Thèses sur le sujet « FISICA SOLARE »

La presente tesi costituisce un lavoro di rassegna sugli ultimi risultati e sulle prospettive di ricerca relative alle celle fotovoltaiche. Dopo un’introduzione sulle proprietà di interesse della radiazione elettromagnetica e dello spettro solare, si illustrano i meccanismi fisici di interazione radiazione-materia alla base dell’effetto fotovoltaico. Si descrivono poi il principio di funzionamento e i parametri caratteristici delle celle fotovoltaiche, e si discutono alcune strategie adottate per migliorare l’efficienza di conversione dell’energia solare in energia elettrica. Si presentano infine alcune delle tecnologie e architetture più recenti di celle solari: le celle fotovoltaiche a perovskite e le celle fotovoltaiche tandem silicio-perovskite, che hanno dimostrato grandi potenzialità di miglioramento delle prestazioni e risultano particolarmente interessanti per le elevate efficienze raggiunte e i bassi costi di produzione.

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

In un contesto internazionale di ricerca focalizzato allo sviluppo di nuove tecnologie basate su energie alimentate da fonti rinnovabili, un settore di sempre maggiore interesse è lo sviluppo d’impianti di microgenerazione legati all’acqua. In questo settore si pone il presente studio, il quale vuole apportare un contributo innovativo all’ottimizzazione dei sistemi di desalinizzazione/depurazione delle acque sfruttando unicamente la radiazione solare. Lo stato dell’arte di questi sistemi, denominati serre solari, è stato in prima istanza analizzato al fine di comprenderne le potenzialità e i limiti dal punto di vista fisico e di efficienza. Si sono quindi sviluppati e sperimentate nuove configurazioni che hanno portato a significativi miglioramenti delle prestazioni. Sulla base dei risultati dei primi test, è stato sviluppato poi il calcolo exergetico dell’intero sistema. Attraverso sperimentazioni circa la tipologia dei materiali da utilizzare per la costruzione delle serre solari e le modellizzazioni termodinamiche e fluidodinamiche, si è giunti quindi ad un ulteriore sviluppo dei sistemi. I miglioramenti apportati hanno permesso un’efficienza del sistema depurativo maggiore rispetto allo stato dell’arte. Una volta consolidato il sistema, è stata approfondita l’analisi volta ad individuare in quali aree del pianeta questi sistemi possano essere maggiormente applicabili, in funzione delle condizioni climatiche (modello geo-spaziale – GSI) e delle condizioni antropiche (indice socio-economico –SEI)
In an International context of research focused on the development of new technologies based on energy supplied by renewable sources, the development of micro-water treatment plants is of increasing interesting. The current study fits into this perspective with the aim to provide an innovative tool for the optimization of the desalination/water purification systems, by using only the solar radiation source. In the present study, the state of art of the systems, hereafter called solar stills, was analyzed in order to understand their potential and limits from a physical and efficiency perspective. Afterwards, new prototypes were developed and tested, resulting in a significant improvement of the solar stills’ performances. Basing on results from the first test performed, the exergetic calculation of the system was carried out. . Additionally, the experimentation on different types of materials to be used for the construction of the solar stills, in association to the thermodynamic and fluid dynamic modeling processes, allowed us to reach a further development of the systems. Such improvements leaded to a higher efficiency of the solar still, compared to the state of the art. Once the system has been consolidated, a geo-spatial analysis based on both climatic conditions (geo-spatial index - GSI ) and anthropogenic conditions (socio-economic index - SEI), has been performed with the aim to identify the areas where the developed systems were more applicable.

