Interfacial effects in organic solar cells

Solceller baserade på organiska halvledare erbjuder en möjlighet till storskalig och billig solenergiproduktion. Organiska halvledare har den fördelen att de är lösningsprocesserbara vilket gör att solceller och andra elektroniska komponenter baserade på dessa halvledare kan tillverkas vid låga temperaturer och med liten energiförbrukning. Nackdelen med dessa material är deras strukturella och energetiska oordning som leder till lägre effektivitet. För att organiska solceller ska kunna kommersialiseras krävs grundläggande insikter i de olika processer som begränsar effektiviteten. En stor del av forskningen om dessa processer har varit fokuserad kring egenskaperna av solcellens olika komponenter (de aktiva materialen) som sådana, medan gränsytorna mellan olika material har fått mindre uppmärksamhet. Gränsytor mellan olika material har distinkt olika egenskaper jämfört med ett rent material, och gränsytors olika egenskaper kan ha en väldigt stor inverkan på hur solcellerna fungerar. Syftet med denna avhandling är att klargöra några olika gränsyterelaterade effekter i organiska dioder och solceller. De gränsytor som behandlas är gränsytan mellan kontakten och det aktiva lagret (metall-organisk) och gränsytan mellan donor och acceptor (organisk-organisk). Resultaten visar att metall-organiska gränsytor måste designas noggrant för att begränsa förlust av effektivitet. En icke-idealisk kontakt leder till starkt reducerad effektivitet på grund av att elektronerna extraheras ineffektivt. Även till synes idealiska kontakter kan orsaka förluster genom spontan laddningsöverföring från metallen till det organiska lagret som effektivt sett minskar på den spänning som cellen kan alstra. Den organisk-organiska gränsytan påverkar hur mycket ström cellen kan alstra och beroende på gränsytans beskaffenhet kan de negativa rekombinationsprocesserna i materialet kontrolleras. ------------------------------------------------- Orgaanisille puolijohteille perustuvat aurinkokennot mahdollistavat suurimuotoisen ja edullisen aurinkoenergiatuotannon. Orgaanisten puolijohteiden etu on että ne voidaan liuottaa, jolloin aurinkokennot ja muut näille johteille perustuvat elektroniset komponentit voidaan valmistaa alhaisessa lämpötilassa kuluttaen vähän energiaa. Materiaalien huonona puolena on kuitenkin niiden rakenteellinen ja energeettinen epäjärjestys, jonka seurauksena niiden tehokkuus on huonompi. Orgaanisten aurinkokennojen kaupallistaminen edellyttää perustavanlaatuista ymmärystä tehokkuutta rajoittavista prosesseista. Aurinkokennotutkimus on pääosin keskittynyt aurinkokennon eri komponenttien (aktiivisten materiaalien) ominaisuuksiin, kun taas eri materiaalien rajapinnat ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Eri materiaalien välisillä rajapinnoilla on huomattavan erilaisia ominaisuuksia verrattuna puhtaisiin materiaaleihin. Rajapintojen ominaisuudet voivat kuitenkin vaikuttaa merkittävästi aurinkokennojen toimintaan. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena on selventää joitain rajapintoihin liittyviä toimintoja orgaanisissa diodeissa ja aurinkokennoissa. Käsiteltävät rajapinnat ovat rajapinta kontaktin ja aktiivisen kerroksen välillä (metallis-orgaaninen) ja rajapinta donorin ja akseptorin välillä (orgaanis-orgaaninen). Tutkimustulokset osoittavat, että metallis-orgaaniset rajapinnat tulee suunnitella huolellisesti, jotta tehokkuuden alenemista voidaan rajoittaa. Mikäli kontakti ei ole ideaalisti suunniteltu, vähenee tehokkuus huomattavasti, mikä johtuu elektronien tehottomasta ekstrahoinnista. Jopa ideaalisilta vaikuttavat kontaktit voivat johtaa tehokkuuden alenemiseen, mikäli varaus siirtyy spontaanisti metallista orgaaniseen kerrokseen, sillä tämä alentaa jännitettä jonka kenno voi tuottaa. Kennon orgaanis-orgaaninen rajapinta vaikuttaa siihen, kuinka paljon virtaa kenno pystyy tuottamaan. Rajapinnan ominaisuuksista riippuen materiaalin rekombinaatio on hallittavissa.

