Caracterización de colectores para sistemas de concentración fotovoltaica

Este proyecto, titulado “Caracterización de colectores para concentración fotovoltaica”, consiste en una aplicación en Labview para obtener las características de los elementos ópticos utilizados en sistemas de concentración fotovoltaica , atendiendo a la distribución espacial del foco de luz concentrado que generan. Un sistema de concentración fotovoltaica utiliza un sistema óptico para transmitir la radiación luminosa a la célula solar aumentando la densidad de potencia luminosa. Estos sistemas ópticos están formados por espejos o lentes para recoger la radiación incidente en ellos y concentrar el haz de luz en una superficie mucho menor. De esta manera se puede reducir el área de material semiconductor necesario, lo que conlleva una importante reducción del coste del sistema. Se pueden distinguir diferentes sistemas de concentración dependiendo de la óptica que emplee, la estructura del receptor o el rango de concentración. Sin embargo, ya que el objetivo es analizar la distribución espacial, diferenciaremos dos tipos de concentradores dependiendo de la geometría que presenta el foco de luz. El concentrador lineal o cilíndrico que enfoca sobre una línea, y el concentrador de foco puntual o circular que enfoca la luz sobre un punto. Debido a esta diferencia el análisis en ambos casos se realizará de forma distinta. El análisis se realiza procesando una imagen del foco tomada en el lugar del receptor, este método se llama LS-CCD (Difusión de luz y captura con CCD). Puede utilizarse en varios montajes dependiendo si se capta la imagen por reflexión o por transmisión en el receptor. En algunos montajes no es posible captar la imagen perpendicular al receptor por lo que la aplicación realizará un ajuste de perspectiva para obtener el foco con su forma original. La imagen del foco ofrece información detallada acerca de la uniformidad del foco mediante el mapa de superficie, que es una representación en 3D de la imagen pero que resulta poco manejable. Una representación más sencilla y útil es la que ofrecen los llamados “perfiles de intensidad”. El perfil de intensidad o distribución de la irradiancia que representa la distribución de la luz para cada distancia al centro, y el perfil acumulado o irradiancia acumulada que representa la luz contenida en relación también al centro. Las representaciones de estos perfiles en el caso de un concentrador lineal y otro circular son distintas debido a su diferente geometría. Mientras que para un foco lineal se expresa el perfil en función de la semi-anchura del receptor, para uno circular se expresa en función del radio. En cualquiera de los casos ofrecen información sobre la uniformidad y el tamaño del foco de luz necesarios para diseñar el receptor. El objetivo de este proyecto es la creación de una aplicación software que realice el procesado y análisis de las imágenes obtenidas del foco de luz de los sistemas ópticos a caracterizar. La aplicación tiene una interfaz sencilla e intuitiva para que pueda ser empleada por cualquier usuario. Los recursos necesarios para realizar el proyecto son: un PC con sistema operativo Windows, el software Labview 8.6 Professional Edition y los módulos NI Vision Development Module (para trabajar con imágenes) y NI Report Generation Toolkit (para realizar reportes y guardar datos de la aplicación). ABSTRACT This project, called “Characterization of collectors for concentration photovoltaic systems”, consists in a Labview application to obtain the characteristics of the optical elements used in photovoltaic concentrator, taking into account the spatial distribution of concentrated light source generated. A concentrator photovoltaic system uses an optical system to transmit light radiation to the solar cell by increasing the light power density. This optical system are formed by mirrors or lenses to collect the radiation incident on them and focus the beam of light in a much smaller surface area. In this way you can reduce the area of semiconductor material needed, which implies a significant reduction in system cost. There are different concentration systems depending on the optics used, receptor structure or concentration range. However, as the aim is to analyze the spatial distribution, distinguish between two types of concentrators depending on the geometry that has the light focus. The linear or cylindrical concentrator that focused on a line, and the circular concentrator that focused light onto a point. Because this difference in both cases the analysis will be carried out differently. The analysis is performed by processing a focus image taken at the receiver site, this method is called “LS-CCD” (Light Scattering and CCD recording). Can be used in several mountings depending on whether the image is captured by reflection or transmission on the receiver. In some mountings it is not possible to capture the image perpendicular to the receivers so that the application makes an adjustment of perspective to get the focus to its original shape. The focus image provides detail information about the uniformity of focus through the surface map, which is a 3D image representation but it is unwieldy. A simple and useful representation is provided by so called “intensity profiles”. The intensity profile or irradiance distribution which represents the distribution of light to each distance to the center. The accumulated profile or accumulated irradiance that represents the cumulative light contained in relation also to the center. The representation of these profiles in the case of a linear and a circular concentrator are different due to their distinct geometry. While for a line focus profile is expressed in terms of semi-width of the receiver, for a circular concentrator is expressed in terms of radius. In either case provides information about the uniformity and size of focus needed to design the receiver. The objective of this project is the creation of a software application to perform processing and analysis of images obtained from light source of optical systems to characterize.The application has a simple and a intuitive interface so it can be used for any users. The resources required for the project are: a PC with Windows operating system, LabVIEW 8.6 Professional Edition and the modules NI Vision Development Module (for working with images) and NI Report Generation Toolkit (for reports and store application data .)