La radiazione solare alla sua origine è una fonte di energetica ad alta exergia: il sole ha un’irradianza pari a 63 MW/m2. Ma all’arrivo sulla superficie terrestre questo flusso diminuisce drasticamente. Per questa ragione, quando si necessita di elevate temperature o elevate exergie si adottano sistemi solari a concentrazione. Fra tutte le possibili geometrie i concentratori solari parabolici assiali sono di gran lunga la tecnologia più adottata. Un campo di utilizzo dei PTC (parabolic trough collectors) è quello del calore destinato ai processi industriali: questa applicazione ha un elevatissimo potenziale anche alle latitudini dell’Europa centro-­‐meridionale. Nella presente tesi sono discussi i risultati di un progetto di ricerca (PTC.project) per lo studio dei PTC applicati alla domanda di calore dei processi industriali o di altre utenze nell’intervallo di temperatura fra 80 e 250 °C. Sono descritti la progettazione e la realizzazione di due prototipi di PTC, con informazioni complete riguardo alle caratteristiche geometriche, ai materiali e ai processi produttivi. Successivamente sono illustrati i risultati di test preliminari sui prototipi, assieme alle caratteristiche di un banco per il test di apparati solari a temperature comprese fra 10 e 150 °C. E’ poi esposto il modello matematico sviluppato per descrivere l’efficienza ottica e termica dei concentratori, completo delle routine per il calcolo della posizione del sole. Infine è esposto un ambiente per la simulazione dell’esercizio annuale di un campo di concentratori accoppiato ad uno specifico profilo di domanda termica. I risultati suggeriscono lo sviluppo di questa tecnologia nel panorama delle fonti di energia rinnovabile che dovranno essere adottate per raggiungere gli obiettivi energetici ed ambientali fissati in vari contesti internazionali. Ma saranno necessari forti investimenti se si vorrà imprimere un’accelerazione allo sviluppo dei PTC e delle tecnologie solari termiche in genere.
Solar radiation at its origin is a high-exergy energy source: the Sun has an irradiance of about 63 MW/m2. But on the Earth’s surface solar energy flow dramatically decreases. For this reason, when high temperatures or high-exergy need to be reestablished, concentrated solar systems are adopted. Among all possible geometries, parabolic trough collectors are by far the most widespread technology. A field of usage of PTCs is in industrial process heat: this application has a dramatic potential and can be adopted at latitudes like those of central and southern europe. In this thesis the results of research project (PTC.project) for the study of PTCs in IPH and other heat demands in the temperature range from 80 to 250 °C are exposed. The design and manufacture of two prototypes are described in detail, giving complete information on geometrical characteristics, materials and manufacturing processes. Then the results of preliminary tests on the mentioned prototypes are produced, together with the characteristics of a test bench designed to determine PTCs performances with water and heat transfer oil as working fluids in a temperature range from 10 to 150 °C. Then a mathematical model, able to determine the performance of any PTC is described: the model accounts for optical and thermal losses of the collector, and also contains a routine code to calculate the solar position. In the end a simulation environment for annual analysis of the performance of a PTC applied to a specific process heat demand load is presented and the results obtained on a realistic heat demand yearly profile are described. The energetic results suggest that there could be space for this technology in the variety of renewable energies that will be needed to meet international goals in terms of energy and environment in the nearest future. But the experience acquired also suggests that investments are needed if an acceleration on the spreading of PTCs and other CSP technologies is to be realized

Flat-plate and evacuated tube collectors are the most widely used device to convert solar radiation into heat. In conventional applications they can provide energy for domestic hot water or space heating in combination with low water temperature systems. Testing of thermal efficiency and optimisation of these solar thermal collectors are addressed and discussed in the present work. A new set of experimental data has been used to evaluate the performance of flat-plate and evacuated collectors at various conditions. Efficiency is measured following the standard EN 12975: standard efficiency curves, input/output energy curves and daily efficiency curves have been obtained from tests. This approach allows a more comprehensive comparison of the effective performance of the solar thermal collectors considered here. A simulation tool of the flat-plate thermal collector is also proposed. The numerical model permits to obtain a “virtual collector” and provides information on the predicted performance without constructing prototypes. The three-dimensional steady-state model for flat-plate solar collector is validated comparing model predictions with experimental results obtained from experimental tests on two flat-plate collectors. Measures of the temperature profile in the copper sheet, in the glass cover and in the tubes, and an infrared analysis, are used to investigate the heat losses and optical characteristics. The numerical model has been also used to analyse comparative effects of varying design choices, with regard to geometry and materials. The evacuated tube collectors are in principle more expensive than flat-plate collectors and they are suitable for more higher temperature systems (space heating, absorption cooling machines..). Their geometry makes more difficult to fully characterize the collector performance. A new procedure to characterize these type of collectors has been developed and described in this thesis. Efficiency tests have been performed on a U-tube evacuated tubular collector, using a cylindrical absorber, both with and without external CPC (compound parabolic concentrator) reflectors. Experimental results have been used to validate the new procedure and to provide information on the improvement of collectors’ performance obtained through the use of external CPC reflectors.