Analyzing the Effects of the New Renewable Energy Policy in Russia on Investments into Wind, Solar and Small Hydro Power

This thesis presents an analysis of recently enacted Russian renewable energy policy based on capacity mechanism. Considering its novelty and poor coverage by academic literature, the aim of the thesis is to analyze capacity mechanism influence on investors’ decision-making process. The current research introduces a number of approaches to investment analysis. Firstly, classical financial model was built with Microsoft Excel® and crisp efficiency indicators such as net present value were determined. Secondly, sensitivity analysis was performed to understand different factors influence on project profitability. Thirdly, Datar-Mathews method was applied that by means of Monte Carlo simulation realized with Matlab Simulink®, disclosed all possible outcomes of investment project and enabled real option thinking. Fourthly, previous analysis was duplicated by fuzzy pay-off method with Microsoft Excel®. Finally, decision-making process under capacity mechanism was illustrated with decision tree. Capacity remuneration paid within 15 years is calculated individually for each RE project as variable annuity that guarantees a particular return on investment adjusted on changes in national interest rates. Analysis results indicate that capacity mechanism creates a real option to invest in renewable energy project by ensuring project profitability regardless of market conditions if project-internal factors are managed properly. The latter includes keeping capital expenditures within set limits, production performance higher than 75% of target indicators, and fulfilling localization requirement, implying producing equipment and services within the country. Occurrence of real option shapes decision-making process in the following way. Initially, investor should define appropriate location for a planned power plant where high production performance can be achieved, and lock in this location in case of competition. After, investor should wait until capital cost limit and localization requirement can be met, after that decision to invest can be made without any risk to project profitability. With respect to technology kind, investment into solar PV power plant is more attractive than into wind or small hydro power, since it has higher weighted net present value and lower standard deviation. However, it does not change decision-making strategy that remains the same for each technology type. Fuzzy pay-method proved its ability to disclose the same patterns of information as Monte Carlo simulation. Being effective in investment analysis under uncertainty and easy in use, it can be recommended as sufficient analytical tool to investors and researchers. Apart from described results, this thesis contributes to the academic literature by detailed description of capacity price calculation for renewable energy that was not available in English before. With respect to methodology novelty, such advanced approaches as Datar-Mathews method and fuzzy pay-off method are applied on the top of investment profitability model that incorporates capacity remuneration calculation as well. Comparison of effects of two different RE supporting schemes, namely Russian capacity mechanism and feed-in premium, contributes to policy comparative studies and exhibits useful inferences for researchers and policymakers. Limitations of this research are simplification of assumptions to country-average level that restricts our ability to analyze renewable energy investment region wise and existing limitation of the studying policy to the wholesale power market that leaves retail markets and remote areas without our attention, taking away medium and small investment into renewable energy from the research focus. Elimination of these limitations would allow creating the full picture of Russian renewable energy investment profile.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Large scale solar power plant flat roof and carport installation in Finland

This work focuses on the 159.5 kW solar photovoltaic power plant project installed at the Lappeenranta University of Technology in 2013 as an example of what a solar plant project could be in Finland. The project consists of a two row carport and a flat roof installation on the roof of the university laboratories. The purpose of this project is not only its obvious energy savings potential but also to serve as research and teaching laboratory tool. By 2013, there were not many large scale solar power plants in Finland. For this reason, the installation and data experience from the solar power plant at LUT has brought valuable information for similar projects in northern countries. This work includes a first part for the design and acquisition of the project to continue explaining about the components and their installation. At the end, energy produced by this solar power plant is studied and calculated to find out some relevant economical results. For this, the radiation arriving to southern Finland, the losses of the system in cold weather and the impact of snow among other aspects are taken into account.

Modification of a quantum efficiency measurement system for multi-junction solar cells

In this thesis the basic structure and operational principals of single- and multi-junction solar cells are considered and discussed. Main properties and characteristics of solar cells are briefly described. Modified equipment for measuring the quantum efficiency for multi-junction solar cell is presented. Results of experimental research single- and multi-junction solar cells are described.

