAS experiment

The Zero Degree Calorimeter (ZDC) of the ATLAS experiment at CERN is placed in the TAN of the LHC collider, covering the pseudorapidity region higher than 8.3. It is composed by 2 calorimeters, each one longitudinally segmented in 4 modules, located at 140 m from the IP exactly on the beam axis. The ZDC can detect neutral particles during pp collisions and it is a tool for diffractive physics. Here we present results on the forward photon energy distribution obtained using p-p collision data at sqrt{s} = 7 TeV. First the pi0 reconstruction will be used for the detector calibration with photons, then we will show results on the forward photon energy distribution in p-p collisions and the same distribution, but obtained using MC generators. Finally a comparison between data and MC will be shown.

Measurement of the ZZ production cross section and limits on anomalous neutral triple gauge couplings with ATLAS

The main work of this thesis concerns the measurement of the production cross section using LHC 2011 data collected at a center-of-mass energy equal to 7 TeV by the ATLAS detector and resulting in a total integrated luminosity of 4.6 inverse fb. The ZZ total cross section is finally compared with the NLO prediction calculated with modern Monte Carlo generators. In addition, the three differential distributions (∆φ(l,l), ZpT and M4l) are shown unfolded back to the underlying distributions using a Bayesian iterative algorithm. Finally, the transverse momentum of the leading Z is used to provide limits on anoumalus triple gauge couplings forbidden in the Standard Model.

Measurement of the differential cross section of tt pairs in pp collision at sqrt(s) = 7TeV with the ATLAS detector at the LHC

In this thesis three measurements of top-antitop differential cross section at an energy in the center of mass of 7 TeV will be shown, as a function of the transverse momentum, the mass and the rapidity of the top-antitop system. The analysis has been carried over a data sample of about 5/fb recorded with the ATLAS detector. The events have been selected with a cut based approach in the "one lepton plus jets" channel, where the lepton can be either an electron or a muon. The most relevant backgrounds (multi-jet QCD and W+jets) have been extracted using data driven methods; the others (Z+ jets, diboson and single top) have been simulated with Monte Carlo techniques. The final, background-subtracted, distributions have been corrected, using unfolding methods, for the detector and selection effects. At the end, the results have been compared with the theoretical predictions. The measurements are dominated by the systematic uncertainties and show no relevant deviation from the Standard Model predictions.

Measurement of K(892)*0 resonance production in Pb-Pb collisions with the ALICE experiment at the LHC

The analysis of the K(892)*0 resonance production in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV with the ALICE detector at the LHC is presented. The analysis is motivated by the interest in the measurement of short-lived resonances production that can provide insights on the properties of the medium produced in heavy-ion collisions both during its partonic (Quark-Gluon Plasma) and hadronic phase. This particular analysis exploits particle identification of the ALICE Time-Of-Flight detector. The ALICE experiment is presented, with focus on the performance of the Time-Of-Flight system. The aspects of calibration and data quality controls are discussed in detail, while illustrating the excellent and very stable performance of the system in different collision environments at the LHC. A full analysis of the K*0 resonance production is presented: from the resonance reconstruction to the determination of the efficiency and the systematic uncertainty. The results show that the analysis strategy discussed is a valid tool to measure the K∗0 up to intermediate momenta. Preliminary results on K*0 resonance production at the LHC are presented and confirmed to be a powerful tool to study the physics of ultra-relativistic heavy-ion collisions.