I collettori solari termici maggiormente impiegati per convertire la radiazione solare in calore sono i collettori a tipologia piana e a tubi evacuati. Nelle applicazioni convenzionali essi vengono utilizzati per la produzione di acqua calda sanitaria o riscaldamento domestico in combinazione con sistemi a bassa temperatura. Prove d’efficienza termica ed ottimizzazione di questi dispositivi solari sono affrontati e discussi in questa tesi. Nuove prove sperimentali in varie condizioni sono state effettuate su collettori piani vetrati e a tubi evacuati per effettuare una nuova analisi comparativa. L’efficienza è stata misurata secondo le indicazioni della normativa europea EN 12975 ed inoltre si sono ricavate curve input-output e di efficienza media giornaliera. Questo approccio permette un confronto più ampio delle prestazioni effettive dei collettori solari considerati. Uno strumento di simulazione delle prestazioni dei collettori a geometria piana è anche proposto. Il modello numerico permette di ottenere un “collettore virtuale” e fornisce informazioni sulle prestazioni di un collettore senza costruirne un prototipo funzionale. Il modello tridimensionale stima le prestazioni di un collettore a geometria piana in condizioni stazionarie ed è stato validato confrontando le prestazioni stimate con i risultati sperimentali ottenuti su due collettori diversi. Misure di temperatura della piastra assorbente, della copertura vetrata, dei tubi dell’arpa ed analisi all’infrarosso sono stati utilizzati per investigare le dispersioni termiche e le caratteristiche ottiche della geometria considerata. Il modello è inoltre stato usato per analizzare gli effetti di alcune scelte progettuali riguardanti la geometria e i materiali dei componenti del collettore. I collettori solari a tubi evacuati sono in linea di principio più costosi dei collettori piani e sono idonei ad applicazioni a più alta temperatura (sistemi di riscaldamento, macchine ad assorbimento..). La loro geometria rende più difficile la caratterizzazione completa delle prestazioni del collettore. Una nuova procedura per caratterizzare questo tipo di collettori è stata sviluppata ed è qui descritta. Sono state eseguite prove sperimentali su un collettore a tubi evacuati, con tubi ad U, con assorbitore cilindrico, con e senza riflettori CPC (compound parabolic concentrator) esterni. I risultati sperimentali sono stati utilizzati per validare la nuova procedura e per fornire indicazioni sull’incremento dell’efficienza dovuto all’impiego dei riflettori CPC.

