Interconexión monolítica de módulos fotovoltaicos de silicio amorfo en lámina delgada sobre vidrio mediante ablación láser en régimen de nanosegundos

Esta tesis se centra en el estudio de una secuencia de procesos basados en la tecnología láser y ejecutados en dispositivos fotovoltaicos, que son imprescindibles para el desarrollo en general de las tecnologías fotovoltaicas basadas en lámina delgada y, en particular, de aquellas que utilizan silicio amorfo como absorbente, así como en aplicaciones posteriores de estas tecnologías de alto valor añadido como es la integración arquitectónica de este tipo de dispositivos. En gran parte de las tecnologías FV de lámina delgada, y muy particularmente en la de silicio amorfo, el material se deposita sobre un substrato en un área lo suficientemente grande para que se requiera de un proceso de subdivisión del dispositivo en células de tamaño adecuado, y su posterior conexión en serie para garantizar las figuras eléctricas nominales del dispositivo. Este proceso se ha desarrollado industrialmente hace años, pero no ha habido un esfuerzo científico asociado que permitiera conocer en profundidad los efectos que los procesos en si mismos tiene de forma individualizada sobre los materiales que componen el dispositivo y sus características finales. Este trabajo, desarrollado durante años en el Centro Láser de la UPM, en estrecha colaboración con Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales (CIEMAT), la Universidad de Barcelona (UB), y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), se centra justamente en un estudio detallado de dichos procesos, denominados habitualmente P1, P2, P3 y P4 atendiendo al orden en el que se realizan en el dispositivo. Este estudio incluye tanto la parametrización de los procesos, el análisis del efecto que los mismos producen sobre los materiales que componen el dispositivo y su comportamiento fotoeléctrico final, así como la evaluación del potencial uso de fuentes láser de última generación (ultrarrápidas) frente al estándar industrial en la actualidad que es el empleo de fuentes láser convencionales de ancho temporal en el rango de los nanosegundos. En concreto se ha estudiado en detalle las ventajas y limitaciones del uso de sistemas con diferentes rangos espectrales (IR, VIS y UV) y temporales (nanosegundos y picosegundos) para diferentes tipos de configuraciones y disposiciones tecnológicas (entendiendo por estas las habituales configuraciones en substrato y superestrato de este tipo de dispositivos). La caracterización individual de los procesos fue realizada primeramente en células de laboratorio específicamente diseñadas, abriendo nuevos planteamientos y conceptos originales para la mejora de los procesos láser de interconexión y posibilitando el empleo y desarrollo de técnicas y métodos avanzados de caracterización para el estudio de los procesos de ablación en las distintas láminas que conforman la estructura de los dispositivos fotovoltaicos, por lo que se considera que este trabajo ha propuesto una metodología completamente original, y que se ha demostrado efectiva, en este ámbito. Por último el trabajo aborda un tema de particular interés, como es el posible uso de los procesos desarrollados, no para construir los módulos fotovoltaicos en sí, sino para personalizarlos en forma y efectos visuales para potenciar su uso mediante elementos integrables arquitectónicamente, lo que es un ámbito de gran potencial de desarrollo futuro de las tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada. En concreto se presentan estudios de fabricación de dispositivos integrables arquitectónicamente y plenamente funcionales no solo en dispositivos de silicio amorfo con efectos de transparencias y generación de formas libres, si no que también se incluye la posibilidad de hacer tales dispositivos con células de silicio cristalino estándar que es la tecnología fotovoltaica de mayor presencia en mercado. Es importante, además, resaltar que la realización de este trabajo ha sido posible gracias a la financiación obtenida con dos proyectos de investigación aplicada, MICROSIL (PSE-120000-2008-1) e INNDISOL (IPT-420000-2019-6), y los correspondientes al Plan Nacional de I+D+I financiados por el ministerio de Ciencia e Innovación y el Ministerio de Economía y Competitividad: CLÁSICO (ENE 2007- 67742-C04-04) y AMIC ENE2010-21384-C04-02. De hecho, y en el marco de estos proyectos, los resultados de este trabajo han ayudado a conseguir algunos de los hitos más importantes de la tecnología fotovoltaica en nuestro país en los últimos años, como fue en el marco de MICROSIL la fabricación del primer módulo de silicio amorfo con tecnología íntegramente española (hecho en colaboración con el CIEMAT), o la fabricación de los dispositivos para integración arquitectónica con geometrías libres que se describen en esta Tesis y que fueron parte de los desarrollos del proyecto INNDISOL. ABSTRACT This thesis focuses on the study of a sequence of laser-based technology and processes executed in photovoltaic devices, which are essential for the overall development of photovoltaic technologies based on thin film and, in particular, those using amorphous silicon as absorbent and subsequent applications of these technologies with high added value such as the architectural integration of such devices. In much of the PV thin film technologies, and particularly in the amorphous silicon material is deposited on a substrate in an area large enough so that it requires a process of subdivision of the device in cells of appropriate size, and subsequent serial connection to ensure nominal device power figures. This process has been industrially developed years ago, but there has been an associate scientific effort that would learn more about the effects that the processes themselves have either individually on the materials that make up the device and its final characteristics. This work, developed over years in the Laser Center of the UPM, in close collaboration with Centre for Energy and Environmental Research (CIEMAT), the University of Barcelona (UB) and the Polytechnic University of Catalonia (UPC)., Focuses precisely in a detailed study of these processes, usually they called P1, P2, P3 and P4 according to the order in which they perform on the device. This study includes both the parameters of the processes, the analysis of the effect they produce on the materials making up the device and its final photoelectric behavior as well as the potential use of EVALUATION of next-generation laser sources (ultrafast) versus standard industry today is the use of conventional laser sources temporal width in the range of nanoseconds. In particular we have studied in detail the advantages and limitations of using systems with different spectral ranges (IR, UV and VIS) and time (nanosecond and picosecond) for different configurations and technological provisions (meaning these typical configurations in substrate and superstrate such devices). Individual characterization of the processes was conducted primarily in laboratory cells specifically designed, opening new approaches and original concepts for improving laser interconnection processes and enabling the use and development of advanced techniques and characterization methods for studying the processes ablation in the different sheets making up the structure of the photovoltaic devices, so it is considered that this work has proposed a completely original methodology, which has proven effective in this area. Finally, the paper addresses a topic of particular interest, as is the possible use of lso developed processes, not to build the photovoltaic modules themselves but to customize fit and visual effects to enhance their use by integrated architectural elements, which is an area of great potential for future development of thin film photovoltaic technologies. Specifically studies manufacture of integrated architecturally and fully functional not only in amorphous silicon devices with transparency effects and generating freeform devices occur, if not also include the ability to make such devices with cells of standard crystalline silicon photovoltaic technology is more visible in the market. It is also important to note that the completion of this work has been possible thanks to the financing obtained with two applied research projects, Microsil (PSE-120000- 2008-1) and INNDISOL (IPT-420000-2019-6), and those for the National R & D funded by the Ministry of Science and Innovation and the Ministry of Economy and Competitiveness: CLASSIC (ENE 2007-67742-C04-04) and AMIC ENE2010-21384-C04- 02. In fact, within the framework of these projects, the results of this work have helped get some of the most important milestones of photovoltaic technology in our country in recent years, as it was under Microsil making the first module Amorphous silicon technology with entirely Spanish (made in collaboration with CIEMAT), or the manufacture of devices for architectural integration with free geometries that are described in this thesis and that were part of the project Inndisol developments.

