Estudio teórico de propiedades termodinámicas y optoelectronicas de nuevos materiales fotovoltaicos de banda intermedia = Theoretical study of thermodynamic and optoelectronic properties of new intermediate band photovoltaic materials

Los materiales de banda intermedia han atraido la atención de la comunidad científica en el campo de la energía solar fotovoltaica en los últimos años. Sin embargo, con el objetivo de entender los fundamentos de las células solares de banda intermedia, se debe llevar a cabo un estudio profundo de la características de los materiales. Esto se puede hacer mediante un modelo teórico usando Primeros Principios. A partir de este enfoque se pueden obtener resultados tales como la estructura electrónica y propiedades ópticas, entre otras, de los semiconductores fuertemente dopados y sus precursores. Con el fin de desentrañar las estructuras de estos sistemas electrónicos, esta tesis presenta un estudio termodinámico y optoelectrónico de varios materiales fotovoltaicos. Específicamente se caracterizaron los materiales avanzados de banda intermedia y sus precursores. El estudio se hizo en términos de caracterización teórica de la estructura electrónica, la energética del sistema, entre otros. Además la estabilidad se obtuvo usando configuraciones adaptadas a la simetría del sistema y basado en la combinatoria. Las configuraciones de los sitios ocupados por defectos permiten obtener información sobre un espacio de configuraciones donde las posiciones de los dopantes sustituidos se basan en la simetría del sólido cristalino. El resultado puede ser tratado usando elementos de termodinámica estadística y da información de la estabilidad de todo el espacio simétrico. Además se estudiaron otras características importantes de los semiconductores de base. En concreto, el análisis de las interacciones de van der Waals fueron incluidas en el semiconductor en capas SnS2, y el grado de inversión en el caso de las espinelas [M]In2S4. En este trabajo además realizamos una descripción teórica exhaustiva del sistema CdTe:Bi. Este material de banda-intermedia muestra características que son distintas a las de los otros materiales estudiados. También se analizó el Zn como agente modulador de la posición de las sub-bandas prohibidas en el material de banda-intermedia CuGaS2:Ti. Analizándose además la viabilidad termodinámica de la formación de este compuesto. Finalmente, también se describió el GaN:Cr como material de banda intermedia, en la estructura zinc-blenda y en wurtztite, usando configuraciones de sitios ocupados de acuerdo a la simetría del sistema cristalino del semiconductor de base. Todos los resultados, siempre que fue posible, fueron comparados con los resultados experimentales. ABSTRACT The intermediate-band materials have attracted the attention of the scientific community in the field of the photovoltaics in recent years. Nevertheless, in order to understand the intermediate-band solar cell fundamentals, a profound study of the characteristics of the materials is required. This can be done using theoretical modelling from first-principles. The electronic structure and optical properties of heavily doped semiconductors and their precursor semiconductors are, among others, results that can be obtained from this approach. In order to unravel the structures of these crystalline systems, this thesis presents a thermodynamic and optoelectronic study of several photovoltaic materials. Specifically advanced intermediate-band materials and their precursor semiconductors were characterized. The study was made in terms of theoretical characterization of the electronic structure, energetics among others. The stability was obtained using site-occupancy-disorder configurations adapted to the symmetry of the system and based on combinatorics. The site-occupancy-disorder method allows the formation of a configurational space of substitutional dopant positions based on the symmetry of the crystalline solid. The result, that can be treated using statistical thermodynamics, gives information of the stability of the whole space of symmetry of the crystalline lattice. Furthermore, certain other important characteristics of host semiconductors were studied. Specifically, the van der Waal interactions were included in the SnS2 layered semiconductor, and the inversion degree in cases of [M]In2S4 spinels. In this work we also carried out an exhaustive theoretical description of the CdTe:Bi system. This intermediate-band material shows characteristics that are distinct from those of the other studied intermediate-band materials. In addition, Zn was analysed as a modulator of the positions of the sub-band gaps in the CuGaS2:Ti intermediate-band material. The thermodynamic feasibility of the formation of this compound was also carried out. Finally GaN:Cr intermediate-band material was also described both in the zinc-blende and the wurtztite type structures, using the symmetry-adapted-space of configurations. All results, whenever possible, were compared with experimental results.

