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.

Decomposition driven interface evolution for layers of binary mixtures: I. Model dirivation and base states

A dynamical model is proposed to describe the coupled decomposition and profile evolution of a free surfacefilm of a binary mixture. An example is a thin film of a polymer blend on a solid substrate undergoing simultaneous phase separation and dewetting. The model is based on model-H describing the coupled transport of the mass of one component (convective Cahn-Hilliard equation) and momentum (Navier-Stokes-Korteweg equations) supplemented by appropriate boundary conditions at the solid substrate and the free surface. General transport equations are derived using phenomenological nonequilibrium thermodynamics for a general nonisothermal setting taking into account Soret and Dufour effects and interfacial viscosity for the internal diffuse interface between the two components. Focusing on an isothermal setting the resulting model is compared to literature results and its base states corresponding to homogeneous or vertically stratified flat layers are analyzed.

Long wave theory for experimental devices with compressed/expanded surfactant monolayers

Surfactant monolayers are of interest in a variety of phenomena, including thin film dynamics and the formation and dynamics of foams. Measurement of surface properties has received a continuous attention and requires good theoretical models to extract the relevant physico- chemical information from experimental data. A common experimental set up consists in a shallow liquid layer whose free surface is slowly com- pressed/expanded in periodic fashion by moving two slightly immersed solid barriers, which varies the free surface area and thus the surfactant concentration. The simplest theory ignores the fluid dynamics in the bulk fluid, assuming spatially uniform surfactant concentration, which requires quite small forcing frequencies and provides reversible dynamics in the compression/expansion cycles. Sometimes, it is not clear whether depar- ture from reversibility is due to non-equilibrium effects or to the ignored fluid dynamics. Here we present a long wave theory that takes the fluid dynamics and the symmetries of the problem into account. In particular, the validity of the spatially-uniform-surfactant-concentration assumption is established and a nonlinear diffusion equation is derived. This allows for calculating spatially nonuniform monolayer dynamics and uncovering the physical mechanisms involved in the surfactant behavior. Also, this analysis can be considered a good means for extracting more relevant information from each experimental run.

Biosensing comparison between different geometries based on vertical submicron-structrures made of SU-8 resist

Previous work of the research group [1-4] demonstrated the viability of using periodic lattices of micro and nanopillars, called Bio-photonic sensing Cells (BICELLs), as an optical biosensor vertically characterized by visible spectrometry. Also we have studied theoretically [5] the performance of the BICELLs by 2D and 3D simulation in orde r to optimize the biosensing response. In this work we present the fabrication and biosensing comparison of different geometrical parameters on periodic lattices of pillars in order to discuss theoretical conclusions with these results. In this way, we have explored the biosensing response of other patter ns such as crosses, stars, cylinders, concentrical cylinders (Figure 1). Also we introduced a novel method to test the BICELLs in a cost-effective way by using an ultra-thin film of SU-8 spin-coated onto the patterns to reproduce the effect of a biofilm attached to the biosensor surface. Finally we have tested the biosensing response of the different geometries by the well-known Bovine Serum Albumin (BSA) immunoassay and compared with the theoretical simulation.

Integración arquitectónica y constructiva de sistemas fotovoltaicos de tecnología de lámina delgada en relación con la disipación térmica y almacenamiento de calor

