Sistema de medida de mapa de electroluminiscencia para células solares de concentraci��n

En este Trabajo Fin de Master se desarrolla una aplicaci��n basada en Labview dise��ada para la adquisici��n autom��tica de mapas de electroluminiscencia de células solares en general y células solares multiuni��n de concentraci��n como caso particular, para diferentes condiciones de polarizaci��n. Este sistema permitir�� la adquisici��n de mapas de electroluminescencia de cada una de las sub-células de una célula multiuni��n. Las variaciones espaciales en la intensidad de electroluminescencia medida podr��n ser analizadas y correlacionadas con defectos de distintos tipos en la estructura semiconductora o en los contactos met��licos que forman el dispositivo de célula solar. En la parte te��rica se presenta el estado del arte referente a la caracterizaci��n de células solares basada en la t��cnica de electroluminiscencia, as�� como los antecedentes del Instituto de Energ��a Solar (IES) referidos a este tema. Para el desarrollo de la parte pr��ctica ha sido necesario dise��ar dos drivers en Labview. El primer driver controla una fuente-medidor, que inyecta corriente a la célula solar y recoge datos de la tensi��n asociada. El segundo driver se utiliza para controlar y automatizar el proceso de adquisici��n, mediante sensor CCD, de la imagen electroluminiscente de la célula solar sometida a unas condiciones de polarizaci��n determinadas. Estos drivers se incluyen dentro de la aplicaci��n final desarrollada, que ofrece al usuario una interfaz para la aplicaci��n de diferentes condiciones de polarizaci��n a la célula solar y la adquisici��n de los mapas de electroluminescencia. La utilizaci��n de este sistema es fundamental en los estudios de degradaci��n de células solares que se llevan a cabo actualmente en el Instituto de Energ��a Solar. De hecho, en este Trabajo Fin de M��ster 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.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fen��menos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorci��n de fotones en alguna regi��n del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son te��ricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energ��tica prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorci��n muy d��bil de los fotones con energ��as menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben d��bilmente en el infrarrojo cercano debido al car��cter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atenci��n a este problema durante las ��ltimas d��cadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de econom��a, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez m��s delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere m��s importancia. Por tanto aumenta el inter��s en las estructuras difractivas, ya que podr��an suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un m��todo de c��lculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracci��n. En este m��todo, la red de difracci��n se analiza en el ��mbito de la ��ptica f��sica, mediante an��lisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ��pticamente grueso, se analiza en los t��rminos de la ��ptica geom��trica. El m��todo se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con m��todos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial as�� derivado, se calcula el l��mite te��rico superior para el aumento de la absorci��n en células solares mediante el uso de redes de difracci��n. Este l��mite se compara con el llamado l��mite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el l��mite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperi��dicas (con geometr��a hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperi��dicas. El l��mite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teor��a capaces de alcanzar el m��ximo atrapamiento, pero s��lo si las eficiencias de difracci��n tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de dise��o. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracci��n pueden proporcionar atrapamiento por debajo del m��ximo te��rico pero por encima del l��mite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracci��n y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El m��todo de c��lculo desarrollado se usa tambi��n para dise��ar y optimizar redes de difracci��n para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cil��ndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa diel��ctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cu��nticos. Num��ricamente, se determinan los valores ��ptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos f��sicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnolog��as. Las texturas con redes de difracci��n se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litograf��a por nanoimpresi��n y ataque con iones reactivos. De los c��lculos precedentes, se conoce el periodo ��ptimo de la red que se toma como una constante de dise��o. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ��pticas. Las medidas de reflexi��n en funci��n de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperi��dicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperi��dicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de c��lculo descrita en los p��rrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulaci��n. ��sta revela que una fracci��n significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un m��todo alternativo para crear la capa diel��ctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontr��ndose que en las muestras preparadas de esta manera la absorci��n par��sita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorci��n de fotones en puntos cu��nticos semiconductores. Con la aproximaci��n de masa efectiva, se calculan los niveles de energ��a de los estados confinados en puntos cu��nticos de InAs/GaAs. Se emplea un m��todo de una y de cuatro bandas para el c��lculo de la funci��n de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el ��ltimo caso se utiliza un hamiltoniano emp��rico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ��pticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cu��ntico en los niveles de energ��a y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cu��ntico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transici��n m��s intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducci��n. Tomando como datos de partida los niveles de energ��a y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cu��nticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ��pticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducci��n y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular l��mites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorci��n de fotones para cada transici��n. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cu��nticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fen��meno del escape t��rmico de los puntos cu��nticos es de naturaleza fot��nica; se debe a los fotones t��rmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energ��a entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducci��n. En el cap��tulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el m��todo de simulaci��n de redes de difracci��n para predecir el efecto que tendr��a incorporar una red de difracci��n en una célula solar de banda intermedia y puntos cu��nticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorci��n en los puntos cu��nticos es extremadamente d��bil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por s�� solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energ��a menor que la banda prohibida en las células con puntos cu��nticos. Se requiere una combinaci��n del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cu��nticos. En el l��mite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitar��a que el n��mero de puntos cu��nticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracci��n precisar��a un incremento del n��mero de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorci��n par��sita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

A framework for building distributed social network websites

Las redes son la esencia de comunidades y sociedades humanas; constituyen el entramado en el que nos relacionamos y determinan c��mo lo hacemos, c��mo se disemina la informaci��n o incluso c��mo las cosas se llevan a cabo. Pero el protagonismo de las redes va m��s all�� del que adquiere en las redes sociales. Se encuentran en el seno de m��ltiples estructuras que conocemos, desde las interaciones entre las prote��nas dentro de una célula hasta la interconexi��n de los routers de internet. Las redes sociales est��n presentes en internet desde sus principios, en el correo electr��nico por tomar un ejemplo. Dentro de cada cliente de correo se manejan listas contactos que agregadas constituyen una red social. Sin embargo, ha sido con la aparici��n de los sitios web de redes sociales cuando este tipo de aplicaciones web han llegado a la conciencia general. Las redes sociales se han situado entre los sitios m��s populares y con m��s tr��fico de la web. P��ginas como Facebook o Twitter manejan cifras asombrosas en cuanto a n��mero de usuarios activos, de tr��fico o de tiempo invertido en el sitio. Pero las funcionalidades de red social no est��n restringidas a las redes sociales orientadas a contactos, aquellas enfocadas a construir tu lista de contactos e interactuar con ellos. Existen otros ejemplos de sitios que aprovechan las redes sociales para aumentar la actividad de los usuarios y su involucraci��n alrededor de alg��n tipo de contenido. Estos ejemplos van desde una de las redes sociales m��s antiguas, Flickr, orientada al intercambio de fotograf��as, hasta Github, la red social de c��digo libre m��s popular hoy en d��a. No es una casualidad que la popularidad de estos sitios web venga de la mano de sus funcionalidades de red social. El escenario es m��s rico a��n, ya que los sitios de redes sociales interaccionan entre ellos, compartiendo y exportando listas de contactos, servicios de autenticaci��n y proporcionando un valioso canal para publicitar la actividad de los usuarios en otros sitios web. Esta funcionalidad es reciente y a��n les queda un paso hasta que las redes sociales superen su condici��n de bunkers y lleguen a un estado de verdadera interoperabilidad entre ellas, tal como funcionan hoy en d��a el correo electr��nico o la mensajer��a instant��nea. Este trabajo muestra una tecnolog��a que permite construir sitios web con caracter��sticas de red social distribu��da. En primer lugar, se presenta una tecnolog��a para la construcci��n de un componente intermedio que permite proporcionar cualquier caracter��stica de gesti��n de contenidos al popular marco de desarrollo web modelo-vista-controlador (MVC) Ruby on Rails. Esta t��cnica constituye una herramienta para desarrolladores que les permita abstraerse de las complejidades de la gesti��n de contenidos y enfocarse en las particularidades de los propios contenidos. Esta t��cnica se usar�� tambi��n para proporcionar las caracter��sticas de red social. Se describe una