Advanced Fresnel Köhler concentrators for photovoltaic applications

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las formas más prometedoras de reducir el coste de la energía proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducción del tamaño de la misma, que está fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos están íntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnologías de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducción del tamaño de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducción en el tamaño de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posición de la célula. Esto se logra colocando un concentrador óptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV están formados por diferentes elementos ópticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producción. El marco óptimo para el diseño de concentradores es la óptica anidólica u óptica nonimaging. La óptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la década de los años sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los diseños nonimaging es la transferencia eficiente de energía entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formación de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, están compuestos de un menor número de superficies que los sistemas formadores de imagen y son más tolerantes a errores de fabricación. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no sólo en el diseño de concentradores fotovoltaicos, sino también en el diseño de otras aplicaciones como iluminación, proyección y comunicaciones inalámbricas ópticas. Los concentradores ópticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol (como sería el caso de las ópticas formadoras de imagen), sino simplemente la colección de su energía sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ópticos, dando lugar a una gran variedad de posibles diseños. El primer elemento óptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento Óptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento más determinante a la hora de definir la forma y las propiedades del concentrador. El POE puede ser refractivo (lente) o reflexivo (espejo). Esta tesis se centra en los sistemas CPV que presentan lentes de Fresnel como POE, que son lentes refractivas delgadas y de bajo coste de producción que son capaces de concentrar la luz solar. El capítulo 1 expone una breve introducción a la óptica geométrica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos básicos. Tras ello, la integración Köhler es presentada en detalle, explicando sus principios, válidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminación. Una introducción a los conceptos fundamentales de CPV también ha sido incluida en este capítulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiunión y de los concentradores ópticos empleados en los sistemas CPV. El capítulo se cierra con una descripción de las tecnologías existentes empleadas para la fabricación de elementos ópticos que componen los concentradores. El capítulo 2 se centra principalmente en el diseño y desarrollo de los tres concentradores ópticos avanzados Fresnel Köhler que se presentan en esta tesis: Fresnel-Köhler (FK), Fresnel-Köhler curvo (DFK) y Fresnel-Köhler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integración Köhler y presentan una lente de Fresnel como su elemento óptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de diseño. Además, presentan todas las características que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentración, alta tolerancia de fabricación, alta eficiencia óptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producción. Los concentradores FK y DFK presentan una configuración de cuatro sectores para lograr la integración Köhler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores simétricos cada uno, y cada sector del POE trabaja conjuntamente con su correspondiente sector de SOE. La principal diferencia entre los dos concentradores es que el POE del FK es una lente de Fresnel plana, mientras que una lente curva de Fresnel es empleada como POE del DFK. El concentrador CFK incluye una cavidad de confinamiento externo integrada, que es un elemento óptico capaz de recuperar los rayos reflejados por la superficie de la célula con el fin de ser reabsorbidos por la misma. Por tanto, se aumenta la absorción de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del módulo. Además, este capítulo también explica un método de diseño alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El capítulo 3 se centra en la caracterización y medidas experimentales de los concentradores ópticos presentados en el capítulo 2, y describe sus procedimientos. Estos procedimientos son en general aplicables a cualquier concentrador basado en una lente de Fresnel, e incluyen tres tipos principales de medidas experimentales: eficiencia eléctrica, ángulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este capítulo validarán a través de medidas a sol real las características avanzadas que presentan los concentradores Köhler, y que se demuestran en el capítulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) está diseñado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operación realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinación con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto crítico de cara al proceso de fabricación, y ha de ser máxima para obtener sistemas de producción en masa rentables. Concentradores con tolerancias limitadas generan bajadas significativas de eficiencia a nivel de array, causadas por el desajuste de corrientes entre los diferentes módulos (principalmente debido a errores de alineación en la fabricación). En este sentido, la sección 3.5 presenta dos métodos matemáticos que estiman estas pérdidas por desajuste a nivel de array mediante un análisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-módulo. El capítulo 3 también describe la caracterización indoor de los elementos ópticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que actúan como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterización es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ópticas de los diferentes elementos analizados, y así hacer que el rendimiento del módulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el capítulo 4, en el que la integración Köhler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminación de estado sólido (iluminación con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este capítulo esto se muestra a través del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los capítulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas cromáticas apropiadas está basada en un método ya conocido (deflexiones anómalas), y también se ha utilizado aquí para diseñar una lente TIR aplanética delgada. Esta lente cumple la conservación de étendue, asegurando así que no hay bloqueo ni dilución de luz simultáneamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las técnicas clásicas empleadas en iluminación para obtener distribuciones de iluminación uniforme: difusores y mezcla caleidoscópica mediante guías