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Performance analysis of AlGaAs/GaAs tunnel junctions for ultra-high concentration photovoltaics

An n(++)-GaAs/p(++)-AlGaAs tunnel junction with a peak current density of 10 100Acm(-2) is developed. This device is a tunnel junction for multijunction solar cells, grown lattice-matched on standard GaAs or Ge substrates, with the highest peak current density ever reported. The voltage drop for a current density equivalent to the operation of the multijunction solar cell up to 10 000 suns is below 5 mV. Trap-assisted tunnelling is proposed to be behind this performance, which cannot be justified by simple band-to-band tunnelling. The metal-organic vapour-phase epitaxy growth conditions, which are in the limits of the transport-limited regime, and the heavy tellurium doping levels are the proposed origins of the defects enabling trap-assisted tunnelling. The hypothesis of trap-assisted tunnelling is supported by the observed annealing behaviour of the tunnel junctions, which cannot be explained in terms of dopant diffusion or passivation. For the integration of these tunnel junctions into a triple-junction solar cell, AlGaAs barrier layers are introduced to suppress the formation of parasitic junctions, but this is found to significantly degrade the performance of the tunnel junctions. However, the annealed tunnel junctions with barrier layers still exhibit a peak current density higher than 2500Acm(-2) and a voltage drop at 10 000 suns of around 20 mV, which are excellent properties for tunnel junctions and mean they can serve as low-loss interconnections in multijunction solar cells working at ultra-high concentrations.

Photovoltaic application of O-doped Wittichenite-Cu 3 BiS 3: from microscopic properties to maximum efficiencies

The electronic properties and the low environmental impact of Cu 3 BiS 3 make this compound a promising material for low-cost thin film solar cell technology. From the first principles, the electronic properties of the isoelectronic substitution of S by O in Cu 3 BiS 3 have been obtained using two different exchange-correlation potentials. This compound has an acceptor level below the conduction band, which modifies the opto-electronic properties with respect to the host semiconductor. In order to analyze a possible efficiency increment with respect to the host semiconductor, we have calculated the maximum efficiency of this photovoltaic absorber material.

Defect engineering during the contact co-firing step in an industrial belt furnace

This work implements an optimization of the phosphorus gettering effect during the contact co-firing step by means of both simulations and experiments in an industrial belt furnace. An optimized temperature profile, named ‘extended co-firing step’, is presented. Simulations show that the effect of the short annealing on the final interstitial iron concentration depends strongly on the initial contamination level of the material and that the ‘extended co-firing’ temperature profile can enhance the gettering effect within a small additional time. Experimental results using sister wafers from the same multicrystalline silicon ingot confirm these trends and show the potential of this new defect engineering tool to improve the solar cell efficiency.