EFEITO DA IRRADIAÇÃO IONIZANTE gama NA QUALIDADE PÓS-COLHEITA DE CENOURAS (Daucus carota L.) cv. NANTES

O trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar o efeito da irradiação gamasobre as características físicas e químicas pós-colheita da cenoura da cultivar Nantes. Segundo a Pesquisa de Orçamento Familiar (POF, 1991) realizada na região Sudeste do Brasil, no grupo de raízes e tubérculos, a cenoura é amplamente consumida. Sabe-se, ainda que, a cenoura representa uma das melhores fontes de carotenóides provitamínicos A (alfa e beta caroteno) na dieta. As cenouras foram tratadas com a irradiação ionizante gama, fonte de Césio, nas doses de 0.25, 0.50, 0.75 e 1.0kgy, atendendo a dose máxima permitida pela FDA (1995). Os diferentes tratamentos da cenoura e o grupo-controle foram avaliados através das análises de pH, sólidos solúveis totais (SST), acidez total titulável (ATT), relação SST/ATT, perda de peso, firmeza, cor, carotenóides totais, ácido ascórbico (vitamina C) e voláteis. A análise de variância (tratamento estatístico F de Fisher) dos resultados obtidos mostrou que não houve diferença significativa ao nível de 5% entre os tratamentos e o grupo controle nas diversas análises realizadas, exceto na diferença total de cor, onde houve uma diminuição da mesma com o aumento da dose de irradiação; na acidez total titulável e na relação SST/ATT devido ao decréscimo dos ácidos orgânicos que geralmente ocorrem após a colheita. O processo de irradiação em baixas doses mostra-se promissor na manutenção da qualidade e apresenta-se como uma medida alternativa na redução de perdas pós-colheita.

Conservação de pêssegos 'Biuti' por irradiação

Este trabalho teve como objetivo o emprego da radiação gama associada ou não à refrigeração na conservação pós-colheita dos pêssegos 'Biuti'. O comportamento destes frutos foi estudado através de análises físicas (perda de massa fresca, coloração da casca, índice de doença, conservação pós-colheita e firmeza) e químicas (pH, acidez total titulável (ATT), sólidos solúveis totais (SST) e o índice de maturidade, expresso pela relação SST/ ATT). Os frutos colhidos no estádio de maturação fisiológica receberam os seguintes tratamentos: 0,0kGy; 0,1kGy; 0,2kGy; 0,3kGy; 0,4kGy e 0,5kGy através do irradiador "GAMMABEAN 650" que tem como fonte o Cobalto 60. Os pêssegos foram armazenados em condições ambientais (24±2ºC; 72-76% UR) por 1 semana e em condições de refrigeração em estufa B.O.D. (0±1ºC; 70-80% UR) por 2 semanas. Analisando os resultados pode-se concluir que as diferentes doses de radiação aplicadas não promoveram o aumento da vida-útil pós-colheita de pêssegos. Os frutos armazenados sob refrigeração tiveram maior vida-útil pós-colheita em relação aos armazenados em temperatura ambiente.

Efeito de baixas doses de irradiação nos carotenóides majoritários em cenouras prontas para o consumo

O presente estudo teve como objetivo avaliar o efeito das baixas doses da radiação gama na concentração de carotenóides totais, alfa e beta-caroteno em cenouras minimamente processadas, durante a vida-útil. As cenouras são as principais fontes de carotenóides provitamínicos A (alfa e beta-caroteno) de origem vegetal. De acordo com a Pesquisa de Orçamento Familiar (POF) realizada na região Sudeste do Brasil, no grupo de raízes e tubérculos a cenoura é amplamente consumida. A estabilidade dos carotenóides varia grandemente durante o processamento e o armazenamento, dependendo de sua estrutura, temperatura, oxigênio, luz, umidade, atividade de água e presença de ácidos e metais antioxidantes e pró-oxidantes. As cenouras minimamente processadas neste experimento foram manualmente descascadas, lavadas, cortadas mecanicamente, acondicionadas em embalagens com atmosferas modificadas de 5% O2 / 10% CO2 e 21% O2 (ar sintético), tratadas com radiação ionizante gama, fonte de césio, nas doses de 0,25, 0,50, 0,75 e 1,00kGy, e armazenadas a 5°C durante 24 dias. Os carotenóides totais foram quantificados por espectrofotometria a 449nm. Para a determinação de alfa e beta-caroteno utilizou-se cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Os diferentes tratamentos e o grupo controle foram, também, avaliados através das análises de cor e voláteis, por cromatografia gasosa/espectrometria de massas associada à microextração em fase sólida (CG-EM/MEFS), para estudar as perdas dos carotenóides durante o processamento.