Il presente lavoro mira a fare un confronto con diverse tecnologie del freddo dal sole ‗Ice maker‘; Queste macchine potrebbero essere alimentate termicamente (solare termico-adsorbimento o assorbimento) oppure elettricamente (FV-Compressione vapore) Il lavoro inizia con un‘introduzione che spiega i vantaggi del solar Ice maker: autonomia, salute e non tossicità, eco sostenibilità e per fattori socio economici. Ho trattato all‘inizio l‘argomento dei captatori solari sia termici sia fotovoltaici, che serviranno ad alimentare le macchine, sono stati illustrati in seguito i cicli termodinamici delle macchine sopra citate. Poi abbiamo studiato una macchina ad adsorbimento (metanolo-carbone attivo) alimentato da un panello solare termico. Partendo dal modello matematico e dei dati fissi e dinamici (radiazione e temperatura) inserendoli in un software dava i risultati della simulazione dinamica, poi è stata trattata l‘analisi parametrica e alla fine il dimensionamento di tutti i componenti (collettore solare, condensatore, evaporatore…) La seconda macchina era quella ad assorbimento solare (acqua-Bromuro di litio) alimentata da panello solare termico. Facendo la stessa procedura di prima modello matematicodati dentrosimulazione dinamicarisultatianalisi parametrica (senza studiare il dimensionamento). Invece per la terza macchina si tratta compressione di vapore (R-600a) alimentato con panello policristallino e motore DC. Facendo la stessa procedura appena citata. Il confronto finale tra queste tre macchine è stato fatto basandoci su indici di confronto (quantità ghiaccio al giorno/ superfice panello, rendimento, minime temperature raggiunte…) per stabilirne che quella a adsorbimento sia la migliore. Il passo successivo è oltrepassare la simulazione dinamica, e Progettare/installare le tre macchine nella stessa zona climatica (Africa subsahariana) e studiare realmente il funzionamento in sito e stabilirne quale macchina sia la migliore nelle stesse condizioni operative.
The present work aims to make a comparison between different sun‘s cold technologies ―Ice maker ―; These machines could be thermally powered by (solar thermal energy adsorption or absorption) or electrically (FV- vapor Compression) The work begins with an introduction, that explains the advantages of solar Ice maker: Self-sufficiency, Health and non-toxicity, Ecological sustainability, Social and Economic factors. I mentioned at the beginning the topic of the PV and thermal solar collectors, which will be used to drive these machines, and then i illustrated in the thermodynamic cycle of the machines mentioned above. Then i studied the adsorption machine (methanol-activated charcoal) powered by a solar thermal Panel. Starting from a mathematical model and fixed and dynamic data (temperature and radiation) inserting them in a software that gives us the dynamic simulation results, then it was discussed the parametric analysis and design of all components (solar collector, condenser, evaporator, ...) The second machine was the solar absorption (water-lithium bromide) powered by solar thermal Panel. Doing the same procedure of first mathematical model input data  dynamic simulationresultsparametric analysis (without studying the machine design). For the third machine the vapor compression (R-600a) powered by polycrystalline Panel and DC motor. Doing the same procedure just over mentioned. The final comparison between these three machines was done based on comparing index (Ice quantity per day/Panel surface, STR, Lowers temperatures reached ...) to find that the best machine is the solar adsorption. The next step is to go beyond dynamic simulation, and to Design/install these three machines in the same climate zone (sub-Saharan Africa) studying the effective machines run and to establish which one is the best in the same operating conditions.

The Sun-Earth environment is strongly influenced by the coupling level between the Earth magnetosphere and the interplanetary magnetic field. The latter is closely related to the solar wind, a flux of plasma continuously flowing from the Sun and propagating in the interplanetary space medium. This plasma is constituted by electrons, protons and heavier particles, and propagates with a speed of 400-800 km/s, reaching Earth in 2.4-4.6 days. A sudden increase of the solar wind's speed is achieved by two types of phenomena: flares and Coronal Mass Ejections (CMEs). In this context, this thesis concerns the study of the physical processes that lie at the base of the CME formation and of their effects on the Sun-Earth environment. Such an investigation can be done utilizing data taken from satellites that study solar wind, interplanetary magnetic field, flares and CMEs.