nueva m��trica de reusabilidad de c��digo para demostrar la validez del componente intermedio en marcos MVC. En segundo lugar, se analizan las caracter��sticas de los sitios web de redes sociales m��s populares, con el objetivo de encontrar los patrones comunes que aparecen en ellos. Este an��lisis servir�� como base para definir los requisitos que debe cumplir un marco para construir redes sociales. A continuaci��n se propone una arquitectura de referencia que proporcione este tipo de caracter��sticas. Dicha arquitectura ha sido implementada en un componente, Social Stream, y probada en varias redes sociales, tanto orientadas a contactos como a contenido, en el contexto de una asociaci��n vecinal tanto como en proyectos de investigaci��n financiados por la UE. Ha sido la base de varios proyectos fin de carrera. Adem��s, ha sido publicado como c��digo libre, obteniendo una comunidad creciente y est�� siendo usado m��s all�� del ��mbito de este trabajo. Dicha arquitectura ha permitido la definici��n de un nuevo modelo de control de acceso social que supera varias limitaciones presentes en los modelos de control de acceso para redes sociales. M��s a��n, se han analizado casos de estudio de sitios de red social distribu��dos, reuniendo un conjunto de carater��sticas que debe cumplir un marco para construir redes sociales distribu��das. Por ��ltimo, se ha extendido la arquitectura del marco para dar cabida a las caracter��sticas de redes sociales distribu��das. Su implementaci��n ha sido validada en proyectos de investigaci��n financiados por la UE. Abstract Networks are the substance of human communities and societies; they constitute the structural framework on which we relate to each other and determine the way we do it, the way information is diseminated or even the way people get things done. But network prominence goes beyond the importance it acquires in social networks. Networks are found within numerous known structures, from protein interactions inside a cell to router connections on the internet. Social networks are present on the internet since its beginnings, in emails for example. Inside every email client, there are contact lists that added together constitute a social network. However, it has been with the emergence of social network sites (SNS) when these kinds of web applications have reached general awareness. SNS are now among the most popular sites in the web and with the higher traffic. Sites such as Facebook and Twitter hold astonishing figures of active users, traffic and time invested into the sites. Nevertheless, SNS functionalities are not restricted to contact-oriented social networks, those that are focused on building your own list of contacts and interacting with them. There are other examples of sites that leverage social networking to foster user activity and engagement around other types of content. Examples go from early SNS such as Flickr, the photography related networking site, to Github, the most popular social network repository nowadays. It is not an accident that the popularity of these websites comes hand-in-hand with their social network capabilities The scenario is even richer, due to the fact that SNS interact with each other, sharing and exporting contact lists and authentication as well as providing a valuable channel to publize user activity in other sites. These interactions are very recent and they are still finding their way to the point where SNS overcome their condition of data silos to a stage of full interoperability between sites, in the same way email and instant messaging networks work today. This work introduces a technology that allows to rapidly build any kind of distributed social network website. It first introduces a new technique to create middleware that can provide any kind of content management feature to a popular model-view-controller (MVC) web development framework, Ruby on Rails. It provides developers with tools that allow them to abstract from the complexities related with content management and focus on the development of specific content. This same technique is also used to provide the framework with social network features. Additionally, it describes a new metric of code reuse to assert the validity of the kind of middleware that is emerging in MVC frameworks. Secondly, the characteristics of top popular SNS are analysed in order to find the common patterns shown in them. This analysis is the ground for defining the requirements of a framework for building social network websites. Next, a reference architecture for supporting the features found in the analysis is proposed. This architecture has been implemented in a software component, called Social Stream, and tested in several social networks, both contact- and content-oriented, in local neighbourhood associations and EU-founded research projects. It has also been the ground for several Master���s theses. It has been released as a free and open source software that has obtained a growing community and that is now being used beyond the scope of this work. The social architecture has enabled the definition of a new social-based access control model that overcomes some of the limitations currenly present in access control models for social networks. Furthermore, paradigms and case studies in distributed SNS have been analysed, gathering a set of features for distributed social networking. Finally the architecture of the framework has been extended to support distributed SNS capabilities. Its implementation has also been validated in EU-founded research projects.