Misura ed elaborazione dei livelli di dose da radiazione diffusa su apparecchiature radiologiche in ambito sanitario

Obiettivo del presente lavoro consiste nell’elaborazione di curve di isodose relative ad alcuni apparecchi radiologici utilizzati in ambito medico partendo da misure effettuate sul campo in condizioni geometriche predefinite. Tali curve hanno consentito una mappatura dei campi di radiazione nei locali di impiego delle apparecchiature stesse, utili nelle valutazioni di radioprotezione degli operatori. In questo modo viene fornito al clinico uno strumento di consultazione per ottimizzare le proprie procedure da un punto di vista dell’esposizione al rischio delle radiazioni ionizzanti.

Apprendimento della probabilità: un approccio per livelli

In questa tesi si presenta uno studio sull'apprendimento della probabilità e la relativa sperimentazione fatta su 4 classi, due terze alla fine del primo ciclo d'istruzione, una prima e una seconda di liceo scientifico. Utilizzando le proprietà elaborate dai coniugi Van Hiele per costruire dei livelli di apprendimento della geometria, sono stati stilati dei livelli di apprendimento della probabilità e l'obiettivo del progetto è di confermarli ed eventualmente correggerli. Gli studenti sono stati sottoposti ad un breve test ed in seguito a delle interviste in coppia, per cercare nel loro dialogo alcuni ''indicatori'' che permettessero di inquadrare ogni studente in un livello di apprendimento. Dalle interviste sono state estrapolate prima le strategie risolutive, ovvero i procedimenti che gli studenti usano per risolvere un problema, poi delle ''categorie di pensiero'', il modo in cui gli studenti pensano a situazioni in ambito probabilistico ed, infine, i livelli di apprendimento, corretti e rielaborati secondo i risultati ottenuti.