Durante il dottorato ho investigato il processo fotofisico di "upconversion" assistito da annichilazione tripletto-tripletto (TTA-UC) tramite studi di spettroscopia in sistemi profondamente differenti gli uni dagli altri. In TTA-UC radiazione ad alta energia è emessa dalla ricombinazione radiativa dello stato di singoletto eccitato di una molecola emettitore, popolato precedentemente dall'annichilazione dei tripletti di due emettitori. Un sensibilizzatore immagazzina la luce incidente a bassa energia e trasferisce l'eccitazione agli emettitori tramite trasferimento di energia alla Dexter. Poiché il suo funzionamento si basa su tripletti mestastabili, TTA-UC può essere altamente efficiente anche in condizioni di luce non coerente e a bassa energia. Come tale, è particolarmente adatto per dispositivi che sfruttano l'energia solare poiché è in grado di aumentarne l'efficienza di conversione limitando le perdite per trasmissione. Mi sono concentrata su due problemi importanti che tuttora limitano l'impiego di materiali che attuano TTA-UC (upconverters), ossia la limitata capacità di immagazzinare energia dei comuni sensibilizzatori organici e le scarse prestazioni di TTA-UC in upconverters a stato solido, i quali sono più adatti per applicazioni tecnologiche rispetto a sistemi liquidi. Per risolvere il primo problema ho investigato sensibilizzatori ibridi, composti da nanostrutture a semiconduttore decorate con molecole organiche, con ampio assorbimento. Nanocristalli di CdSe drogati con cationi d'oro e decorati con acido antracenico carbossilico si sono dimostrati essere sensibilizzatori ibridi efficienti ed innovativi. Il drogante introduce nel gap energetico dei nanocristalli livelli localizzati su cui le lacune si localizzano sulla scala dei picosecondi, più velocemente dell'estrazione di lacune sul livello HOMO dei leganti. Con tale strategia ho raggiunto l'efficienza di UC del 12%, record per sistemi ibridi. Ho poi mostrato come le proprietà superficiali e fotofisiche di nanoplatelets di CdSe le rendano ottimali candidati in sensibilizzatori ibridi. Ho mostrato che il ricoprimento delle superfici non è omogeneo, ma procede ad isole e l'interazione di "π- π stacking" porta alla formazione di aggregati sulle superfici delle nanoplatelets, con il risultato di ridurre l'energia dei tripletti dei leganti con profonde ripercussioni sulle prestazioni di TTA-UC e sulla scelta della specie emettitrice. Riguardo al secondo problema, ho studiato due upconverters a stato solido, polimeri vetrosi nanostrutturati che mostrano proprietà macroscopiche simili ma realizzati con tecniche differenti. Essi presentano domini liquidi di dimensione inferiore a 50 nm dove le specie che attuano TTA-UC si accumulano, racchiuse in una matrice rigida polimerica che fornisce protezione da ossigeno e qualità ottica eccellenti e stabilità a lungo termine. Il confinamento molecolare permette di aumentare la densità locale di eccitoni aumentando l'efficienza di UC a basse potenze grazie alle ridotte distanze intermolecolari e all'attivazione del regime di TTA-UC confinato.Ho inoltre studiato un nuovo emettitore derivato da perilene, realizzato con lo scopo di aumentarne l'efficienza di fluorescenza. Grazie a questo emettitore ho raggiunto l'efficienza record di UC di 42%, dovuta proprio alla struttura molecolare dell'emettitore che permette di limitare la formazione di aggregati, garantendo un'eccellente efficienza di generazione di singoletti tramite TTA. Infine, ho presentato una prospettiva riguardo alle prestazioni che possono essere raggiunte combinando le due tematiche trattate, ossia inserendo sensibilizzatori ad ampio assorbimento in polimeri nanostrutturati. Trovando il giusto compromesso tra taglia dei domini liquidi e distribuzione dell'energia di eccitazione si raggiungerebbe la massima efficienza di UC a potenze minori dell'irradianza solare, promuovendo lo sviluppo di upconverters a stato solido per tecnologie a energia solare
In my PhD project, I investigated the photophysical process of photon upconversion assisted by triplet-triplet annihilation (sTTA-UC) through spectroscopy studies in a variety of systems, profoundly different on many levels. In sTTA-UC high energy radiation is emitted from the fluorescent recombination of the excited singlet of an emitter molecule, previously populated via annihilation of the metastable triplet states of two emitters. This is a sensitized process since a sensitizer is necessary to harvest the low energy incident light and to transfer the stored energy to the emitters via Dexter energy transfer. Because its functioning relies on long-lived metastable triplets, this process can be highly efficient also under low power, noncoherent light. As such, sTTA-UC is particularly suited for solar applications as it can increase the conversion efficiency by reducing transmission losses. During my studies, I focused on addressing two crucial issues that still limit the application of upconverters in solar technologies, i.e. the limited storage ability of common organic sensitizers and the poor sTTA-UC performance in solid-state upconverters, which are intrinsically better suited than liquid solutions for technological