Circuito de disparo de l��mparas flash para la iluminaci��n de sistemas fotovoltaicos

La medici��n y testeo de células fotovoltaicas en el laboratorio o en la industria exige reproducir unas condiciones de iluminaci��n semejantes a las reales. Por eso se utilizan sistemas de iluminaci��n basados en l��mparas flash de Xenon que reproducen las condiciones reales en cuanto a nivel de irradiancia y espectro de la luz incidente. El objetivo de este proyecto es realizar los circuitos electr��nicos necesarios para el disparo de dichas l��mparas. El circuito de alimentaci��n y disparo de una l��mpara flash consta de una fuente de alimentaci��n variable, un circuito de disparo para la ionizaci��n del gas Xenon y la electr��nica de control. Nuestro circuito de disparo pretende producir pulsos adecuados para los dispositivos fotovoltaicos tanto en irradiancia, espectro y en duraci��n, de forma que con un solo disparo consigamos el tiempo, la irradiancia y el espectro suficiente para el testeo de la célula fotovoltaica. La mayor��a de estos circuitos exceptuando los espec��ficos que necesita la l��mpara, ser��n dise��ados, simulados, montados en PCB y comprobados posteriormente en el laboratorio. ABSTRACT. Measurement and testing of photovoltaic cells in the laboratory or in industry requires reproduce lighting conditions similar to the real ones. So are used based lighting systems xenon flash lamps that reproduce the actual conditions in the level of irradiance and spectrum of the incident light. The objective of this project is to make electronic circuits required for such lamps shot. The power supply circuit and flash lamp shot consists of a variable power supply, a trigger circuit for Xenon gas ionization and the control electronics. Our shot circuit aims to produce pulses suitable for photovoltaic devices both irradiance, spectrum and duration, so that with a single shot get the time, the irradiance and spectrum enough for testing the photovoltaic cell. Most of these circuits except lamp specific requirements will be designed, simulated, and PCB mounted subsequently tested in the laboratory.

Advanced Fresnel K��hler concentrators for photovoltaic applications

La concentraci��n fotovoltaica (CPV) es una de las formas m��s prometedoras de reducir el coste de la energ��a proveniente del sol. Esto es posible gracias a células solares de alta eficiencia y a una significativa reducci��n del tama��o de la misma, que est�� fabricada con costosos materiales semiconductores. Ambos aspectos est��n ��ntimamente ligados ya que las altas eficiencias solamente son posibles con materiales y tecnolog��as de célula caros, lo que forzosamente conlleva una reducci��n del tama��o de la célula si se quiere lograr un sistema rentable. La reducci��n en el tama��o de las células requiere que la luz proveniente del sol ha de ser redirigida (es decir, concentrada) hacia la posici��n de la célula. Esto se logra colocando un concentrador ��ptico encima de la célula. Estos concentradores para CPV est��n formados por diferentes elementos ��pticos fabricados en materiales baratos, con el fin de reducir los costes de producci��n. El marco ��ptimo para el dise��o de concentradores es la ��ptica anid��lica u ��ptica nonimaging. La ��ptica nonimaging fue desarrollada por primera vez en la d��cada de los a��os sesenta y ha ido evolucionando significativamente desde entonces. El objetivo de los dise��os nonimaging es la transferencia eficiente de energ��a entre la fuente y el receptor (sol y célula respectivamente, en el caso de la CPV), sin tener en cuenta la formaci��n de imagen. Los sistemas nonimaging suelen ser simples, est��n compuestos de un menor n��mero de superficies que los sistemas formadores de imagen y son m��s tolerantes a errores de fabricaci��n. Esto hace de los sistemas nonimaging una herramienta fundamental, no s��lo en el dise��o de concentradores fotovoltaicos, sino tambi��n en el dise��o de otras aplicaciones como iluminaci��n, proyecci��n y comunicaciones inal��mbricas ��pticas. Los concentradores ��pticos nonimaging son adecuados para aplicaciones CPV porque el objetivo no es la reproducci��n de una imagen exacta del sol (como ser��a el caso de las ��pticas formadoras de imagen), sino simplemente la colecci��n de su energ��a sobre la célula solar. Los concentradores para CPV pueden presentar muy diferentes arquitecturas y elementos ��pticos, dando lugar a una gran variedad de posibles dise��os. El primer elemento ��ptico que es atravesado por la luz del sol se llama Elemento ��ptico Primario (POE en su nomenclatura anglosajona) y es el elemento m��s 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 producci��n que son capaces de concentrar la luz solar. El cap��tulo 1 expone una breve introducci��n a la ��ptica geom��trica y no formadora de imagen (nonimaging), explicando sus fundamentos y conceptos b��sicos. Tras ello, la integraci��n K��hler es presentada en detalle, explicando sus principios, v��lidos tanto para aplicaciones CPV