de luz. ABSTRACT Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways of reducing the cost of energy collected from the sun. This is possible thanks to both, very high-efficiency solar cells and a large decrease in the size of cells, which are made of costly semiconductor materials. Both issues are closely linked since high efficiency values are only possible with expensive cell materials and technologies, implying a compulsory area reduction if cost-effectiveness is desired. The reduction in the cell size requires that light coming from the sun must be redirected (i.e. concentrated) towards the cell position. This is achieved by placing an optical concentrator system on top of the cell. These CPV concentrators consist of different optical elements manufactured on cheap materials in order to maintain low production costs. The optimal framework for the design of concentrators is nonimaging optics. Nonimaging optics was first developed in the 60s decade and has been largely developed ever since. The aim of nonimaging devices is the efficient transfer of light power between the source and the receiver (sun and cell respectively in the case of CPV), disregarding image formation. Nonimaging systems are usually simple, comprised of fewer surfaces than imaging systems and are more tolerant to manufacturing errors. This renders nonimaging optics a fundamental tool, not only in the design of photovoltaic concentrators, but also in the design of other applications as illumination, projection and wireless optical communications. Nonimaging optical concentrators are well suited for CPV applications because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun (as imaging optics would provide), but simply the collection of its energy on the solar cell. Concentrators for CPV may present very different architectures and optical elements, resulting in a vast variety of possible designs. The first optical element that sunlight goes through is called the Primary Optical Element (POE) and is the most determinant element in order to define the shape and properties of the whole concentrator. The POE can be either refractive (lens) or reflective (mirror). This thesis focuses on CPV systems based on Fresnel lenses as POE, which are thin and inexpensive refractive lenses able to concentrate sunlight. Chapter 1 exposes a short introduction to geometrical and nonimaging optics, explaining their fundamentals and basic concepts. Then, the Köhler integration is presented in detail, explaining its principles, valid for both applications: CPV and illumination. An introduction to CPV fundamental concepts is also included in this chapter, analyzing the properties of multijunction solar cells and optical concentrators employed in CPV systems. The chapter is closed with a description of the existing technologies employed for the manufacture of optical elements composing the concentrator. Chapter 2 is mainly devoted to the design and development of the three advanced Fresnel Köhler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-Köhler (FK), Dome-shaped Fresnel-Köhler (DFK) and Cavity Fresnel-Köhler (CFK). They all perform Köhler integration and comprise a Fresnel lens as their Primary Optical Element. Each one of these CPV concentrators presents its own characteristics, properties and its own design procedure. Their performances include all the key issues in a concentrator: high concentration factor, large tolerances, high optical efficiency, uniform irradiance on the cell surface and low production cost. The FK and DFK concentrators present a 4-fold configuration in order to perform the Köhler integration. This means that POE and SOE are divided into four symmetric sectors each one, working each POE sector with its corresponding SOE sector by pairs. The main difference between both concentrators is that the POE of the FK is a flat Fresnel lens, while a dome-shaped (curved) Fresnel lens performs as the DFK’s POE. The CFK concentrator includes an integrated external confinement cavity, which is an optical element able to recover rays reflected by the cell surface in order to be re-absorbed by the cell. It increases the light absorption, entailing an increase in the efficiency of the module. Additionally, an alternative design method for faceted elements will also be explained, especially suitable for dome-shaped lenses as the POE of the DFK. Chapter 3 focuses on the characterization and experimental measurements of the optical concentrators presented in Chapter 2, describing their procedures. These procedures are in general applicable to any Fresnel-based concentrator as well and include three main types of experimental measurements: electrical efficiency, acceptance angle and irradiance uniformity at the solar cell plane. The results shown along this chapter will validate through outdoor measurements under real sun operation the advanced characteristics presented by the Köhler concentrators, which are demonstrated in Chapter 2 through raytrace simulation: high optical efficiency, large acceptance angle, insensitivity to manufacturing tolerances and very good irradiance uniformity on the cell surface. Each concentrator (FK, DFK and CFK) is designed and optimized looking at realistic performance characteristics. Their performances are modeled exhaustively using ray tracing combined with cell modeling, taking into account the major relevant factors. The tolerance is a critical issue when coming to the manufacturing process in order to obtain cost-effective mass-production systems. Concentrators with tight tolerances result in significant efficiency drops at array level caused by current mismatch among different modules (mainly due to manufacturing alignment errors). In this sense, Section 3.5 presents two mathematical methods that estimate these mismatch losses for a given array just by analyzing its full-array I-V curve, hence being unnecessary any single mono-module measurement. Chapter 3 also describes the indoor characterization of the optical elements composing the concentrators, i.e. the Fresnel lenses acting as POEs and the free-form SOEs. The aim of this characterization is to assess the proper surface profiles and optical transmissions of the different elements analyzed, so they will allow for the expected module performance. This thesis is closed by Chapter 4, in which Köhler integration is presented as a good approach to obtain uniform distributions in Solid State Lighting applications (i.e. illumination with LEDs), being particularly effective when dealing with color mixing requirements. This chapter shows it through the particular example of a DFK concentrator, which has been used for CPV applications in the previous chapters. An alternative known method for color mixing purposes (anomalous deflections) has also been used to design a thin aplanatic TIR lens. This lens fulfills conservation of étendue, thus ensuring no light blocking and no light dilution at the same time. Both approaches present clear advantages over the classical techniques employed in lighting to obtain uniform illumination distributions: diffusers and kaleidoscopic lightpipe mixing.