Insegnare matematica nell'era digitale: dall’ardesia al silicio in cinquant’anni

La prima parte dell’elaborato ripercorre la storia dell’introduzione delle tecnologie all’interno delle istituzioni scolastiche, sia dal punto di vista pratico, sia dal punto di vista legislativo, che ha accompagnato questo ingresso tutt’altro che lineare, a partire dagli anni ’80 fino ai giorni nostri grazie alle ultime introduzioni avvenute con la messa in atto del Piano Nazionale Scuola Digitale. Vengono poi descritti alcuni software utilizzati nelle scuole sia in passato che in tempi più recenti per arrivare agli ultimi sviluppi e agli applicativi online per lo studio della matematica. Infine nell’ultimo capitolo è descritta un’unità didattica riguardante lo studio della probabilità, ideata per gli allievi di una scuola secondaria di secondo grado che utilizza la LIM e alcuni software adeguati all’argomento proposto. Quello che emerge, però, è la difficoltà sia nella diffusione delle tecnologie nella scuola, sia nel loro utilizzo da parte dei docenti. Spesso gli insegnanti non hanno un livello adeguato di formazione in ambito tecnologico e quindi non sono in grado di sfruttare pienamente le potenzialità offerte. Il cammino per arrivare ad una completa formazione del personale docente e per la completa digitalizzazione delle scuole è ancora lungo e tortuoso. Tuttavia è importante ricordare che le tecnologie non possono essere la risposta a tutto, bensì un efficace mezzo per attirare l’attenzione e soprattutto stimolare la fantasia di alunni e docenti. Inoltre non si può pensare alcuna tecnologizzazione senza prima aver posto e consolidato le basi di un qualsivoglia argomento da proporre in classe con l’ausilio di software e hardware.

Diseño y optimización de un aplanador de flujo neutrónico para dopaje de silicio en el Reactor RA-10.

El reactor multipropósito RA-10 que se construirá en Ezeiza tiene como objetivo principal aumentar la producción de radioisótopos destinados al diagnóstico de enfermedades; adicionalmente el proyecto RA-10 permitirá ofrecer al sistema científico-tecnológico oportunidades de investigación, desarrollo y producción. Entre ellas se contará con una facilidad de dopaje de silicio a través de transmutación neutrónica para producir material semiconductor. La principal ventaja de esta técnica de fabricación es que se obtiene el semiconductor más homogéneamente dopado del mercado. Esto se logra irradiando a la pieza con un flujo neutrónico axialmente uniforme. La uniformidad axial se obtiene diseñando un aplanador de flujo que consiste en un conjunto de anillos de acero de diferentes espesores para lograr aplanar el perfil de flujo neutrónico que irradia al silicio. El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar un algoritmo que permita calcular los espesores óptimos de acero de forma tal de modificar el perfil de flujo neutrónico que se genera en el núcleo para uniformizarlo lo más posible. Se proponen y evalúan mejoras para incrementar el valor del flujo neutrónico al cual se uniformiza. Posteriormente se evalúan los tiempos necesarios para obtener diferentes resistividades objetivo y se realizan cálculos de activación neutrónica para determinar los tiempos de decaimiento necesarios para cumplir los límites de actividad requeridos. Se realizan además cálculos de calentamiento para determinar la potencia que se debe disipar para refrigerar la facilidad.

Diseño y optimización de un aplanador de flujo neutrónico para dopaje de silicio en el Reactor RA-10.

El reactor multipropósito RA-10 que se construirá en Ezeiza tiene como objetivo principal aumentar la producción de radioisótopos destinados al diagnóstico de enfermedades; adicionalmente el proyecto RA-10 permitirá ofrecer al sistema científico-tecnológico oportunidades de investigación, desarrollo y producción. Entre ellas se contará con una facilidad de dopaje de silicio a través de transmutación neutrónica para producir material semiconductor. La principal ventaja de esta técnica de fabricación es que se obtiene el semiconductor más homogéneamente dopado del mercado. Esto se logra irradiando a la pieza con un flujo neutrónico axialmente uniforme. La uniformidad axial se obtiene diseñando un aplanador de flujo que consiste en un conjunto de anillos de acero de diferentes espesores para lograr aplanar el perfil de flujo neutrónico que irradia al silicio. El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar un algoritmo que permita calcular los espesores óptimos de acero de forma tal de modificar el perfil de flujo neutrónico que se genera en el núcleo para uniformizarlo lo más posible. Se proponen y evalúan mejoras para incrementar el valor del flujo neutrónico al cual se uniformiza. Posteriormente se evalúan los tiempos necesarios para obtener diferentes resistividades objetivo y se realizan cálculos de activación neutrónica para determinar los tiempos de decaimiento necesarios para cumplir los límites de actividad requeridos. Se realizan además cálculos de calentamiento para determinar la potencia que se debe disipar para refrigerar la facilidad.

