Four-Band Hamiltonian for fast calculations in intermediate-band solar cells

The 8-dimensional Luttinger–Kohn–Pikus–Bir Hamiltonian matrix may be made up of four 4-dimensional blocks. A 4-band Hamiltonian is presented, obtained from making the non-diagonal blocks zero. The parameters of the new Hamiltonian are adjusted to fit the calculated effective masses and strained QD bandgap with the measured ones. The 4-dimensional Hamiltonian thus obtained agrees well with measured quantum efficiency of a quantum dot intermediate band solar cell and the full absorption spectrum can be calculated in about two hours using Mathematica© and a notebook. This is a hundred times faster than with the commonly-used 8-band Hamiltonian and is considered suitable for helping design engineers in the development of nanostructured solar cells.

Demonstration of the operation principles of intermediate band solar cells at room temperature

In this work we report, for the first time at room temperature, experimental results that prove, simultaneously in the same device, the two main physical principles involved in the operation of intermediate band solar cells: (1) the production of sub-bandgap photocurrent by two optical transitions through the intermediate band; (2) the generation of an output voltage which is not limited by the photon energy absorption threshold. These principles, which had always required cryogenic temperatures to be evidenced all together, are now demonstrated at room temperature on an intermediate band solar cell based on InAs quantum dots with Al0.3Ga0.7As barriers.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Comparing the Luttinger–Kohn–Pikus–Bir and the Empiric K·P Hamiltonians in quantum dot intermediate band solar cells manufactured in zincblende semiconductors

The calculation of the energy spectrum and absorption coefficients of quantum dot nanostructured intermediate band solar cells using the Empiric K·P Hamiltonian method and its agreement with experimental data are summarized. The well established Luttinger Kohn Hamiltonian modified by Pikus and Bir for strained material, such as quantum dot arrays, is presented using a simplified strain field that allows for square band offsets. The energy spectrum and absorption coefficients are calculated with this new Hamiltonian. With the approximations made the energy spectrum results to be exactly the same but the absorption coefficient fits experiments less accurately. The computer time using the latter Hamiltonian is much longer than the former one.

Heterojunction Band Offset Limitations on Open-Circuit Voltage in p-ZnTe/n-ZnSe Solar Cells

Limitations on the open-circuit voltage of p-ZnTe/n-ZnSe heterojunction solar cells are studied via current-voltage (I-V) measurements under solar concentration and at variable temperature. The open-circuit voltage reaches a maximum value of 1.95 V at 77 K and 199 suns. The open-circuit voltage shows good agreement with the calculated built-in potential of 2.00 V at 77 K. These results suggest that the open-circuit voltage is limited by heterojunction band offsets associated with the type-II heterojunction band lineup, rather than the bandgap energy of the ZnTe absorber material.

A Transportable Reflectarray Antenna for Satellite Ku-band Emergency Communications

The design of a Ku-band reconfigurable reflectarray antenna for emergency satellite communications is presented. Bidirectional high data rate satellite links are needed in emergency conditions where other telecommunication infrastructures are not available. In order to operate in this type of scenario, an antenna should be deployable, transportable, and easily repointable. The need of an automatic and fast satellite location and pointing system leads to a completely electronic reconfigurable antenna. The operative bandwidth is from 10.7 to 12.5 GHz for reception and from 14 up to 14.5 GHz for transmission (30% of relative bandwidth). The selected antenna architecture is based on a dual reflectarray system comprising a passive subreflectarray and an active main reflectarray made of reconfigurable 1-bit elementary cells based on PIN diodes.

Broken symmetry and strangeness of the semiconductor impurity band metal-insulator transition

The filamentary model of the metal-insulator transition in randomly doped semiconductor impurity bands is geometrically equivalent to similar models for continuous transitions in dilute antiferromagnets and even to the λ transition in liquid He, but the critical behaviors are different. The origin of these differences lies in two factors: quantum statistics and the presence of long range Coulomb forces on both sides of the transition in the electrical case. In the latter case, in addition to the main transition, there are two satellite transitions associated with disappearance of the filamentary structure in both insulating and metallic phases. These two satellite transitions were first identified by Fritzsche in 1958, and their physical origin is explained here in geometrical and topological terms that facilitate calculation of critical exponents.