Tuning the current ratio of a CPV system to maximize the energy harvesting in a particular location

A method based on experimental data is proposed to optimize the energy harvesting of a silicone-on-glass Fresnel-lens based CPV system. It takes into account the spectral variations along the year in a particular location as well as the thermal and spectral sensitivities of the optics and solar cell. In addition, different alternatives to tune the top/middle subcells current ratio in a CPV module are analyzed and their capacity to maximize the annually produced energy is quantified.

Six not so easy pieces in intermediate band solar cell research

The concept of "intermediate band solar cell" (IBSC) is, apparently, simple to grasp. However, since the idea was proposed, our understanding has improved and we feel now that we can explain better some concepts than we initially introduced. Clarifying these concepts is important, even if they are well-known for the advanced researcher, so that efforts can be driven in the right direction from start. The six pieces of this work are: Does a miniband need to be formed when the IBSC is implemented with quantum dots?; What are the problems of each of the main practical approaches that exist today? What are the simplest experimental techniques to demonstrate whether an IBSC is working as such or not? What is the issue with the absorption coefficient overlap? and Mott's transition? What the best system would be, if any?

In situ control of the GE(100)surface domain structure for III-V multijunction solar cells

Vicinal Ge(100) is the common substrate for state of the art multi-junction solar cells grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). While triple junction solar cells based on Ge(100) present efficiencies mayor que 40%, little is known about the microscopic III-V/Ge(100) nucleation and its interface formation. A suitable Ge(100) surface preparation prior to heteroepitaxy is crucial to achieve low defect densities in the III-V epilayers. Formation of single domain surfaces with double layer steps is required to avoid anti-phase domains in the III-V films. The step formation processes in MOVPE environment strongly depends on the major process parameters such as substrate temperature, H2 partial pressure, group V precursors [1], and reactor conditions. Detailed investigation of these processes on the Ge(100) surface by ultrahigh vacuum (UHV) based standard surface science tools are complicated due to the presence of H2 process gas. However, in situ surface characterization by reflection anisotropy spectroscopy (RAS) allowed us to study the MOVPE preparation of Ge(100) surfaces directly in dependence on the relevant process parameters [2, 3, 4]. A contamination free MOVPE to UHV transfer system [5] enabled correlation of the RA spectra to results from UHV-based surface science tools. In this paper, we established the characteristic RA spectra of vicinal Ge(100) surfaces terminated with monohydrides, arsenic and phosphorous. RAS enabled in situ control of oxide removal, H2 interaction and domain formation during MOVPE preparation.

