Efficiency limits for silicon/perovskite tandem solar cells: a theoretical model

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

Misure preliminari a temperature variabili su SiPM per future applicazioni nell'esperimento XENON

Negli ultimi decenni la materia oscura è stata oggetto di crescente interesse scientifico: dati sperimentali indicano che essa costituisce il 26.8% della massa totale dell'Universo ma le sue origini e natura rimangono ancora ignote. Essa interagisce solo gravitazionalmente in quanto priva di carica, caratteristica che ne rende molto difficile la rivelazione. Numerosi esperimenti in tutto il mondo sono alla ricerca di maggiori informazioni riguardo la natura della materia oscura tramite metodi di rivelazione indiretta e diretta; questi ultimi sono accumunati da rivelatori molto massivi per sopperire alla piccola sezione d'urto di interazione e situati in ambienti molto isolati per diminuire il rumore di fondo dovuto alla radioattività terrestre. Tra le varie ipotesi avanzate riguardo la natura della materia oscura spiccano le WIMP, Weakly Interacting Massive Particle. L'esperimento XENON, situato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, si occupa della rivelazione diretta di WIMP studiandone l'urto elastico con i nuclei di Xeno, presente allo stato liquido e gassoso all'interno della TPC, il rivelatore fulcro dell'esperimento. I primi risultati dell'ultima fase del progetto sono attesi per l'inizio del 2016; grazie alla massa fiduciale di circa una tonnellata di Xeno, da cui il nome XENON1T, e a migliorie atte a diminuire il rumore di fondo, quali la scelta accurata di materiali a bassa radioattività e a un sistema di veto dei muoni, si ipotizza che il rivelatore raggiungerà una sensibilità due ordini di grandezza superiore a quelle finora raggiunte. Sono in fase di ricerca soluzioni per incrementare la raccolta di luce del rivelatore, nell'ottica di diminuire l'energia di soglia di rivelazione migliorandone la sensibilità. Una delle possibili soluzioni consiste nell'affiancare i PMT già in uso con fotomoltiplicatori al Silicio SiPM. Essi dovranno essere in grado di lavorare a una temperatura di sim ~170 K ed avere una buona efficienza di rivelazione per fotoni di lunghezza d'onda di ~178 nm. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo del lavoro di tesi presentato è stato la misura della variazione di guadagno e conteggi di buio dei SiPM a disposizione in funzione della temperatura

Study of Periodic and Quasi-Periodic Structures in Silicon-on-Insulator

In this thesis, a numerical design approach has been proposed and developed based on the transmission matrix method in order to characterize periodic and quasi-periodic photonic structures in silicon-on-insulator. The approach and its performance have been extensively tested with specific structures in 2D and its validity has been verified in 3D.

Results of the ageing campaign of the photomultiplier Hamamatsu R760

Il guadagno di un PMT è il fattore di amplificazione tra la corrente generata dal fotocatodo e quella finale dell’anodo. Quando un PMT è soggetto a una sorgente luminosa per lunghi periodi di tempo (processo noto come "invecchiamento"), il suo guadagno tende a diminuire. In questa tesi sono riportati i risultati della campagna di invecchiamento di un fotomoltiplicatore Hamamatsu R760. In particolare, è stato studiato come variasse il guadagno in funzione della carica integrata dal PMT tramite due principali tipi di misure: quella del guadagno assoluto, che consiste in singole misure di guadagno nella condizione di emissione di un singolo fotoelettrone alla volta, e quelle di guadagno relativo, le quali hanno permesso di studiare la dipendenza tra guadagno e voltaggio applicato al PMT. Il PMT in esame è stato fatto invecchiare fino a una carica integrata totale pari a 342 C. Una volta raggiunti i 282 C, è stato spento per 20 giorni, in modo da studiare l’eventuale capacità di recuperare guadagno durante i periodi di inattività. É stata osservata una rapida decrescita del guadagno nei primi 40 C integrati, com- inciando da 7.79 · 10^6 fino a un valore pari a 1.68 · 10^6, seguita da oscillazioni minori attorno a una decrescita lineare media. Dopo il periodo di inattività non è stato rilevato alcun recupero significativo di guadagno. Il guadagno del PMT dipende dal voltaggio applicato tramite una legge a potenza, i cui parametri sono stati misurati. In particolare, gli esponenti di tale relazione sono stati soggetti a una decrescita rapida iniziale (nei primi 40 C di carica integrata), seguita da una stabilizzazione. Inoltre, sono stati ricavati i valori di tensione da applicare al PMT per mantenere il guadagno a un valore costante di 1.5 · 10^5 in funzione della carica integrata. Questo valore è stato scelto come punto di lavoro per il rivelatore PLUME installato nell’esperimento LHCb, che utilizzerà questo tipo di PMT per la sua campagna di misure.