DLTS investigation of acceptor states in P3MeT Schottky barrier diodes

Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) has been used to investigate hole traps in the depletion region of Schottky barrier diodes formed from electropolymerised poly(3-methylthiophene). The capacitance transients appear to be composed of a fast and a slow component. Analysis of the slower component using the ''rate window'' technique yields isochronal differential capacitance curves that depend on temperature in the manner predicted by theory.

DLTS investigation of acceptor states in P3MeT Schottky barrier diodes

Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) has been used to investigate hole traps in the depletion region of Schottky barrier diodes formed from electropolymerised poly(3-methylthiophene). The capacitance transients appear to be composed of a fast and a slow component. Analysis of the slower component using the ''rate window'' technique yields isochronal differential capacitance curves that depend on temperature in the manner predicted by theory.

Analisi strutturale di cilindro e pistone in carburo di silicio per un motore a benzina quattro tempi

Nella tesi si è affrontata l'analisi strutturale di cilindro e pistone, dello scrambler Ducati 400cc bicilindrico, utilizzando come materiale il carburo di silicio. Ricavati i risultati tramite un modello agli elementi finiti, sono stati confrontati con il materiale di base,cioè l'alluminio.

Le infrastrutture viarie dismesse o declassate ed il progetto di paesaggio

Paesaggio ed infrastrutture viarie sono un binomio molto forte: il primo ha insito il concetto di accessibilità, in quanto non può esistere senza la presenza di un osservatore; la strada, invece, trova i fattori che la connotano nel suo rapporto con la morfologia su cui insiste. Le infrastrutture viarie sono elemento strutturale e strutturante non solo di un territorio, ma anche di un paesaggio. Le attuali esigenze di mobilità portano oggi a ripensare ed adeguare molte infrastrutture viarie: laddove è possibile si potenziano le strutture esistenti, in diversi casi si ricorre a nuovi tracciati o a varianti di percorso. Porsi il problema di conservare itinerari testimoni della cultura materiale ed economica di una società implica considerazioni articolate, che travalicano i limiti del sedime: una via è un organismo più complesso della semplice linea di trasporto in quanto implica tutta una serie di manufatti a supporto della mobilità e soprattutto il corridoio infrastrutturale che genera e caratterizza, ovvero una porzione variabile di territorio definita sia dal tracciato che dalla morfologia del contesto. L’evoluzione dei modelli produttivi ed economici, che oggi porta quote sempre maggiori di popolazione a passare un tempo sempre minore all’interno del proprio alloggio, rende la riflessione sulle infrastrutture viarie dismesse o declassate occasione per la progettazione di spazi per l’abitare collettivo inseriti in contesti paesaggistici, tanto urbani che rurali, tramite reti di percorsi pensate per assorbire tagli di mobilità specifici e peculiari. Partendo da queste riflessioni la Tesi si articola in: Individuazioni del contesto teorico e pratico: Lo studio mette in evidenza come la questione delle infrastrutture viarie e del loro rapporto con il paesaggio implichi riflessioni incrociate a diversi livelli e tramite diverse discipline. La definizione dello spazio fisico della strada passa infatti per la costruzione di un itinerario, un viaggio che si appoggia tanto ad elementi fisici quanto simbolici. La via è un organismo complesso che travalica il proprio sedime per coinvolgere una porzione ampia di territorio, un corridoio variabile ed articolato in funzione del paesaggio attraversato. Lo studio propone diverse chiavi di lettura, mettendo in luce le possibili declinazioni del tema, in funzione del taglio modale, del rapporto con il contesto, del regime giuridico, delle implicazioni urbanistiche e sociali. La mobilità dolce viene individuata quale possibile modalità di riuso, tutela e recupero, del patrimonio diffuso costituito dalle diversi reti di viabilità. Antologia di casi studio: Il corpo principale dello studio si basa sulla raccolta, analisi e studio dello stato dell’arte nel settore; gli esempi raccolti sono presentati in due sezioni: la prima dedicata alle esperienze più significative ed articolate, che affrontano il recupero delle infrastrutture viarie a più livelli ed in modo avanzato non concentrandosi solo sulla conversione del sedime, ma proponendo un progetto che coinvolga tutto il corridoio attraversato dall’infrastruttura; la seconda parte illustra la pratica corrente nelle diverse realtà nazionali, ponendo in evidenza similitudini e differenze tra i vari approcci.