Development and experimental evaluation of a complete solar thermophotovoltaic system

We present a practical implementation of a solar thermophotovoltaic (TPV) system. The system presented in this paper comprises a sunlight concentrator system, a cylindrical cup-shaped absorber/emitter (made of tungsten coated with HfO2), and an hexagonal-shaped water-cooled TPV generator comprising 24 germanium TPV cells, which is surrounding the cylindrical absorber/emitter. This paper focuses on the development of shingled TPV cell arrays, the characterization of the sunlight concentrator system, the estimation of the temperature achieved by the cylindrical emitters operated under concentrated sunlight, and the evaluation of the full system performance under real outdoor irradiance conditions. From the system characterization, we have measured short-circuit current densities up to 0.95 A/cm2, electric power densities of 67 mW/cm2, and a global conversion efficiency of about 0.8%. To our knowledge, this is the first overall solar-to-electricity efficiency reported for a complete solar thermophotovoltaic system. The very low efficiency is mainly due to the overheating of the cells (up to 120 °C) and to the high optical concentrator losses, which prevent the achievement of the optimum emitter temperature. The loss analysis shows that by improving both aspects, efficiencies above 5% could be achievable in the very short term and efficiencies above 10% could be achieved with further improvements.

Global optimization of solar thermophotovoltaic systems

n this paper, we present a theoretical model based on the detailed balance theory of solar thermophotovoltaic systems comprising multijunction photovoltaic cells, a sunlight concentrator and spectrally selective surfaces. The full system has been defined by means of 2n + 8 variables (being n the number of sub-cells of the multijunction cell). These variables are as follows: the sunlight concentration factor, the absorber cut-off energy, the emitter-to-absorber area ratio, the emitter cut-off energy, the band-gap energy(ies) and voltage(s) of the sub-cells, the reflectivity of the cells' back-side reflector, the emitter-to-cell and cell-to-cell view factors and the emitter-to-cell area ratio. We have used this model for carrying out a multi-variable system optimization by means of a multidimensional direct-search algorithm. This analysis allows to find the set of system variables whose combined effects results in the maximum overall system efficiency. From this analysis, we have seen that multijunction cells are excellent candidates to enhance the system efficiency and the electrical power density. Particularly, multijunction cells report great benefits for systems with a notable presence of optical losses, which are unavoidable in practical systems. Also, we have seen that the use of spectrally selective absorbers, rather than black-body absorbers, allows to achieve higher system efficiencies for both lower concentration and lower emitter-to-absorber area ratio. Finally, we have seen that sun-to-electricity conversion efficiencies above 30% and electrical power densities above 50 W/cm2 are achievable for this kind of systems.

Steady state analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system

This paper presents the theoretical analysis of a storage integrated solar thermophotovoltaic (SISTPV) system operating in steady state. These systems combine thermophotovoltaic (TPV) technology and high temperature thermal storage phase-change materials (PCM) in the same unit, providing a great potential in terms of efficiency, cost reduction and storage energy density. The main attraction in the proposed system is its simplicity and modularity compared to conventional Concentrated Solar Power (CSP) technologies. This is mainly due to the absence of moving parts. In this paper we analyze the use of Silicon as the phase change material (PCM). Silicon is an excellent candidate because of its high melting point (1680 K) and its very high latent heat of fusion of 1800 kJ/kg, which is about ten times greater than the conventional PCMs like molten salts. For a simple system configuration, we have demonstrated that overall conversion efficiencies up to ?35% are approachable. Although higher efficiencies are expected by incorporating more advanced devices like multijunction TPV cells, narrow band selective emitters or adopting near-field TPV configurations as well as by enhancing the convective/conductive heat transfer within the PCM. In this paper, we also discuss about the optimum system configurations and provide the general guidelines for designing these systems. Preliminary estimates of night time operations indicate it is possible to achieve over 10 h of operation with a relatively small quantity of Silicon.