Photovoltaic performance of the dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator

In order to have a cost-effective CPV system, two key issues must be ensured: high concentration factor and high tolerance. The novel concentrator we are presenting, the dome-shaped Fresnel-Köhler, can widely fulfill these two and other essential issues in a CPV module. This concentrator is based on two previous successful CPV designs: the FK concentrator with a flat Fresnel lens and the dome-shaped Fresnel lens system developed by Daido Steel, resulting on a superior concentrator. The concentrator has shown outstanding simulation results, achieving an effective concentration-acceptance product (CAP) value of 0.72, and an optical efficiency of 85% on-axis (no anti-reflective coating has been used). Moreover, Köhler integration provides good irradiance uniformity on the cell surface and low spectral aberration of this irradiance. This ensures an optimal performance of the solar cell, maximizing its efficiency. Besides, the dome-shaped FK shows optimal results for very compact designs, especially in the f/0.7-1.0 range. The dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator, natural and enhanced evolution of the flat FK concentrator, is a cost-effective CPV optical design, mainly due to its high tolerances. Daido Steel advanced technique for demolding injected plastic pieces will allow for easy manufacture of the dome-shaped POE of DFK concentrator.

NGCPV: A new generation of concentrator photovoltaic cells, modules and systems

This work introduces the lines of research that the NGCPV project is pursuing and some of the first results obtained. Sponsored by the European Commission under the 7th Framework Program and NEDO (Japan) within the first collaborative call launched by both Bodies in the field of energy, NGCPV project aims at approaching the cost of the photovoltaic kWh to competitive prices in the framework of high concentration photovoltaics (CPV) by exploring the development and assessment of concentrator photovoltaic solar cells and modules, novel materials and new solar cell structures as well as methods and procedures to standardize measurement technology for concentrator photovoltaic cells and modules. More specific objectives we are facing are: (1) to manufacture a cell prototype with an efficiency of at least 45% and to undertake an experimental activity, (2) to manufacture a 35% module prototype and elaborate the roadmap towards the achievement of 40%, (3) to develop reliable characterization techniques for III-V materials and quantum structures, (4) to achieve and agreement within 5% in the characterization of CPV cells and modules in a round robin scheme, and (5) to evaluate the potential of new materials, devices technologies and quantum nanostructures to improve the efficiency of solar cells for CPV.

Fracture strength of drilled wafers: study of the stress concentration factor and determination of the weibull distribution of the fracture stress

In the photovoltaic field, the back contact solar cells technology has appeared as an alternative to the traditional silicon modules. This new type of cells places both positive and negative contacts on the back side of the cells maximizing the exposed surface to the light and making easier the interconnection of the cells in the module. The Emitter Wrap-Through solar cell structure presents thousands of tiny holes to wrap the emitter from the front surface to the rear surface. These holes are made in a first step over the silicon wafers by means of a laser drilling process. This step is quite harmful from a mechanical point of view since holes act as stress concentrators leading to a reduction in the strength of these wafers. This paper presents the results of the strength characterization of drilled wafers. The study is carried out testing the samples with the ring on ring device. Finite Element models are developed to simulate the tests. The stress concentration factor of the drilled wafers under this load conditions is determined from the FE analysis. Moreover, the material strength is characterized fitting the fracture stress of the samples to a three-parameter Weibull cumulative distribution function. The parameters obtained are compared with the ones obtained in the analysis of a set of samples without holes to validate the method employed for the study of the strength of silicon drilled wafers.

1000x shadow-free mirror-based Köhler concentrator

A new design for a photovoltaic concentrator, the most recent advance based on the Kohler concept, is presented. The system is mirror-based, and with geometry that guaranties a maximum sunlight collection area (without shadows, like those caused by secondary stages or receivers and heat-sinks in other mirror-based systems). Designed for a concentration of 1000x, this off axis system combines both good acceptance angle and good irradiance uniformity on the solar cell. The advanced performance features (concentration-acceptance products ?CAP- about 0.73 and affordable peak and average irradiances) are achieved through the combination of four reflective folds combined with four refractive surfaces, all of them free-form, performing Köhler integration 2 . In Köhler devices, the irradiance uniformity is not achieved through additional optical stages (TIR prisms), thus no complex/expensive elements to manufacture are required. The rim angle and geometry are such that the secondary stage and receivers are hidden below the primary mirrors, so maximum collection is assured. The entire system was designed to allow loose assembly/alignment tolerances (through high acceptance angle) and to be manufactured using already well-developed methods for mass production, with high potential for low cost. The optical surfaces for Köhler integration, although with a quite different optical behavior, have approximately the same dimensions and can be manufactured with the same techniques as the more traditional secondary optical elements used for concentration (typically plastic injection molding or glass molding).

