Simulazione numerica di celle solari Metal Wrap Through (MWT) con passivazione dell'interfaccia di base e contatti puntuali

L'energia solare rientra nel gruppo delle energie rinnovabili, ovvero che provengono da una fonte il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro. L'energia solare ha molti vantaggi, poiché è inesauribile ed è una risorsa d'immediata disponibilità perché giunge attraverso i raggi del sole. La conversione fotovoltaica sfrutta il meccanismo di generazione di carica elettrica prodotto dall'interazione della radiazione luminosa su di un materiale semiconduttore. La necessità di creare energia riducendo al minimo l'impatto ambientale ed il contemporaneo aumento del prezzo di fonti fossili come ad esempio il petrolio ed il carbone (senza trascurare il fatto che le riserve di essi sono, di fatto, esauribili) ha portato un aumento considerevole della produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica. Allo stato attuale dell'economia e dei mercati, sebbene il settore fotovoltaico sia in forte crescita, non è esente da un parametro che ne descrive le caratteristiche economiche ed energetiche, il cosiddetto rapporto costo/efficienza. Per efficienza, si intende la quantità di energia elettrica prodotta rispetto alla potenza solare incidente per irraggiamento, mentre per costo si intende quello sostenuto per la costruzione della cella. Ridurre il rapporto costo/efficienza equivale a cercare di ottenere un'efficienza maggiore mantenendo inalterati i costi, oppure raggiungere una medio-alta efficienza ma ridurre in maniera significativa la spesa di fabbricazione. Quindi, nasce la necessità di studiare e sviluppare tecnologie di celle solari all'avanguardia, che adottino accorgimenti tecnologici tali per cui, a parità di efficienza di conversione, il costo di produzione della cella sia il più basso possibile. L'efficienza dei dispositivi fotovoltaici è limitata da perdite ottiche, di ricombinazione di carica e da resistenze parassite che dipendono da diversi fattori, tra i quali, le proprietà ottiche e di trasporto di carica dei materiali, l'architettura della cella e la capacità di intrappolare la luce da parte del dispositivo. Per diminuire il costo della cella, la tecnologia fotovoltaica ha cercato di ridurre il volume di materiale utilizzato (in genere semiconduttore), dal momento in cui si ritiene che il 40% del costo di una cella solare sia rappresentato dal materiale. Il trend che questo approccio comporta è quello di spingersi sempre di più verso spessori sottili, come riportato dalla International Technology Roadmap for Photovoltaic, oppure ridurre il costo della materia prima o del processo. Tra le architetture avanzate di fabbricazione si analizzano le Passivated Emitter and Rear Cell-PERC e le Metal Wrap Through-MWT Cell, e si studia, attraverso simulazioni numeriche TCAD, come parametri geometrici e di drogaggio vadano ad influenzare le cosiddette figure di merito di una cella solare.

Effect of inter-edge Coulomb interactions on transport through a point contact in nu=5/2 quantum Hall state

We study transport across a point contact separating two line junctions in a nu = 5/2 quantum Hall system. We analyze the effect of inter-edge Coulomb interactions between the chiral bosonic edge modes of the half-filled Landau level (assuming a Pfaffian wave function for the half-filled state) and of the two fully filled Landau levels. In the presence of inter-edge Coulomb interactions between all the six edges participating in the line junction, we show that the stable fixed point corresponds to a point contact that is neither fully opaque nor fully transparent. Remarkably, this fixed point represents a situation where the half-filled level is fully transmitting, while the two filled levels are completely backscattered; hence the fixed point Hall conductance is given by G(H) = 1/2e(2)/h. We predict the non-universal temperature power laws by which the system approaches the stable fixed point from the two unstable fixed points corresponding to the fully connected case (G(H) = 5/2e(2)/h) and the fully disconnected case (G(H) = 0).

Defining the flammability of cylindrical metal rods through characterization of the thermal effects of the ignition promoter