Nano-scale morphology and electron spectrum of defect states in low-k SiOCH films

Results of experimental investigations on the relationship between nanoscale morphology of carbon doped hydrogenated silicon-oxide (SiOCH) low-k films and their electron spectrum of defect states are presented. The SiOCH films have been deposited using trimethylsilane (3MS) - oxygen mixture in a 13.56 MHz plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system at variable RF power densities (from 1.3 to 2.6 W/cm2) and gas pressures of 3, 4, and 5 Torr. The atomic structure of the SiOCH films is a mixture of amorphous-nanocrystalline SiO2-like and SiC-like phases. Results of the FTIR spectroscopy and atomic force microscopy suggest that the volume fraction of the SiC-like phase increases from ∼0.2 to 0.4 with RF power. The average size of the nanoscale surface morphology elements of the SiO2-like matrix can be controlled by the RF power density and source gas flow rates. Electron density of the defect states N(E) of the SiOCH films has been investigated with the DLTS technique in the energy range up to 0.6 eV from the bottom of the conduction band. Distinct N(E) peaks at 0.25 - 0.35 eV and 0.42 - 0.52 eV below the conduction band bottom have been observed. The first N(E) peak is identified as originated from E1-like centers in the SiC-like phase. The volume density of the defects can vary from 1011 - 1017 cm-3 depending on specific conditions of the PECVD process.

A simple circuit to aid direct measurement of capture cross sections of deep level impurities

An inexpensive and simple circuit to aid the direct measurement of majority carrier capture cross sections of impurity levels in the band gap of a semiconductor by the variable width filling pulse technique is presented. With proper synchronisation, during the period of application of the pulse, the device is disconnected from the capacitance meter to avoid distortion of the pulse and is reconnected again to the meter to record the emission transient. Modes of operation include manual triggering for long emission transients, repetitive triggering for isothermal and DLTS measurements and the DLTS mode which is to be used with signal analysers that already provide a synchronising pulse for disconnection.

Properties of iron related quenched-in levels in p-silicon

The electrical and optical properties of the thermally induced quenched-in levels in p-silicon which have heen attributed to iron are studied. The two levels, HI and H2, are located at Ev + 0.42 eV and Ev + 0.52 eV, respectively, as determined by TSCAP, DLTS, and transient photocapacitance methods. The photoionization cross sections are well described by Lucovsky's model. The hole capture by H1 is temperature dependent; a barrier of 40 meV is measured. However, multiphonon emission mechanism cannot be invoked to explain this temperature dependence due to the inferred zero lattice relaxation. The source of iron contamination is found to be the ambient conditions, in particular the quartz tube. The conflicting reports regarding the stability and the variation in the reported capture cross section values suggests that the observed Ev + 0.4 eV level must be a complex centre. The inferred near zero lattice relaxation during the electron transition implies weak coupling to the host lattice.

Investigation of Deep Defects Due to -Particle Irradiation in n-Silicon

Electrical properties of deep defects induced in n-silicon by -particles of about 10 MeV energy at a dose of 1014 and 1015 cm-2 are studied by DLTS. The levels at Ec -0.18 eV, Ec -0.26 eV, and Ec -0.48 eV are identified as A center, V2 (=/-) and V2 (-/0) on the basis of activation energy, electron capture cross section, and annealing behavior. Two other irradiation related levels at Ec -0.28 eV and Ec -0.51 eV could not be related to any known center.

Properties of the gold related acceptor level in silicon

The apparent thermal activation energy of 0.56 eV and the electron thermal capture cross section of 2.0 × 10-16 cm2 are measured for the gold related acceptor level in p+ nn+ silicon diodes by isothermal current transient and DLTS techniques. Using the emission and capture rate data and a degeneracy ratio of 2, the energy separation of the trap level from the conduction band is calculated and found to have the same temperature dependence as the band gap indicating that the acceptor level is pinned with respect to the valence band a t Ev + 0.637 eV.