Different Domains of the M-Band Protein Myomesin Are Involved in Myosin Binding and M-Band TargetingV⃞

Myomesin is a 185-kDa protein located in the M-band of striated muscle where it interacts with myosin and titin, possibly connecting thick filaments with the third filament system. By using expression of epitope-tagged myomesin fragments in cultured cardiomyocytes and biochemical binding assays, we could demonstrate that the M-band targeting activity and the myosin-binding site are located in different domains of the molecule. An N-terminal immunoglobulin-like domain is sufficient for targeting to the M-band, but solid-phase overlay assays between individual N-terminal domains and the thick filament protein myosin revealed that the unique head domain contains the myosin-binding site. When expressed in cardiomyocytes, the head domains of rat and chicken myomesin showed species-specific differences in their incorporation pattern. The head domain of rat myomesin localized to a central area within the A-band, whereas the head domain of chicken myomesin was diffusely distributed in the cytoplasm. We therefore conclude that the head domain of myomesin binds to myosin but that this affinity is not sufficient for the restriction of the domain to the M-band in vivo. Instead, the neighboring immunoglobulin-like domain is essential for the precise incorporation of myomesin into the M-band, possibly because of interaction with a yet unknown protein of the sarcomere.

Mapping of a Myosin-binding Domain and a Regulatory Phosphorylation Site in M-Protein, a Structural Protein of the Sarcomeric M Band

The myofibrils of cross-striated muscle fibers contain in their M bands cytoskeletal proteins whose main function seems to be the stabilization of the three-dimensional arrangement of thick filaments. We identified two immunoglobin domains (Mp2–Mp3) of M-protein as a site binding to the central region of light meromyosin. This binding is regulated in vitro by phosphorylation of a single serine residue (Ser76) in the immediately adjacent amino-terminal domain Mp1. M-protein phosphorylation by cAMP-dependent kinase A inhibits binding to myosin LMM. Transient transfection studies of cultured cells revealed that the myosin-binding site seems involved in the targeting of M-protein to its location in the myofibril. Using the same method, a second myofibril-binding site was uncovered in domains Mp9–Mp13. These results support the view that specific phosphorylation events could be also important for the control of sarcomeric M band formation and remodeling.

Allelic loss on chromosome band 18p11.3 occurs early and reveals heterogeneity in breast cancer progression

We examined the stage specificity and heterogeneity of 18p11 alterations in a series of tumors representing 96 microdissected samples. Significant loss of heterozygosity (LOH) (63%) was found, with 56% occurring early in ductal carcinoma in situ. Although most cases indicated LOH was clonally inherited, heterogeneity for 18p LOH occurred in 27% of tumors. When compared with other LOH data, 18p LOH was found in conjunction with allelic deletion on 3p, 9p, 17p and 17q, while 13q, 16q, and 11p were less frequently associated. These analyses suggest chromosome 18p11 alteration is a common and early event in breast disease.

Functional cell surface expression of the anion transport domain of human red cell band 3 (AE1) in the yeast Saccharomyces cerevisiae.

We expressed the 52-kDa integral membrane domain (B3mem) of the human erythrocyte anion transporter (band 3; AE1) in a protease-deficient strain of the yeast Saccharomyces cerevisiae under the control of the inducible GAL10-CYC1 promoter. Immunoblots of total protein from transformed yeast cells confirmed that the B3mem polypeptide was overexpressed shortly after induction with galactose. Cell surface expression of the functional anion transporter was detected by using a simple transport assay to measure stilbene disulfonate-inhibitable chloride influx into intact yeast cells. The B3mem polypeptide was recycled and degraded by the cells with a half-life of approximately 1-3 hr, which led to a steady-state level of expression in exponentially growing cultures. Our data suggest that 5-10% of total B3mem is functionally active at the cell surface at any one time and that overexpression of this anion transport protein does not interfere with cell growth or survival. This is one of only a few reports of the functional expression of a plasma membrane transport protein in the plasma membrane of yeast cells and to our knowledge is the first report of red cell band 3-mediated anion transport at the plasma membrane of cDNA-transformed cells. The cell surface expression system we describe will provide a simple means for future study of the functional properties of band 3 by using site-directed mutagenesis.