Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Morphological and optical properties of SiON thin films for photovoltaic applications

In the last years technologies related to photovoltaic energy have rapidly developed and the interest on renewable energy power source substantially increased. In particular, cost reduction and appropriate feed-in tariff contributed to the increase of photovoltaic installation, especially in Germany and Italy. However, for several technologies, the observed experimental efficiency of solar cells is still far from the theoretical maximum efficiency, and thus there is still room for improvement. In this framework the research and development of new materials and new solar devices is mandatory. In this thesis the morphological and optical properties of thin films of nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiON) have been investigated. This material has been studied in view of its application in Si based heterojunction solar cells (HIT). Actually, a-Si:H is used now in these cells as emitter layer. Amorphous SiO_x N_y has already shown excellent properties, such as: electrical conductivity, optical energy gap and transmittance higher than the ones of a-Si:H. Nc-SiO_x N_y has never been investigated up to now, but its properties can surpass the ones of amorphous SiON. The films of nc-SiON have been deposited at the University of Konstanz (Germany). The properties of these films have been studied using of atomic force microscopy and optical spectroscopy methods. This material is highly complex as it is made by different coexisting phases. The main purpose of this thesis is the development of methods for the analyses of morphological and optical properties of nc-SiON and the study of the reliability of those methods to the measurement of the characteristics of these silicon films. The collected data will be used to understand the evolution of the properties of nc-SiON, as a function of the deposition parameters. The results here obtained show that nc-SiON films have better properties with respect to both a-Si:H and a-SiON, i. e. higher optical band-gap and transmittance. In addition, the analysis of the variation of the observed properties as a function of the deposition parameters allows for the optimization of deposition conditions for obtaining optimal efficiency of a HIT cell with SiON layer.

Mobile TuCSoN: theoretical and technological requirements for TuCSoN's porting over Android mobile devices

Communication and coordination are two key-aspects in open distributed agent system, being both responsible for the system’s behaviour integrity. An infrastructure capable to handling these issues, like TuCSoN, should to be able to exploit modern technologies and tools provided by fast software engineering contexts. Thesis aims to demonstrate TuCSoN infrastructure’s abilities to cope new possibilities, hardware and software, offered by mobile technology. The scenarios are going to configure, are related to the distributed nature of multi-agent systems where an agent should be located and runned just on a mobile device. We deal new mobile technology frontiers concerned with smartphones using Android operating system by Google. Analysis and deployment of a distributed agent-based system so described go first to impact with quality and quantity considerations about available resources. Engineering issue at the base of our research is to use TuCSoN against to reduced memory and computing capability of a smartphone, without the loss of functionality, efficiency and integrity for the infrastructure. Thesis work is organized on two fronts simultaneously: the former is the rationalization process of the available hardware and software resources, the latter, totally orthogonal, is the adaptation and optimization process about TuCSoN architecture for an ad-hoc client side release.

Sviluppo di una infrastruttura location-based per l'auto-organizzazione di smart-devices.

La tesi consiste nel realizzare una infrastruttura che mantenga il modello tipico dello Spatial Computing e coniughi al meglio le tecnologie location-based come GPS, NFC e BLE, per permettere ai moderni smart-devices Android di cooperare e auto-organizzarsi al fine di compiere un certo task definito a livello applicativo.

Spatial computing per smart devices

Magic Carpet, nato come un middleware orientato a una dimostrazione sullo spatial computing, che inizialmente coinvolgeva solo smart devices ed un tappeto di tag NFC, è il punto di partenza per uno studio sulle tecnologie abilitanti in tale campo. Il prodotto finale è una toolchain per lo sviluppo e la distribuzione, su dispositivi connessi, di applicazioni di spatial computing. Essa comprende un interprete per un DSL basato su un core calculus formalizzato, Field Calculus, e un middleware che supporta l'astrazione curando, a basso livello, le comunicazioni con il vicinato e le percezioni ambientali.

Traffic light policies for low penetration rate of monitoring devices

La gestione del traffico è una delle principali problematiche delle città moderne, e porta alla definizione di nuove sfide per quanto riguarda l’ottimizzazione del flusso veicolare. Il controllo semaforico è uno degli elementi fondamentali per ottimizzare la gestione del traffico. Attualmente la rilevazione del traffico viene effettuata tramite sensori, tra i quali vengono maggiormente utilizzate le spire magnetiche, la cui installazione e gestione implica costi elevati. In questo contesto, il progetto europeo COLOMBO si pone come obiettivo l’ideazione di nuovi sistemi di regolazione semaforica in grado di rilevare il traffico veicolare mediante sensori più economici da installare e mantenere, e capaci, sulla base di tali rilevazioni, di auto organizzarsi, traendo ispirazione dal campo dell’intelligenza artificiale noto come swarm intelligence. Alla base di questa auto organizzazione semaforica di COLOMBO vi sono due diversi livelli di politiche: macroscopico e microscopico. Nel primo caso le politiche macroscopiche, utilizzando il feromone come astrazione dell’attuale livello del traffico, scelgono la politica di gestione in base alla quantità di feromone presente nelle corsie di entrata e di uscita. Per quanto riguarda invece le politiche microscopiche, il loro compito è quello di deci- dere la durata dei periodi di rosso o verde modificando una sequenza di fasi, chiamata in COLOMBO catena. Le catene possono essere scelte dal sistema in base al valore corrente della soglia di desiderabilità e ad ogni catena corrisponde una soglia di desiderabilità. Lo scopo di questo elaborato è quello di suggerire metodi alternativi all’attuale conteggio di questa soglia di desiderabilità in scenari di bassa presenza di dispositivi per la rilevazione dei veicoli. Ogni algoritmo complesso ha bisogno di essere ottimizzato per migliorarne le performance. Anche in questo caso, gli algoritmi proposti hanno subito un processo di parameter tuning per ottimizzarne le prestazioni in scenari di bassa presenza di dispositivi per la rilevazione dei veicoli. Sulla base del lavoro di parameter tuning, infine, sono state eseguite delle simulazioni per valutare quale degli approcci suggeriti sia il migliore.