applications. To solve the first problem, I investigated hybrid sensitizers, composed of semiconductor nanostructures decorated with conjugated organic ligands characterized by broadband absorption. CdSe nanocrystals (NCs) doped with gold cations and decorated with 9-anthracene carboxylic acid demonstrated to be efficient innovative broadband hybrid sensitizers. The doping strategy inserts into the NCs energy gap localized hole-accepting states where the holes localize on the picosecond timescale, outpacing hole transfer to the ligand HOMO. With this strategy, I achieved the UC efficiency of 12%, the record performance obtained so far for hybrid upconverters. I then discussed how the CdSe nanoplatelets surface and photophysical properties make them potential optimal light harvesters. My studies on the nanoplatelets-to-ligands energy transfer dependency on the surface ligand density revealed that the surface coverage is not homogeneous but proceeds in an island-like way promoted by π- π stacking and results in the formation of ligands aggregates on the nanoplatelets surfaces, which causes a redshift of the ligand triplet energy with critical repercussions on the sTTA-UC performance and on the emitter selection. To address the second issue, I investigated two solid-state upconverters, i.e. nanostructured glassy polymers that show similar macroscopic properties but fabricated via different approaches. They both feature liquid droplets of mean size less than 50 nm where the upconverting dyes accumulate, embedded in a rigid polymer matrix that grants excellent oxygen protection and optical quality and long-term stability. The dyes confinement allows to increase the effective local excitons density resulting in an enhanced UC efficiency at low excitation intensities, thanks to the reduced intermolecular distances and the activation of the confined sTTA-UC regime. I also introduced a new perylene derivative as emitter, specifically designed to prevent molecular aggregation to maximize its fluorescence efficiency. By employing this emitter, I achieved the record UC efficiency of 42%, which directly stems from the emitter molecular structure, as it limits the formation of aggregates, while guaranteeing excellent singlet generation efficiency upon TTA. I finally presented a perspective of the performances that can be achieved by combining the two topics considered, i.e. loading broadband sensitizers in nanostructured polymers. I highlighted that if the best trade-off between nanostructure size and energy distribution is met the maximum UC efficiency can be achieved at excitation powers orders of magnitude lower that the solar irradiance, therefore promoting the development of real-world solid-state upconverters.

The aim of this work is the analysis of the application of solar thermal systems for combining heating, cooling and hot water production. The most important topic of this work is therefore the use of renewable solar energy for the reduction of energy use in civil buildings. The use of solar radiation to produce electrical energy has not been investigated in this context. In particular, measurements of the effciency of solar thermal system installed in a residential dwelling in Treviso and results of solar cooling system simulations coupled with radiant systems are presented. The first part of the thesis presents the current status of the solar thermal market in Europe and in the World, and expected trends for the future. The first case study regards the energy efficiency of a residential building with solar thermal system for heating and domestic hot water production. Afterwords a dynamic model of the building and the system was developed in the software TRNSYS, in order to evaluate the performance of the system depending on with different parameters, such as collector area and tank volume. The second part of the thesis regards solar cooling systems equipped with absorption machines. This part starts with a short introduction of the absorption technology. Then, the results of a study for a patent prototype system are summed up. This system is a “Plug&Play” machine for residential and office buildings. In the frame of this study the design of each part of the system has been carried out by the use of dynamic models, by applying simulations to the proposed system, in a typical dwelling. This model describes the application of the proposed system both in a residetial building and in a office building. Different types of radiant system are used for checking the indoor comfort and for evaluating the best solution as terminal unit. The last part of this thesis is based on the previous study. At first the design of a thermal chamber for a company producing radiant ceilings was developed. This chamber will be used to measure the performance of cooling radiant systems and for didactic purposes. After that, a case study consisting in solar collectors, coupled with an absoption chiller applied to a radiant ceiling has been investigated. This case evaluates the energy provided for heating, cooling and domestic hot water production for a residential dwelling. The results of the simulations are presented for four different climatic zones.