como para iluminaci��n. Una introducci��n a los conceptos fundamentales de CPV tambi��n ha sido incluida en este cap��tulo, donde se analizan las propiedades de las células solares multiuni��n y de los concentradores ��pticos empleados en los sistemas CPV. El cap��tulo se cierra con una descripci��n de las tecnolog��as existentes empleadas para la fabricaci��n de elementos ��pticos que componen los concentradores. El cap��tulo 2 se centra principalmente en el dise��o y desarrollo de los tres concentradores ��pticos avanzados Fresnel K��hler que se presentan en esta tesis: Fresnel-K��hler (FK), Fresnel-K��hler curvo (DFK) y Fresnel-K��hler con cavidad (CFK). Todos ellos llevan a cabo integraci��n K��hler y presentan una lente de Fresnel como su elemento ��ptico primario. Cada uno de estos concentradores CPV presenta sus propias propiedades y su propio procedimiento de dise��o. Adem��s, presentan todas las caracter��sticas que todo concentrador ha de tener: elevado factor de concentraci��n, alta tolerancia de fabricaci��n, alta eficiencia ��ptica, irradiancia uniforme sobre la superficie de la célula y bajo coste de producci��n. Los concentradores FK y DFK presentan una configuraci��n de cuatro sectores para lograr la integraci��n K��hler. Esto quiere decir que POE y SOE se dividen en cuatro sectores sim��tricos 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 ��ptico 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 absorci��n de la luz, lo que implica un aumento en la eficiencia del m��dulo. Adem��s, este cap��tulo tambi��n explica un m��todo de dise��o alternativo para los elementos faceteados, especialmente adecuado para las lentes curvas como el POE del DFK. El cap��tulo 3 se centra en la caracterizaci��n y medidas experimentales de los concentradores ��pticos presentados en el cap��tulo 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 el��ctrica, ��ngulo de aceptancia y uniformidad de la irradiancia en el plano de la célula. Los resultados que se muestran a lo largo de este cap��tulo validar��n a trav��s de medidas a sol real las caracter��sticas avanzadas que presentan los concentradores K��hler, y que se demuestran en el cap��tulo 2 mediante simulaciones de rayos. Cada concentrador (FK, DFK y CFK) est�� dise��ado y optimizado teniendo en cuenta condiciones de operaci��n realistas. Su rendimiento se modela de forma exhaustiva mediante el trazado de rayos en combinaci��n con modelos distribuidos para la célula. La tolerancia es un asunto cr��tico de cara al proceso de fabricaci��n, y ha de ser m��xima para obtener sistemas de producci��n 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 m��dulos (principalmente debido a errores de alineaci��n en la fabricaci��n). En este sentido, la secci��n 3.5 presenta dos m��todos matem��ticos que estiman estas p��rdidas por desajuste a nivel de array mediante un an��lisis de sus curvas I-V, y por tanto siendo innecesarias las medidas a nivel de mono-m��dulo. El cap��tulo 3 tambi��n describe la caracterizaci��n indoor de los elementos ��pticos que componen los concentradores, es decir, de las lentes de Fresnel que act��an como POE y de los secundarios free-form. El objetivo de esta caracterizaci��n es el de evaluar los adecuados perfiles de las superficies y las transmisiones ��pticas de los diferentes elementos analizados, y as�� hacer que el rendimiento del m��dulo sea el esperado. Esta tesis la cierra el cap��tulo 4, en el que la integraci��n K��hler se presenta como una buena alternativa para obtener distribuciones uniformes en aplicaciones de iluminaci��n de estado s��lido (iluminaci��n con LED), siendo particularmente eficaz cuando se requiere adicionalmente una buena mezcla de colores. En este cap��tulo esto se muestra a trav��s del ejemplo particular de un concentrador DFK, el cual se ha utilizado para aplicaciones CPV en los cap��tulos anteriores. Otra alternativa para lograr mezclas crom��ticas apropiadas est�� basada en un m��todo ya conocido (deflexiones an��malas), y tambi��n se ha utilizado aqu�� para dise��ar una lente TIR aplan��tica delgada. Esta lente cumple la conservaci��n de ��tendue, asegurando as�� que no hay bloqueo ni diluci��n de luz simult��neamente. Ambos enfoques presentan claras ventajas sobre las t��cnicas cl��sicas empleadas en iluminaci��n para obtener distribuciones de iluminaci��n uniforme: difusores y mezcla caleidosc��pica mediante gu��as 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 K��hler 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 K��hler optical concentrators presented in this thesis work: Fresnel-K��hler (FK), Dome-shaped Fresnel-K��hler (DFK) and Cavity Fresnel-K��hler (CFK). They all perform K��hler 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 K��hler 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 K��hler 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 K��hler 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 ��tendue, 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.