Insertion of Dissipative Devices in Precast RC Structures

Viscous dampers are characterized as very effective devices applied for seismic design and retrofitting. The objective of this thesis is to apply the Five-Step Procedure ,developed by a research group in University of Bologna, for sizing the viscous dampers to be installed in an existing precast RC structure. The idea is to apply the viscous damping devices in different positions in the structure then to identify and compare the performance of all types placement position.

Nano-scale morphological and electrical characterization of nc-SiOxNy thin layers for photovoltaic applications

Il presente lavoro di tesi propone uno studio approfondito di proprietà morfologiche e di trasporto di carica di film sottili di SiOxNy amorfi (a-SiOxNy) e nanocristallini (nc-SiOxNy), che trovano importanti applicazioni in celle fotovoltaiche ad eterogiunzione in silicio, ad alta efficienza. Lo studio è condotto mediante caratterizzazione elettrica e morfologica attraverso tecniche di microscopia a forza atomica (AFM). Sono stati studiati campioni di a-SiOxNy cresciuti con tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in cui è stata variata unicamente la distanza tra gli elettrodi durante la deposizione. Sono stati inoltre studiati campioni di nc-SiOxNy, cresciuti con PECVD con una differente percentuale di N2O come gas precursore e un differente tempo di annealing. In entrambi i casi si tratta di un materiale innovativo, le cui proprietà fisiche di base, nonostante le numerose applicazioni, sono ancora poco studiate. L'analisi morfologica, condotta mediante AFM e successiva analisi statistica delle immagini, ha permesso di determinare alcune proprietà morfologiche dei campioni. L’analisi statistica delle immagini è stata validata, dimostrandosi stabile e consistente per lo studio di queste strutture. Lo studio delle proprietà di trasporto è stato condotto mediante acquisizione di mappe di corrente con tecnica conductive-AFM. In questo modo si è ottenuta una mappa di conducibilità locale nanometrica, che permette di comprendere come avviene il trasporto nel materiale. L'analisi di questo materiale mediante tecniche AFM ha permesso di evidenziare che l'annealing produce nei materiali nanocristallini sia un clustering della struttura, sia un significativo aumento della conducibilità locale del materiale. Inoltre la distanza tra gli elettrodi in fase di deposizione ha un leggero effetto sulle dimensioni dei grani. È da notare inoltre che su questi campioni si sono osservate variazioni locali della conducibilità alla nanoscala. L’analisi delle proprietà dei materiali alla nanoscala ha contribuito alla comprensione più approfondita della morfologia e dei meccanismi di trasporto elettronico.

Charge and spin transport in memristive La0.7Sr0.3Mno3/SrTiO3/Co devices

Il lavoro svolto si concentra sul trasporto di carica e spin in dispositivi trilayer La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co multifunzionali. Questi dispositivi mostrano sia magnetoresistenza che resistive switching, con un'interessante interazione fra i due effetti. Le giunzioni SrTiO3 sono state scelte per questo lavoro sia per via dei precedenti studi su SrTiO3 come barriera in dispositivi spintronici (cioè dispositivi con magnetoresistenza), sia perché sono promettenti come materiale base per costruire memristor (cioè dispositivi con resistive switching). Il lavoro di tesi è stato svolto all'Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati (ISMN-CNR) a Bologna. Nella prima parte di questa tesi illustrerò la fisica dietro al resistive switching e alla magnetoresistenza di dispositivi trilayer, mostrando anche risultati di studi su dispositivi simili a quelli da me studiati. Nella seconda parte mostrerò la complessa fisica degli ossidi utilizzati nei nostri dispositivi e i possibili meccanismi di trasporto attraverso essi. Nell'ultima parte descriverò i risultati ottenuti. I dispositivi La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3/Co sono stati studiati tramite caratterizzazione elettrica, di magnetotrasporto e con spettroscopia di impedenza. Le misure ottenute hanno mostrato una fisica molto ricca dietro al trasporto di spin e carica in questi dispositivi, e la mutua interazione fra fenomeni spintronici e di resistive switching rappresenta una chiave per comprendere la fisica di questi fenomeni. Analisi dati della dipendenza della resistenza della temperature e caratteristiche corrente-tensioni saranno usati per quantificare e descrivere il trasporto in questi dispositivi.