Il presente lavoro verifica l’applicazione dell’energia solare termica ai fini della climatizzazione combinata alla produzione di acqua calda sanitaria nel settore civile al fine di ridurne i consumi energetici. In particolare è stata analizzata una serie di studi derivanti da misure in opera delle prestazioni di funzionamento di un impianto solare termico installato in un’abitazione residenziale nella provincia di Treviso e da simulazioni dinamiche del sistema edificio–impianto sia per il riscaldamento che per il raffrescamento. L’obiettivo principale è verificare, o comunque prevedere, quali siano i margini di risparmio ottenibili dallo sfruttamento della tecnologia appositamente creata per l’utilizzo della radiazione solare solamente da punto di vista termico in sistemi attivi. In tale contesto infatti non verrà trattato l’aspetto relativo alla produzione elettrica fotovoltaica, che assieme ai sistemi solari termici ha avuto una grande diffusione soprattutto negli ultimi anni grazie ad incentivi di natura pubblica. Nella prima parte del lavoro si analizza quale sia lo stato attuale del mercato del solare termico nei vari Paesi europei e del mondo e quali siano le prospettive future, dal momento che l’energia solare diventerà parte integrante di tutti i sistemi energetici sia su piccola che su grande scala. Sulla base di queste considerazioni si riportano i risultati prestazionali di alcuni casi di studio. Un primo studio ha riguardato l’analisi di un sistema solare a servizio di un edificio residenziale. La prima parte dello studio ha riguardato il monitoraggio in opera per circa un anno di tutte le grandezze utili ai fini della valutazione energetica. Successivamente è stato sviluppato un modello di simulazione dinamica del sistema edificio–impianto mediante il codice di calcolo dinamico TRNSYS. La seconda parte del lavoro prosegue con la trattazione di sistemi solari dedicati al raffrescamento estivo, conosciuti anche come sistemi di solar cooling. A tal riguardo, dopo una breve descrizione delle macchine frigorifere ad assorbimento, si riporta lo studio effettuato in collaborazione con un’azienda per lo sviluppo di un prototipo di macchina solare di tipo “Plug&Play”, basata su un brevetto depositato, da utilizzarsi nell’edilizia sia residenziale che del settore terziario. In particolare sono stati affrontati problemi di natura tecnica legati ad alcune limitazioni che il prototipo ha presentato e sono stati dimensionati i componenti principali del sistema. Nonostante in questa prima fase il lavoro sia stato di natura progettuale, è stato richiesto l’ausilio di simulazioni dinamiche per poter effettuare alcuni dimensionamenti e scelte. L’ultima parte di questo progetto è dedicata alla creazione di un modello dinamico complessivo del sistema considerando utenze di tipo sia residenziale che terziario. Mediante tale modello sono state effettuate delle simulazioni accoppiando la macchina a diverse tipologie di sistemi radianti. La parte conclusiva ha riguardato un altro caso di studio sul solar cooling, differente da quello precedente; tale lavoro ha avuto come primo obiettivo lo studio di una camera termica da installare all’interno di un’azienda al fine di testare i sistemi radianti di propria produzione. Successivamente si sono effettuate delle simulazioni analizzando una tipologia di sistema radiante a soffitto accoppiato ad un sistema di solar cooling. A differenza del lavoro precedente, in questo caso sono stati valutati i fabbisogni energetici legati al riscaldamento, al raffrescamento e alla produzione di acqua calda sanitaria per quattro zone climatiche.