Simulation, Design and Analysis of Air-Breathing Combined-Cycle Engines for High Speed Propulsion

Desde la aparici��n del turborreactor, el motor aer��bico con turbomaquinaria ha demostrado unas prestaciones excepcionales en los reg��menes subs��nico y supers��nico bajo. No obstante, la operaci��n a velocidades superiores requiere sistemas m��s complejos y pesados, lo cual ha imposibilitado la ejecuci��n de estos conceptos. Los recientes avances tecnol��gicos, especialmente en materiales ligeros, han restablecido el inter��s por los motores de ciclo combinado. La simulaci��n num��rica de estos nuevos conceptos es esencial para estimar las prestaciones de la planta propulsiva, as�� como para abordar las dificultades de integraci��n entre célula y motor durante las primeras etapas de dise��o. Al mismo tiempo, la evaluaci��n de estos extraordinarios motores requiere una metodolog��a de an��lisis distinta. La tesis doctoral versa sobre el dise��o y el an��lisis de los mencionados conceptos propulsivos mediante el modelado num��rico y la simulaci��n din��mica con herramientas de vanguardia. Las distintas arquitecturas presentadas por los ciclos combinados basados en sendos turborreactor y motor cohete, as�� como los diversos sistemas comprendidos en cada uno de ellos, hacen necesario establecer una referencia com��n para su evaluaci��n. Es m��s, la tendencia actual hacia aeronaves "m��s el��ctricas" requiere una nueva m��trica para juzgar la aptitud de un proceso de generaci��n de empuje en el que coexisten diversas formas de energ��a. A este respecto, la combinaci��n del Primer y Segundo Principios define, en un marco de referencia absoluto, la calidad de la trasferencia de energ��a entre los diferentes sistemas. Esta idea, que se ha estado empleando desde hace mucho tiempo en el an��lisis de plantas de potencia terrestres, ha sido extendida para relacionar la misi��n de la aeronave con la ineficiencia de cada proceso involucrado en la generaci��n de empuje. La metodolog��a se ilustra mediante el estudio del motor de ciclo combinado variable de una aeronave para el crucero a Mach 5. El dise��o de un acelerador de ciclo combinado basado en el turborreactor sirve para subrayar la importancia de la integraci��n del motor y la célula. El dise��o est�� limitado por la trayectoria ascensional y el espacio disponible en la aeronave de crucero supers��nico. Posteriormente se calculan las prestaciones instaladas de la planta propulsiva en funci��n de la velocidad y la altitud de vuelo y los par��metros de control del motor: relaci��n de compresi��n, relaci��n aire/combustible y ��rea de garganta. ABSTRACT Since the advent of the turbojet, the air-breathing engine with rotating machinery has demonstrated exceptional performance in the subsonic and low supersonic regimes. However, the operation at higher speeds requires further system complexity and weight, which so far has impeded the realization of these concepts. Recent technology developments, especially in lightweight materials, have restored the interest towards combined-cycle engines. The numerical simulation of these new concepts is essential at the early design stages to compute a first estimate of the engine performance in addition to addressing airframe-engine integration issues. In parallel, a different analysis methodology is required to evaluate these unconventional engines. The doctoral thesis concerns the design and analysis of the aforementioned engine concepts by means of numerical modeling and dynamic simulation with state-of-the-art tools. A common reference is needed to evaluate the different architectures of the turbine and the rocket-based combined-cycle engines as well as the various systems within each one of them. Furthermore, the actual trend towards more electric aircraft necessitates a common metric to judge the suitability of a thrust generation process where different forms of energy coexist. In line with this, the combination of the First and the Second Laws yields the quality of the energy being transferred between the systems on an absolute reference frame. This idea, which has been since long applied to the analysis of on-ground power plants, was extended here to relate the aircraft mission with the inefficiency of every process related to the thrust generation. The methodology is illustrated with the study of a variable- combined-cycle engine for a Mach 5 cruise aircraft. The design of a turbine-based combined-cycle booster serves to highlight the importance of the engine-airframe integration. The design is constrained by the ascent trajectory and the allocated space in the supersonic cruise aircraft. The installed performance of the propulsive plant is then computed as a function of the flight speed and altitude and the engine control parameters: pressure ratio, air-to-fuel ratio and throat area.