Esta tesis doctoral contribuye al análisis y desarrollo de nuevos elementos constructivos que integran sistemas de generación eléctrica a través de células fotovoltaicas (FV); particularmente, basados en tecnología FV de lámina delgada. Para ello se estudia el proceso de la integración arquitectónica de éstos elementos (conocido internacionalmente como “Building Integrated Photovoltaic – BIPV”) mediante diferentes metodologías. Se inicia con el estudio de los elementos fotovoltaicos existentes y continúa con los materiales que conforman actualmente las pieles de los edificios y su posible adaptación a las diferentes tecnologías. Posteriormente, se propone una estrategia de integración de los elementos FV en los materiales constructivos. En ésta se considera la doble función de los elementos BIPV, eléctrica y arquitectónica, y en especial se plantea el estudio de la integración de elementos de disipación térmica y almacenamiento de calor mediante los materiales de cambio de fase (“Phase Change Materials – PCM”), todo esto con el objeto de favorecer el acondicionamiento térmico pasivo a través del elemento BIPV. Para validar dicha estrategia, se desarrolla una metodología experimental que consiste en el diseño y desarrollo de un prototipo denominado elemento BIPV/TF – PCM, así como un método de medida y caracterización en condiciones de laboratorio. Entre los logros alcanzados, destaca la multifuncionalidad de los elementos BIPV, el aprovechamiento de la energía residual del elemento, la reducción de los excedentes térmicos que puedan modificar el balance térmico de la envolvente del edificio, y las mejoras conseguidas en la producción eléctrica de los módulos fotovoltaicos por reducción de temperatura, lo que hará más sostenible la solución BIPV. Finalmente, como resultado del análisis teórico y experimental, esta tesis contribuye significativamente al estudio práctico de la adaptabilidad de los elementos BIPV en el entorno urbano por medio de una metodología que se basa en el desarrollo y puesta en marcha de una herramienta informática, que sirve tanto a ingenieros como arquitectos para verificar la calidad de la integración arquitectónica y calidad eléctrica de los elementos FV, antes, durante y después de la ejecución de un proyecto constructivo. ABSTRACT This Doctoral Thesis contributes to the analysis and development of new building elements that integrate power generation systems using photovoltaic solar cells (PV), particularly based on thin-film PV technology. For this propose, the architectural integration process is studied (concept known as "Building Integrated Photovoltaic - BIPV") by means of different methodologies. It begins with the study of existing PV elements and materials that are currently part of the building skins and the possible adaptation to different technologies. Subsequently, an integration strategy of PV elements in building materials is proposed. Double function of BIPV elements is considered, electrical and architectural, especially the heat dissipation and heat storage elements are studied, particularly the use Phase Change Materials– PCM in order to favor the thermal conditioning of buildings by means of the BIPV elements. For this propose, an experimental methodology is implemented, which consist of the design and develop of a prototype "BIPV/TF- PCM element" and measurement method (indoor laboratory conditions) in order to validate this strategy. Among the most important achievements obtained of this develop and results analysis includes, in particular, the multifunctionality of BIPV elements, the efficient use of the residual energy of the element, reduction of the excess heat that it can change the heat balance of the building envelope and improvements in electricity production of PV modules by reducing the temperature, are some benefits achieved that make the BIPV element will be more sustainable. Finally, as a result of theoretical and experimental analysis, this thesis contributes significantly to the practical study of the adaptability of BIPV elements in the urban environment by means of a novel methodology based on the development and implementation by computer software of a useful tool which serves as both engineers and architects to verify the quality of architectural integration and electrical performance of PV elements before, during, and after execution of a building projects.

Optical characterisation of semi-transparent PV modules for building integration

A complete characterisation of PV modules for building integration is needed in order to know their influence on the building’s global energy balance. Specifically, certain characteristic parameters should be obtained for each different PV module suitable for building integrated photovoltaics (BIPV), some by direct or indirect measurements at the laboratory, and others by monitoring the element performance mounted in real operating conditions. In the case of transparent building envelopes it is particularly important to perform an optical and thermal characterization of the PV modules that would be integrated in them. This paper addresses the optical characterization of some commercial thin-film PV modules having different degrees of transparency, suitable for building integration in façades. The approach is based on the measurement of the spectral UV/Vis/NIR reflectance and transmittance of the different considered samples, both at normal incidence and as a function of the angle of incidence. With the obtained results, the total and zoned UV, visible and NIR transmission and reflection values are calculated, enabling the correct characterization of the PV modules integrated in façades and the subsequent evaluation of their impact over the electrical, thermal and lighting performance in a building.

Liquid crystal temperature sensor based on a micrometric structure and a metallic nanometric layer

This letter presents a novel temperature sensor, which consists of an interdigitated comb electrode structure with a micrometric-scale size, nanometric metallic layer, and nematic liquid crystal (NLC) film. This sensor exploits the permittivity dependence of the NLC with temperature and principle of electrical conductivity above the percolation threshold in thin film metallic layers. The latter has been demonstrated to increase the temperature sensitivity considerably. The high impedance input reduces the power dissipation, and the high enough voltage output makes it easy to measure the output signal with high precision. The operation principle and fabrication process as well as the characterization of the temperature sensor are presented. Experimental results show that the device offers a sensitivity of 9 mV/°C and is dependent on the applied voltage. This is six times greater than the same structure without the use of a nanometric layer.

Efficiency of hysteresis rods in small spacecraft attitude stabilization

A semiempirical method for predicting the damping efficiency of hysteresis rods on-board small satellites is presented. It is based on the evaluation of dissipating energy variation of different ferromagnetic materials for two different rod shapes: thin film and circular cross-section rods, as a function of their elongation. Based on this formulation, an optimum design considering the size of hysteresis rods, their cross section shape, and layout has been proposed. Finally, the formulation developed was applied to the case of four existing small satellites, whose corresponding in-flight data are published. A good agreement between the estimated rotational speed decay time and the in-flight data has been observed.

Imaging of biological macromolecules on mica in humid air by scanning electrochemical microscopy

Imaging of DNA, keyhole limpet hemocyanin, mouse monoclonal IgG, and glucose oxidase on a mica substrate has been accomplished by scanning electrochemical microscopy with a tungsten tip. The technique requires the use of a high relative humidity to form a thin film of water on the mica surface that allows electrochemical reactions to take place at the tip and produce a faradaic current (≈1 pA) that can be used to control tip position. The effect of relative humidity and surface pretreatment with buffer solutions on the ionic conductivity of a mica surface was investigated to find appropriate conditions for imaging. Resolution of the order of 1 nm was obtained.