Sistema de medida de mapa de electroluminiscencia para células solares de concentración

En este Trabajo Fin de Master se desarrolla una aplicación basada en Labview diseñada para la adquisición automática de mapas de electroluminiscencia de células solares en general y células solares multiunión de concentración como caso particular, para diferentes condiciones de polarización. Este sistema permitirá la adquisición de mapas de electroluminescencia de cada una de las sub-células de una célula multiunión. Las variaciones espaciales en la intensidad de electroluminescencia medida podrán ser analizadas y correlacionadas con defectos de distintos tipos en la estructura semiconductora o en los contactos metálicos que forman el dispositivo de célula solar. En la parte teórica se presenta el estado del arte referente a la caracterización de células solares basada en la técnica de electroluminiscencia, así como los antecedentes del Instituto de Energía Solar (IES) referidos a este tema. Para el desarrollo de la parte práctica ha sido necesario diseñar dos drivers en Labview. El primer driver controla una fuente-medidor, que inyecta corriente a la célula solar y recoge datos de la tensión asociada. El segundo driver se utiliza para controlar y automatizar el proceso de adquisición, mediante sensor CCD, de la imagen electroluminiscente de la célula solar sometida a unas condiciones de polarización determinadas. Estos drivers se incluyen dentro de la aplicación final desarrollada, que ofrece al usuario una interfaz para la aplicación de diferentes condiciones de polarización a la célula solar y la adquisición de los mapas de electroluminescencia. La utilización de este sistema es fundamental en los estudios de degradación de células solares que se llevan a cabo actualmente en el Instituto de Energía Solar. De hecho, en este Trabajo Fin de Máster se han realizado las primeras medidas al respecto, cuyos resultados se presentan en la parte final de esta memoria. SUMMARY. This Master Final Project develops a Labview application designed to perform the automatic acquisition of solar cell electroluminescence maps in general, and concentrator multijunction solar cells as a special case, under forward biased conditions. This system allows the acquisition of electroluminescence maps of each of the sub-cells in a multijunction cell. The spatial variations in the intensity of the electroluminescence measured can be analyzed and correlated with defects in the semiconductor structure or in the metal contacts of the solar cell. In the theory section of this memory, the state of the art of the electroluminescence-based characterization techniques for solar cells is presented, and the previous work carried out at I.E.S. is summarized. For the development of the practice part it has been necessary to design two drivers using Labview software. The first driver handles the source-meter injecting current in the solar cell and measuring voltage between its terminals. The second driver is used to handle and automate the acquisition of the solar cell electroluminescence image under forward biased conditions, using a CCD sensor. These drivers are included in the final application, which offers the user an interface to apply different bias conditions to the solar cell and for the acquisition of electroluminescence maps. The use of this system is essential in the studies of degradation of solar cells which is currently underway at the I.E.S. – U.P.M. In this Master Final Project the results of the first measurements are carried out which are presented in the final part of this memory.

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.

Ab-Initio calculations including Van der Waals interactions: the SnS2 layered material

Tin disulfide SnS2 was recently proposed as a high efficiency solar cell precursor [1]. The aim of this work is a deep study of the structural disposition of the most important polytipes of this layered material, not only describing the electronic correlation but also the interatomic Van der Waals interactions that is present between the layers. The two recent implementations to take Van der Waals interactions into account in the VASP code are the self-consistent Dion et al. [2] functional optimized for solids by Michaelides et al [3] and the Grimme [4] dispersion correction that is applied after each autoconsistent PBE electronic calculation. In this work these two methods are compared with DFT PBE functional. The results we will presented at this Conference, demonstrates the enhancement of the geometric parameters by the use of the Van der Waals interactions in agreement with the experimental values.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Development and characterization of an FK photovoltaic concentrator for maximum conversion efficiency

The outdoor measurements of a single-cell concentrator PV module reaching a regressed 35.6% efficiency and a maximum peak efficiency of 36.0% (both corrected @Tcell=25ºC) are presented. This is the result of the joint effort by LPI and Solar Junction to demonstrate the potential of combining their respective state-of-the-art concentrator optics and solar cells. The LPI concentrator used is an FK, which is an advanced nonimaging concentrator using 4-channel Köhler homogenization, with a primary Fresnel lens and a refractive secondary made of glass. Solar Junction’s cell is a triplejunction solar cell with the A-SLAMTM architecture using dilute-nitrides.