Characterization of innovative kerfless cutting of monocrystalline silicon wafers for photovoltaic applications

Nowadays renewable energies are a hot research topic, and the goal is to improve cell efficiency and reduce production costs, aiming to make the use of photovoltaics increasingly widespread and convenient. Monocrystalline silicon solar cells are leaders in the photovoltaic market. However, market-established cutting techniques produce a consistent amount of material waste when cutting ingots into wafers. The“Stress-induced LIft-Off Method” (SLIM) is emerging in recent years as an alternative, more sustainable separation technique, which reduces material loss and can lead to obtaining increasingly thinner wafers, further reducing the required amount of silicon. This thesis presents the micro-characterization of the separated wafers with the SLIM technique. The wafers were obtained with a two-step procedure. First, a layer of defects was induced in the silicon using ultra-short medium-infrared laser pulses. Then, the material was deposited on one of the sides and induced stress in the silicon, such as to further weaken it. In this way, only rapid cooling is required for detachment to occur. The obtained results indicate that the SLIM-cut technique halves the minority carriers’ lifetime. There is no amorphization, crystal disorder or high-pressure phases. However, changes in the Raman spectra suggest that tensile stress may have been produced on these surface layers by the separation process. The AFM topography highlights surface irregularities, which may be removed with a polishing step. The surface also shows laser-modified regions, which are evident in SEM images, but not in AFM topographies, suggesting a charging effect due to electron bombardment. Lastly, the electrical characterization by conductive AFM lacks any changes in the conductive behaviour of the material where the laser-modified areas should be located. In conclusion, these preliminary results are promising to carry out a systematic characterization of this technique of this innovative SLIM technique.

Quality controls for the Mu2e electromagnetic calorimeter and R&D studies for the muon capture rate determination

According to the SM, while Lepton Flavour Violation is allowed in the neutral sector, Charged Lepton Flavour Violation (CLFV) processes are forbidden. The Mu2e Experiment at Fermilab will search for the CLFV process of neutrinoless conversion of a muon into an electron within the field of an Al nucleus. The Mu2e detectors and its state-of-the-art superconducting magnetic system are presented, with special focus put to the electromagnetic crystal calorimeter. The calorimeter is composed by two annular disks, each one hosting pure CsI crystals read-out by custom silicon photomultipliers (SiPMs). The SiPMs are amplified by custom electronics (FEE) and are glued to copper holders in group of 2 SiPMs and 2 FEE boards thus forming a crystal Readout Unit. These Readout Units are being tested at the Quality Control (QC) Station, whose design, realization and operations are presented in this work. The QC Station allows to determine the gain, the response and the photon detection efficiency of each unit and to evaluate the dependence of these parameters from the supply voltage and temperature. The station is powered by two remotely-controlled power supplies and monitored thanks to a Slow Control system which is also illustrated in this work. In this thesis, we also demonstrated that the calorimeter can perform its own measurement of the Mu2e normalization factor, i.e. the counting of the 1.8 MeV photon line produced in nuclear muon captures. A specific calorimeter sub-system called CAPHRI, composed by four LYSO crystals with SiPM readout, has been designed and tested. We simulated the capability of this system on performing this task showing that it can get a faster and more reliable measurement of the muon capture rates with respect to the current Mu2e detector dedicated to this measurement. The characterization of energy resolution and response uniformity of the four procured LYSO crystals are llustrated.