Fen��menos no lineales y ca��ticos en células l��gicas

El objetivo del presente trabajo es el de presentar la situaci��n actual de las posibles relaciones entre los comportamientos de las células l��gicas, empleadas en Computaci��n ��ptica, y algunos comportamientos no lineales obtenidos en sistemas complejos. Como se mostrar��, las arquitecturas empleadas en sistemas de c��lculo, y m��s en concreto, las unidades b��sicas de que est��n compuestas, pueden dar lugar a situaciones no previstas de antemano y, como consecuencia, generar procesos ajenos a los inicialmente previstos. En concreto se mostrar�� como de una célula l��gica, pueden obtenerse comportamientos ca��ticos. Este estudio se extender�� al an��lisis de redes neuronales biol��gicas y a su posible modelizaci��n con las anteriores t��cnicas. Como caso concreto de estudio se ofrecer�� una simulaci��n de la retina de los vertebrados, obtenida mediante las células l��gicas presentadas anteriormente.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ��pticos anam��rficos para aplicaciones anid��licas

La ��ptica anid��lica es una rama de la ��ptica cuyo desarrollo comenz�� a mediados de la d��cada de 1960. Este relativamente nuevo campo de la ��ptica 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 iluminaci��n. Las soluciones de la ��ptica cl��sica a los problemas de la transferencia de energ��a de la luz s��lo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condici��n paraxial no se cumple en la mayor��a de las aplicaciones para concentraci��n e iluminaci��n. Esta tesis contiene varios dise��os free-form (aquellos que no presentan ninguna simetr��a, ni de rotaci��n ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El t��rmino nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ��pticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condici��n necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anid��lico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayor��a de los sistemas ��pticos dise��ados para aplicaciones anid��licas no presentan ninguna simetr��a, es decir, son free-form (anam��rficos). Los sistemas ��pticos free-form est��n siendo especialmente relevantes durante los ��ltimos a��os gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricaci��n como m��quinas de moldeo por inyecci��n y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado t��cnicas de dise��o anid��licas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminaci��n el m��todo SMS3D permite dise��ar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetr��a de la fuente, el objeto o las restricciones volum��tricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparaci��n con las soluciones de simetr��a de rotaci��n, dado que las superficies free-form tienen m��s grados de libertad y pueden realizar m��ltiples funciones debido a su naturaleza anam��rfica. Los concentradores anid��licos son muy adecuados para la captaci��n de energ��a solar, ya que el objetivo no es la reproducci��n de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energ��a. En este momento, el campo de la concentraci��n fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentraci��n con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-uni��n (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su ��rea. El inter��s en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversi��n. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentraci��n (HCPV), con factores de concentraci��n geom��trica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o m��s) elementos ��pticos (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, as�� 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 divisi��n m��s eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o m��s uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de m��s del 45% a una concentraci��n de cientos de soles) se exploran hoy en d��a. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de divisi��n del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentraci��n comercial. Otro campo de aplicaci��n de la ��ptica nonimaging es la iluminaci��n, donde es necesario proporcionar un patr��n de distribuci��n de la iluminaci��n espec��fico. La iluminaci��n de estado s��lido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, est�� proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminaci��n general. En la ��ltima d��cada, 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 energ��a. 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 colimaci��n y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no s��lo para simplificar el dise��o ��ptico de la luminaria sino tambi��n para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz ��ptica puede reducir los costes al evitar la modulaci��n por ancho de pulso y otras soluciones electr��nicas patentadas para regulaci��n y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro cap��tulos. Los cap��tulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un cap��tulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones b��sicas de la ��ptica geom��trica y en el cual se engloba la ��ptica nonimaging. Contiene principios de la ��ptica no formadora de imagen junto con la descripci��n de sus problemas y m��todos de dise��o. Asimismo se describe el m��todo de Superficies M��ltiples