All relevant international standards for determining if a metallic rod is flammable in oxygen utilize some form of “promoted ignition” test. In this test, for a given pressure, an overwhelming ignition source is coupled to the end of the test sample and the designation flammable or nonflammable is based upon the amount burned, that is, a burn criteria. It is documented that (1) the initial temperature of the test sample affects the burning of the test sample both (a) in regards to the pressure at which the sample will support burning (threshold pressure) and (b) the rate at which the sample is melted (regression rate of the melting interface); and, (2) the igniter used affects the test sample by heating it adjacent to the igniter as ignition occurs. Together, these facts make it necessary to ensure, if a metallic material is to be considered flammable at the conditions tested, that the burn criteria will exclude any region of the test sample that may have undergone preheating during the ignition process. A two-dimensional theoretical model was developed to describe the transient heat transfer occurring and resultant temperatures produced within this system. Several metals (copper, aluminum, iron, and stainless steel) and ignition promoters (magnesium, aluminum, and Pyrofuze®) were evaluated for a range of oxygen pressures between 0.69 MPa (100 psia) and 34.5 MPa (5,000 psia). A MATLAB® program was utilized to solve the developed model that was validated against (1) a published solution for a similar system and (2) against experimental data obtained during actual tests at the National Aeronautics and Space Administration White Sands Test Facility. The validated model successfully predicts temperatures within the test samples with agreement between model and experiment increasing as test pressure increases and/or distance from the promoter increases. Oxygen pressure and test sample thermal diffusivity were shown to have the largest effect on the results. In all cases evaluated, there is no significant preheating (above about 38°C/100°F) occurring at distances greater than 30 mm (1.18 in.) during the time the ignition source is attached to the test sample. This validates a distance of 30 mm (1.18 in.) above the ignition promoter as a burn length upon which a definition of flammable can be based for inclusion in relevant international standards (that is, burning past this length will always be independent of the ignition event for the ignition promoters considered here. KEYWORDS: promoted ignition, metal combustion, heat conduction, thin fin, promoted combustion, burn length, burn criteria, flammability, igniter effects, heat affected zone.

The technical potential for reducing metal requirements through lightweight product design

Metal production consumes around 10% of all global energy, so is a significant driver of climate change and other concerns about sustainability. Demand for metal is rising and forecast to double by 2050 through a combination of growing total demand from developing countries, and ongoing replacement demand in developed economies. Metal production is already extremely efficient, so the major opportunities for emissions abatement in the sector are likely to arise from material efficiency - using less new metal to meet demand for services. Therefore this paper examines the opportunity to reduce requirements for steel and aluminium by lightweight design. A set of general principles for lightweight design are proposed by way of a simple analytical example, and are then applied to five case study products which cumulatively account for 30% of global steel product output. It is shown that exploiting lightweight design opportunities for these five products alone could reduce global steel requirements by 5%, and similar savings in aluminium products could reduce global aluminium requirements by 7%. If similar savings to those in the design case studies were possible in all steel and aluminium products, total material requirements could be reduced by 25-30%. However, many of these light-weighting measures are, at present, economically unattractive, and may take many years to implement. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Novel metal structures through powder metallurgy for biomedical applications

Biocompatible porous Ti-16Sn-4Nb alloys were synthesised in quest of a novel tissue engineering biomaterial for bone regeneration. The alloys were prepared from elemental powders via mechanical alloying followed by space-holder sintering. The effects of ball milling variables on the characteristics and mechanical properties of bulk and porous Ti-16Sn-4Nb alloy have been investigated.

Simulazione numerica di fenomeni aeroelastici con applicazione alle strutture civili

Il presente lavoro tratta lo studio dei fenomeni aeroelastici di interazione fra fluido e struttura, con il fine di provare a simularli mediante l’ausilio di un codice agli elementi finiti. Nel primo capitolo sono fornite alcune nozioni di fluidodinamica, in modo da rendere chiari i passaggi teorici fondamentali che portano alle equazioni di Navier-Stokes governanti il moto dei fluidi viscosi. Inoltre è illustrato il fenomeno della formazione di vortici a valle dei corpi tozzi dovuto alla separazione dello strato limite laminare, con descrizione anche di alcuni risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche. Nel secondo capitolo vengono presi in rassegna i principali fenomeni di interazione fra fluido e struttura, cercando di metterne in luce le fondamenta della trattazione analitica e le ipotesi sotto le quali tale trattazione è valida. Chiaramente si tratta solo di una panoramica che non entra in merito degli sviluppi della ricerca più recente ma fornisce le basi per affrontare i vari problemi di instabilità strutturale dovuti a un particolare fenomeno di interazione con il vento. Il terzo capitolo contiene una trattazione più approfondita del fenomeno di instabilità per flutter. Tra tutti i fenomeni di instabilità aeroelastica delle strutture il flutter risulta il più temibile, soprattutto per i ponti di grande luce. Per questo si è ritenuto opportuno dedicargli un capitolo, in modo da illustrare i vari procedimenti con cui si riesce a determinare analiticamente la velocità critica di flutter di un impalcato da ponte, a partire dalle funzioni sperimentali denominate derivate di flutter. Al termine del capitolo è illustrato il procedimento con cui si ricavano sperimentalmente le derivate di flutter di un impalcato da ponte. Nel quarto capitolo è presentato l’esempio di studio dell’impalcato del ponte Tsing Ma ad Hong Kong. Sono riportati i risultati analitici dei calcoli della velocità di flutter e di divergenza torsionale dell’impalcato e i risultati delle simulazioni numeriche effettuate per stimare i coefficienti aerodinamici statici e il comportamento dinamico della struttura soggetta all’azione del vento. Considerazioni e commenti sui risultati ottenuti e sui metodi di modellazione numerica adottati completano l’elaborato.