Atitude do consumidor frente à irradiação de alimentos

Fatores econômicos e sociais como custo, disponibilidade e hábitos alimentares têm, tradicionalmente, influência sobre a escolha do consumidor. Atualmente, outros fatores como legislação, aumento da quantidade de refeições realizadas fora de casa e o emprego de novas tecnologias têm sido, também, parâmetros de decisão. Neste sentido, esclarecimentos a respeito da irradiação, proposta como uma alternativa na conservação de alimentos se faz necessária, uma vez que seu uso comercial tem sido lento em função de interpretações errôneas por parte dos consumidores. Sendo assim, o presente trabalho teve como objetivo realizar um levantamento do nível de conhecimento e aceitação da irradiação de alimentos, na cidade de Belo Horizonte (MG), bem como esclarecer ao consumidor o real conceito da irradiação de alimentos. Os resultados indicaram que 59,6% dos entrevistados não sabiam que a irradiação é um método de conservação de alimentos e não souberam responder se consumiriam produtos irradiados, 16% acreditam que alimentos irradiados significam o mesmo que alimentos radioativos. Além disto, 89% dos entrevistados consumiriam alimentos irradiados se soubessem que a irradiação aumenta a segurança alimentar.

Estudo do efeito da irradiação gamma (60CO) na qualidade da cachaça e no tonel de envelhecimento

O processo de envelhecimento ou maturação das bebidas proporciona uma melhora nas características sensoriais da cachaça, tornando-a de qualidade superior e de maior valor econômico. O método tradicional de maturação de bebidas é sua interação com madeiras, sendo que a irradiação pode acelerar este processo de envelhecimento. A cachaça e os tonéis de carvalho de 20 L de capacidade foram submetidos à irradiação gama (150 Gy). Análises físico-químicas e cromatográficas foram realizadas periodicamente ao longo de 390 dias do período de envelhecimento da bebida. A irradiação da cachaça e do tonel não alterou a maioria dos componentes voláteis do coeficiente de congêneres como acidez volátil, ésteres, álcoois superiores e furfural durante os 390 dias. Há evidências, entretanto, de que os parâmetros de alguns componentes como aldeídos, taninos, cor e teor de cobre são de alguma forma influenciados, resultando em aceleração parcial do processo de maturação ou envelhecimento. Ao final do período de envelhecimento, foi feita uma análise sensorial com 30 provadores não treinados. A aceleração do processo de envelhecimento foi confirmada pela avaliação sensorial, e a cachaça e/ou tonel irradiados receberam maior indicação de aprovação em todos os parâmetros analisados (aroma, sabor e aparência).

Alterações provocadas pela irradiação e armazenamento nos teores de ferro heme em carne de frango

Estudos sobre o efeito da irradiação e do armazenamento em carnes de frango foram realizados para se conhecer melhor sua influência nos teores de ferro heme, não-heme, cor e pigmentos totais. Foram estudados coxa e filé de peito de frango. Estes foram irradiados a 0, 1 e 2 kGy e armazenados por 14 dias a 4 °C em câmara refrigerada. A determinação do conteúdo de heme e não-heme de carnes foi realizada através do método colorimétrico, empregando-se o reagente Ferrozine. Os valores de ferro heme foram influenciados tanto pela irradiação quanto pelo armazenamento, diminuindo seus teores com o passar do tempo. O ferro não-heme também foi influenciado tanto pelas doses empregadas quanto pelo tempo de estocagem, porém aumentou seus valores com o passar do tempo, devido à conversão do heme em não-heme. A cor não se mostrou influenciada pelas doses estudadas, somente pela estocagem, e os pigmentos totais foram afetados tanto pela irradiação quanto pelo tempo, diminuindo seus valores com o aumento do tempo de armazenamento. A irradiação se mostrou um bom método para conservação do ferro, visto que aumentou os teores de acordo com o aumento das doses.