Biossensores de pH, ureia e glicose utilizando a microeletrônica de filmes finos de AZO e TIO2

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de biossensores de pH, ureia e glicose, utilizando óxidos como plataforma para a parte seletiva. Os filmes finos de óxidos condutores foram produzidos por diferentes técnicas de deposição, como spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis e casting. Os materiais fabricados foram AZO e TiO2, ambos depositados sobre substratos de FTO, ITO ou vidro hidroflilizado. O número de camadas foi variado para cada técnica e as caracterizações morfológicas e estruturais foram feitas por MEV, DRX e FTIR. As caracterizações elétricas foram feitas por EGFET e voltametria cíclica. Os filmes foram testados como sensores de pHs na faixa de 2 a 8. O filme depositado com AZO em substrato de FTO pela técnica de spray-pyrolysis apresentou melhor resposta, com sensibilidade de 31,7 mV/pH entre toda a faixa de pHs do 2 ao 8. Já para os filmes de TiO2, o filme produzido por dip-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou sensibilidade de 37,8 mV/pH entre a faixa de pHs de 2 a 8. Paralelamente, os filmes tiveram suas superfícies funcionalizadas com proteínas como urease ou glicose oxidase. Neste caso, os dispositivos foram testados entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL de ureia e glicose. Como biossensor de ureia, o filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou a maior sensibilidade, com valor 3,32 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 120 mg/dL. Para os filmes estudados como biossensores de glicose, o melhor resultado também foi obtido pelo filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO, apresentando sensibilidade em torno de 6,18 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL. Alguns resultados encontrados foram iguais ou melhores aos encontrados na literatura vigente, mesmo que os dispositivos ainda são passíveis de otimização.

Estudo da cinética da tirosinase imobilizada em nanopartícula de sílica com obtenção de revestimento de eumelanina

Melanina é um polímero constituído por uma grande heterogeneidade de monômeros tendo como característica comum a presença de grupos indóis. Por outro lado, a eumelanina produzida pela oxidação enzimática da tirosina é um polímero mais simples constituído principalmente de monômeros 5,6-dihidroxindol (DHI) e de indol-5,6-quinona (IQ). Tirosinase é a enzima chave na produção de melanina, sendo que a sua atividade cinética é medida em função da formação do intermediário dopacroma. Nanopartículas (NPs) de sílica são partículas nanométricas compostas de oxido de silício e são obtidas pelo processo sol-gel desenvolvido por Stöber de hidrólise e condensação de tetraetilortosilicato (TEOS), usando etanol como solvente em meio alcalino. As NPs foram funcionalizadas com 3-Aminopropiltrietoxissilano (ATPES) e depois com glutaraldeído. Este último permitiu a imobilização da tirosinase na superfície da sílica. Caracterizamos as NPs antes e após a reação da enzima, a atividade catalítica da enzima ligada à NP e o mecanismos de formação de melanina na superfície da sílica. As NPs foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção e de reflectância, termogravimetria e microscopia eletrônica. A síntese da NP de sílica retornou partículas esféricas com 55nm de diâmetro e a funcionalização da partícula mostrou modificar eficientemente a sua superfície. A imobilização da tirosinase por ligação covalente foi de 99,5% contra 0,5% da adsorção física. A atividade da tirosinase foi caracterizada pela formação de dopacroma. O Km da enzima imobilizada não sofreu alteração em comparação com a tirosinase livre, mas a eficiência catalítica - que considera a eficiência recuperada - foi de apenas 1/3 para a enzima ligada covalentemente, significando que 2/3 das enzimas ligadas não estão ativas. Obtivemos NPs revestidas com melanina a partir de oxidação de tirosina solubilizada em duas preparações: NP com tirosinase ligada covalentemente na superfície e NP funcionalizada com glutaraldeido dispersa em solução de DHI e IQ. O revestimento de melanina foi na forma de um filme fino com espessura ~1,9nm, conferindo perfil de absorção luminosa equivalente ao da própria melanina. Mostramos que o mecanismo de polimerização passa pela oxidação da tirosina pela tirosinase, que gera intermediários oxidados (principalmente DHI e IQ) que vão para solução (mesmo quando a tirosinase está ligada covalentemente na sílica). Estes intermediários ligam-se ao glutaraldeido e a superfície da sílica passa a funcionar como ambiente de polimerização da melanina.

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.