Energy harvesting from piezoelectric devices embedded in a 3D printed wing

This thesis work has been carried out at Clarkson University in Potsdam NY, USA and involved the design of a low elongation wing, consisting of parts made by polylactide (PLA) using the fused deposition model (FDM) technology of Rapid Prototyping, then assembled together in a thin aluminum spar. The aim of the research is to evaluate the feasibility of collecting electrical energy by converting mechanical energy from the vibration of the wing flutter. With this aim piezoelectric stripes were glued in the inner part of the wing, as well as on the aluminum spar, as monomorphic configuration. During the phases of the project, particular attention was given to the geometry and the materials used, in order to trigger the flutter for low flow velocity. The CAD software SolidWorks® was used for the design of the wing and then the drawings were sent to the Clarkson machine shop in order to to produce the parts required by the wing assembly. FEM simulations were performed, using software MSC NASTRAN/PATRAN®, to evaluate the stiffness of the whole wing as well as the natural vibration modes of the structure. These data, in a first approximation, were used to predict the flutter speed. Finally, experimental tests in the Clarkson wind tunnel facility were carried out in order to validate the results obtained from FEM analysis. The power collected by the piezoelectrics under flutter condition was addressed by tuning the resistors downstream the electronic circuit of the piezoelectrics.

Smart execution of distributed application by balancing resources in mobile devices and cloud-based avatars

L’obiettivo del progetto di tesi svolto è quello di realizzare un servizio di livello middleware dedicato ai dispositivi mobili che sia in grado di fornire il supporto per l’offloading di codice verso una infrastruttura cloud. In particolare il progetto si concentra sulla migrazione di codice verso macchine virtuali dedicate al singolo utente. Il sistema operativo delle VMs è lo stesso utilizzato dal device mobile. Come i precedenti lavori sul computation offloading, il progetto di tesi deve garantire migliori performance in termini di tempo di esecuzione e utilizzo della batteria del dispositivo. In particolare l’obiettivo più ampio è quello di adattare il principio di computation offloading a un contesto di sistemi distribuiti mobili, migliorando non solo le performance del singolo device, ma l’esecuzione stessa dell’applicazione distribuita. Questo viene fatto tramite una gestione dinamica delle decisioni di offloading basata, non solo, sullo stato del device, ma anche sulla volontà e/o sullo stato degli altri utenti appartenenti allo stesso gruppo. Per esempio, un primo utente potrebbe influenzare le decisioni degli altri membri del gruppo specificando una determinata richiesta, come alta qualità delle informazioni, risposta rapida o basata su altre informazioni di alto livello. Il sistema fornisce ai programmatori un semplice strumento di definizione per poter creare nuove policy personalizzate e, quindi, specificare nuove regole di offloading. Per rendere il progetto accessibile ad un più ampio numero di sviluppatori gli strumenti forniti sono semplici e non richiedono specifiche conoscenze sulla tecnologia. Il sistema è stato poi testato per verificare le sue performance in termini di mecchanismi di offloading semplici. Successivamente, esso è stato anche sottoposto a dei test per verificare che la selezione di differenti policy, definite dal programmatore, portasse realmente a una ottimizzazione del parametro designato.

Morphological characterization of ZnS thin films for photovoltaic applications

Le celle solari a film sottile sono tra le alternative più promettenti nel campo fotovoltaico. La ricerca di materiali non tossici ed economici per la passivazione delle superfici è di fondamentale importanza. Il presente è uno studio sulla morfologia di film sottili di ZnS. I campioni analizzati sono stati cresciuti tramite DC sputtering a diversa potenza (range 50-150W) per studiare le connessioni tra condizioni di deposizione e proprietà strutturali. Lo studio è stato condotto mediante acquisizione di mappe AFM. E' stata effettuata un'analisi dei buchi (dips) in funzione della potenza di sputtering, per individuare il campione con la minore densità di dips in vista di applicazioni in celle solari a film sottile. I parametri strutturali, quali la rugosità superficiale e la lunghezza di correlazione laterale sono stati determinati con un'analisi statistica delle immagini. La densità e dimensione media dei grani sono state ricavate da una segmentazione delle immagini. Le analisi sono state svolte su due campioni di ZnO per fini comparativi. Tramite EFM sono state ottenute mappe di potenziale di contatto. Tramite KPFM si è valutata la differenza di potenziale tra ZnS e un layer di Al depositato sulla superficie. La sheet resistance è stata misurata con metodo a quattro punte. Dai risultati la potenza di sputtering influenza la struttura superficiale, ma in maniera non lineare. E' stato individuato il campione con la minore rugosità e densità di dips alla potenza di 75 W. Si è concluso che potenze troppo grandi o piccole in fase di deposizione promuovono il fenomeno di clustering dei grani e di aumentano la rugosità e densità di dips. E' emersa una corrispondenza diretta tra morfologia e potenziale di contatto alla superficie. La differenza di potenziale tra Al e ZnS è risultata inferiore al valore noto, ciò può essere dovuto a stati superficiali indotti da ossidi. Il campione risulta totalmente isolante.