Efeito da irradiação e do armazenamento na disponibilidade de ferro em carne de cordeiro tratado com diferentes dietas

A irradiação é um método eficiente para aumentar a segurança microbiológica e preservar os nutrientes contidos nas carnes, entre eles o ferro. A forma de melhor absorção, ferro heme, deve ser preservada, havendo melhora na qualidade nutricional da carne armazenada. A dieta também pode influenciar nos teores e formas em que são encontrados os nutrientes na carne. O ferro é fornecido pela dieta, sendo essencial para os processos metabólicos como transporte de oxigênio, metabolismo oxidativo e crescimento celular. Amostras de carne de cordeiro tratado com diferentes dietas (controle, TAC1, TAC2 e sorgo), foram embaladas a vácuo, e irradiadas nas doses 0, 2 e 4 kGy, usando-se Irradiador Multipropósito com fonte de cobalto-60 (60Co) e armazenadas a 4 °C por 15 dias. Os valores de ferro total e ferro heme foram medidos aos 0 e 15 dias de armazenamento. O armazenamento diminuiu os teores de ferro total (de 18,36 para 14,28 mg.100 g-1) e de ferro heme (de 13,78 para 10,52 mg.100 g-1). As dietas afetaram os níveis de ferro total e heme da carne, sendo que a dieta com sorgo foi a que apresentou maiores teores. A dose de 2 kGy foi a dose que mais afetou os valores de ferro, independentemente dos tempos de armazenamento. Foi constatado que os teores de ferro total e heme variaram em função do tempo de armazenamento, das doses de irradiação e das dietas fornecidas aos cordeiros.

Efeito da irradiação gama nas características físico-químicas e sensoriais do arroz (Oryza sativa L.) e no desenvolvimento de Sitophilus oryzae L.

A pesquisa teve como objetivo verificar a viabilidade da radiação gama como método de conservação do arroz polido (Oryza sativa L.). As amostras foram irradiadas com doses 0,5; 1,0; 3,0; e 5,0 kGy. Foram realizadas análises da quebra do grão no beneficiamento, da longevidade e reprodução do Sitophilus oryzae L., a composição centesimal, o conteúdo de amilose aparente e propriedades de pasta dos amidos, e análises para cor (instrumental) e análise sensorial do arroz cru e cozido. Foi utilizado teste de Tukey (p < 0,05) para verificar a diferença estatística entre os tratamentos. A irradiação não alterou a porcentagem de quebra dos grãos durante o beneficiamento e causou efeito negativo no desenvolvimento dos insetos. A irradiação não alterou de maneira significativa a composição centesimal e o conteúdo de amilose aparente. Os resultados da propriedade de pasta foram alterados, ocorrendo redução da temperatura de pasta, diminuição do tempo para ocorrência do pico viscosidade, redução nos valores de viscosidade máxima e viscosidade final e a tendência de retrogradação se tornou menos acentuada com o incremento das doses de irradiação. Foram detectadas diferenças no aspecto sensorial entre as amostras, sendo que a amostra irradiada com a dose de 1,0 kGy obteve maiores médias. Para os resultados da cor instrumental, foi observada diferença nos valores b*, indicando que o arroz sofreu mudanças de branco para amarelado com o aumento da dose de irradiação. O tratamento com dose de 1,0 kGy foi a melhor dose para atingir o objetivo do trabalho.

Efeito da irradiação em carne de coelho congelada

O crescimento nacional da produção de carne de coelhos necessita de maior conhecimento sobre características da carne, bem como o efeito de um processo que permita sua maior conservação. Os cortes congelados da carne de coelho: coxa, pernil e lombo, tratados com dois tipos de antibióticos, norfloxacina e ciprofloxacina, foram irradiados nas doses de 0, 3 e 6 kGy e determinados os teores de ferro heme e não heme dos cortes. As doses de irradiação empregadas foram influentes nos teores de ferro heme e não heme, sendo que a dose de 3 kGy foi a que apresentou os maiores valores, independente do tipo de antibiótico utilizado. Para o ferro heme o antibiótico norfloxacina apresentou os maiores valores e para o ferro não heme os maiores valores foram notados para o antibiótico ciprofloxacina.