Models and methods for the direct simulation of rough and micropatterned surfaces

Friction in hydrodynamic bearings are a major source of losses in car engines ([69]). The extreme loading conditions in those bearings lead to contact between the matching surfaces. In such conditions not only the overall geometry of the bearing is relevant, but also the small-scale topography of the surface determines the bearing performance. The possibility of shaping the surface of lubricated bearings down to the micrometer ([57]) opened the question of whether friction can be reduced by mean of micro-textures, with mixed results. This work focuses in the development of efficient numerical methods to solve thin film (lubrication) problems down to the roughness scale of measured surfaces. Due to the high velocities and the convergent-divergent geometries of hydrodynamic bearings, cavitation takes place. To treat cavitation in the lubrication problem the Elrod- Adams model is used, a mass-conserving model which has proven in careful numerical ([12]) and experimental ([119]) tests to be essential to obtain physically meaningful results. Another relevant aspect of the modeling is that the bearing inertial effects are considered, which is necessary to correctly simulate moving textures. As an application, the effects of micro-texturing the moving surface of the bearing were studied. Realistic values are assumed for the physical parameters defining the problems. Extensive fundamental studies were carried out in the hydrodynamic lubrication regime. Mesh-converged simulations considering the topography of real measured surfaces were also run, and the validity of the lubrication approximation was assessed for such rough surfaces.

Filmes de óxido de zinco e nitreto de zinco depositados por magnetron sputtering com diferentes pressões de argônio, oxigênio e nitrogênio.

O óxido de zinco é um material semicondutor que apresenta alta transparência óptica no espectro visível, alta energia de ligação de éxcitons e piezoeletricidade. Por suas propriedades, ele é utilizado na área de sensores, eletrodos transparentes e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, sua utilização ainda é limitada pela dificuldade de obtenção de condutividade tipo p, cujo principal dopante é o nitrogênio, devido à assimetria de dopagem ocasionada por defeitos intrínsecos do material, dopagem em valências diferentes das esperadas e formação de níveis de aceitadores profundos na banda proibida. A aplicação em dispositivos piezoelétricos também exige alta resistividade e ótimas propriedades cristalinas. Muitos processos de deposição estabelecidos hoje ainda utilizam altas temperaturas, o que impede sua deposição sobre superfícies ou substratos sensíveis a altas temperaturas. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas de deposição de filmes de ZnO, principalmente em baixas temperaturas ( 100°C), pelo método de magnetron sputtering de rádio frequência, para avaliar a influência dos gases de processo nas características estruturais, estequiométricas, elétricas e ópticas dos filmes. Para isso, foram obtidos filmes utilizando pressão total de argônio, e pressões parciais de argônio e oxigênio e argônio e nitrogênio, utilizando alvo cerâmico de óxido de zinco ou alvo metálico de zinco. Para alvo de ZnO, filmes com condutividade tipo n foram obtidos em ambiente de argônio, em condições que geraram deficiências de oxigênio. Filmes altamente resistivos foram obtidos com a utilização de pressão parcial de oxigênio no gás de processo, em condições que resultaram em filmes estequiométricos, inclusive com condutividade tipo p. Condutividade tipo p mais alta foi observada, apenas por ponta quente, para uma amostra obtida em argônio logo após a utilização de nitrogênio na câmara de processo, que provavelmente sofreu influência da dopagem não intencional do cobre, que foi identificado como um contaminante do processo devido à estrutura da câmara. Para alvo de Zn, observou-se a formação de nitreto de zinco, que demonstrou alta capacidade de oxidação em ambiente atmosférico, e portanto, transforma-se naturalmente ao longo do tempo ou por processos de oxidação térmica em ZnO dopado com nitrogênio. Filmes de ZnO produzidos a partir de nitreto de zinco foram os únicos dos testados que apresentaram fotoluminescência característica do ZnO, mesmo para processos onde não houve aquecimento intencional.

Oxygen evolution at ultrathin nanostructured Ni(OH)2 layers deposited on conducting glass

Ultrathin and transparent nanostructured Ni(OH)2 films were deposited on conducting glass (F:SnO2) by a urea-based chemical bath deposition method. By controlling the deposition time, the amount of deposited Ni(OH)2 was varied over 7 orders of magnitude. The turnover number for O2 generation, defined as the number of O2 molecules generated per catalytic site (Ni atom) and per second, increases drastically as the electrocatalyst amount decreases. The electrocatalytic activity of the studied samples (measured as the current density at a certain potential) increases with the amount of deposited Ni(OH)2 until a saturation value is already obtained for a thin film of around 1 nm in thickness, composed of Ni(OH)2 nanoplatelets lying flat on the conductive support. The deposition of additional amounts of catalyst generates a porous honeycomb structure that does not improve (only maintains) the electrocatalytic activity. The optimized ultrathin electrodes show a remarkable stability, which indicates that the preparation of highly transparent electrodes, efficient for oxygen evolution, with a minimum amount of nickel is possible.