Optimization of Pumping System in Solar Pumped Laser.

The coupling between solar light radiation and laser rod medium in a solar pumped laser affects the efficiency of the laser. To optimize the pumping system, simulation of the two-stage pumping system with a Fresnel lens and conic pumping cavity is carried out with Tracepro software. According to the power density distribution along the axis at focal place of the Fresnel lens, the diameter and position of the pumping cavity window and the distance of the window from the Fresnel lens are optimized. The power density distributions along the laser rod axis of different cavity lengths and different cavity tapers are also analyzed. The optimal structure of taper cavity is obtained. The mirror relecting cavity and ceramic cavity are introduced in detail.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

New method for analytical photovoltaic parameters identification: meeting manufacturer’s datasheet for different ambient conditions

At present, photovoltaic energy is one of the most important renewable energy sources. The demand for solar panels has been continuously growing, both in the industrial electric sector and in the private sector. In both cases the analysis of the solar panel efficiency is extremely important in order to maximize the energy production. In order to have a more efficient photovoltaic system, the most accurate understanding of this system is required. However, in most of the cases the only information available in this matter is reduced, the experimental testing of the photovoltaic device being out of consideration, normally for budget reasons. Several methods, normally based on an equivalent circuit model, have been developed to extract the I-V curve of a photovoltaic device from the small amount of data provided by the manufacturer. The aim of this paper is to present a fast, easy, and accurate analytical method, developed to calculate the equivalent circuit parameters of a solar panel from the only data that manufacturers usually provide. The calculated circuit accurately reproduces the solar panel behavior, that is, the I-V curve. This fact being extremely important for practical reasons such as selecting the best solar panel in the market for a particular purpose, or maximize the energy extraction with MPPT (Maximum Peak Power Tracking) methods.

In-field assessment of batteries and PV modules in a large photovoltaic rural electrification programme

Assuring the sustainability of quality in photovoltaic rural electrification programmes involves enhancing the reliability of the components of solar home systems as well as the characterization of the overall programme cost structure. Batteries and photovoltaic modules have a great impact on both the reliability and the cost assessment, the battery being the weakest component of the solar home system and consequently the most expensive element of the programme. The photovoltaic module, despite being the most reliable component, has a significant impact cost-wise on the initial investment, even at current market prices. This paper focuses on the in-field testing of both batteries and photovoltaic modules working under real operating conditions within a sample of 41 solar home systems belonging to a large photovoltaic rural electrification programme with more than 13,000 installed photovoltaic systems. Different reliability parameters such as lifetime have been evaluated, taking into account different factors, for example energy consumption rates, or the manufacturing quality of batteries. A degradation model has been proposed relating both loss of capacity and time of operation. The user e solar home system binomial is also analysed in order to understand the meaning of battery lifetime in rural electrification.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments : Versión definitiva

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.

Diffusion of photovoltaic in Germany: roles of policy, system suppliers and adopters

In some countries photovoltaic (PV) technology is at a stage of development at which it can compete with conventional electricity sources. A case in point is Germany where PV market has reached a mature stage. As a manifest of this, the German government has recently reduced the feed-in-tariff, which had been the strongest driver of PV diffusion. This development raises a fundamental question: Why would potential adopters be motivated to adopt PV when feed-in tariff diminishes? The point of departure for the literature on diffusion of PV has been on the effect of subsidies but little attention has paid to adopter motives when the policy support is scaled down. This paper presents an in-depth analysis of the adopter motives for photovoltaic applications. Anchored in an extensive exploratory case study we provide an encompassing explanation of roles of policy, adopters and system suppliers on diffusion of PV.