Simult��neas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente tambi��n se describe la integraci��n K��hler y sus aplicaciones en el campo de la energ��a fotovoltaica. La concentraci��n fotovoltaica y la iluminaci��n de estado s��lido son introducidas junto con la revisi��n de su estado actual. El Segundo y Tercer Cap��tulo contienen dise��os ��pticos avanzados con aplicaci��n en la concentraci��n solar principalmente, mientras que el Cuarto Cap��tulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminaci��n. El Segundo Cap��tulo describe dos concentradores ��pticos HCPV dise��ados con el m��todo SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integraci��n K��hler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribuci��n de irradiancia uniforme libre de aberraciones crom��ticas sobre la célula solar. Uno de los dise��os es el concentrador XXR free-form dise��ado con el m��todo SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores sim��tricos y llevan a cabo la integraci��n K��hler (proporcionando cuatro unidades del array K��hler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetr��a 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 ��ptico secundario (SOE), que presenta configuraci��n 4-fold con el fin de realizar la integraci��n K��hler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicaci��n como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI K��hler son ejemplos acad��micos de muy alta concentraci��n (m��s de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en d��a no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-uni��n (con N>3), que probablemente requerir��n una mayor concentraci��n y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores est��n dise��ados maximizando funciones de m��rito como la eficiencia ��ptica, el producto concentraci��n-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberraci��n crom��tica (integraci��n K��hler). El Tercer Cap��tulo presenta una arquitectura para la divisi��n del espectro solar basada en un m��dulo HCPV con alta concentraci��n (500x) y ��ngulo de aceptancia alto (���>���1��) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de p��rdidas de las células triple uni��n (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos met��licos y de la superficie de semiconductor. El m��dulo para la divisi��n del espectro utiliza el espectro solar m��s eficiente debido a la combinaci��n de una alta eficiencia de una célula de concentraci��n 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentraci��n de silicio (Si), as�� como la t��cnica de confinamiento externo para la recuperaci��n 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 (concentraci��n geom��trica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su ��ptimo tambi��n (135x). El m��dulo 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 ��l. Tanto POE como SOE realizan la integraci��n K��hler para producir homogeneizaci��n de luz sobre la célula. El filtro paso banda env��a los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos pr��cticos de la arquitectura del m��dulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza s��lida, ambas células son coplanarias simplific��ndose el cableado y la disipaci��n 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 t��cnica 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 versi��n m��s compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores s��lidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Cap��tulo. Ambos dise��os ��pticos est��n dise��ados originalmente usando el m��todo SMS3D. La segunda superficie ��pticamente activa est�� dise��ada a posteriori como una superficie con surcos. El dise��o inicial de dos espejos (XX) est�� dise��ado como prueba de concepto. En segundo lugar, el dise��o RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un dise��o muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje ��ptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos dise��os son dispositivos free-form dise��ados con la intenci��n de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplan��ticos RXI con simetr��a de revoluci��n y la eficiencia de los aplan��ticos, logrando una buena colimaci��n y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplan��tico mejora a��adiendo caracter��sticas de un aplan��tico a su hom��logo sim��trico sin p��rdida de eficiencia. En el caso del dise��o basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricaci��n ya que el proceso de metalizaci��n puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricaci��n son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producci��n en masa (tales como inyecci��n de pl��stico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por ��ltimo, las ��ltimas dos secciones son las conclusiones y futuras l��neas de investigaci��n. 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. K��hler 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 K��hler 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 K��hler 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 K��hler 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 K��hler 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 (K��hler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (���>���1��). 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 K��hler 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.