La crescita di biofilm sulle superfici esterne degli edifici è la causa del loro deterioramento estetico e funzionale. Gli organismi autotrofi quali alghe e cianobatteri sono i pionieri da cui può svilupparsi nel tempo una più complessa biocenosi comprensiva di batteri eterotrofi, funghi e licheni. La colonizzazione biologica dipende soprattutto dalle condizioni climatiche e microclimatiche che si verificano sulle superfici, quali la disponibilità di luce e acqua. Tale fenomeno, chiamato “bioageing”, è particolarmente impattante per le superfici ad alta efficienza energetica (cool materials) applicate agli edifici, caratterizzate da un’elevata riflettanza solare che limita il surriscaldamento, consentendo risparmi in energia di raffrescamento. I materiali cool rappresentano una delle più efficaci contromisure al fenomeno dell’Isola di Calore Urbano. Ad oggi, sono disponibili alcuni metodi standard per ottenere dati relativi all’invecchiamento naturale delle superfici (ASTM G7) e all’invecchiamento accelerato (ASTM D7897). Purtroppo però, quest’ultimo è focalizzato sullo studio del deterioramento chimico-fisico dei materiali, senza tenere in considerazione gli aspetti legati alla colonizzazione biologica. Questo lavoro di ricerca ha come scopo quello di sviluppare un protocollo di prova ripetibile per accelerare la crescita di organismi su materiali cool, e determinarne il relativo calo in termini di riflettanza solare. La procedura sperimentale si prefigge di comprimere drasticamente i tempi di bioageing delle superfici, fenomeno che normalmente richiede alcuni anni per verificarsi in condizioni naturali. Il metodo è stato costruito studiando separatamente l’influenza dei parametri ambientali sulla ripetibilità del test. Sono state confrontate numerose condizioni sperimentali che sono poi state valutate per il livello di ripetibilità raggiunto. Lo strumento usato come camera di crescita è un bioreattore di tipo TIS (Temporary Immersion System). Tre tipologie di materiali cool sono state coinvolte: cool asphalt shingle (AS), single ply white membrane (WM) e white paint (WP). Ogni campione è stato caratterizzato dal punto di vista chimico e fisico sia prima che successivamente alla procedura di bioageing. La crescita biologica è stata monitorata, misurata e correlata con i livelli di colonizzazione sulle superfici. Si è osservato che sia la crescita che la dinamica di colonizzazione ricalcano l’andamento dalla Legge di Avrami, ovvero un modello già utilizzato per simulare il processo di ricopertura algale nel tempo. Altri aspetti del fenomeno di invecchiamento biologico sono stati studiati: è noto dalla letteratura che la deposizione di particolato e inquinanti sulle superfici (soiling) può rappresentare una fonte di nutrimento per gli organismi autotrofi. E’ stato inoltre osservato che l’esposizione a particolari sostanze inquinanti può inibire la crescita e diminuire la biodiversità delle comunità di organismi colonizzatori. È stato quindi confrontato il livello di invecchiamento biologico tra superfici nuove e precedentemente “soiled”. È stato infine valutata la risposta cellulare di alcune specie algali presenti nei contesti urbani allo stress abiotico rappresentato da una soluzione standard di inquinanti atmosferici. Questa ricerca propone in definitiva un protocollo sperimentale di prova ripetibile per accelerare il processo di invecchiamento biologico delle superfici cool; la modularità e l’applicabilità del protocollo di prova nel definire la resistenza alla crescita biologica di una superficie vengono descritti dal modello di Avrami. Tra le prospettive future della ricerca vi è la validazione del protocollo studiato su altre tipologie di materiali, oltre a quella di verificare la riproducibilità del metodo in altri laboratori.
Biological growth on building surfaces can be responsible of degradation of their aesthetical and functional properties. Phototrophic organisms as algae and cyanobacteria have been identified as the first ones to colonize surfaces and allow the formation of following biocenosis, where also heterotrophic bacteria and fungi are involved. Biological colonization depends mainly on climate and microclimate conditions over and all around surfaces, mainly moisture and light availability. This phenomenon is particularly damaging for solar reflective materials (cool building materials), which are characterized by the ability to reflect solar radiation in the whole wavelength spectrum and remain cooler under the sun. Cool materials represent one of the most efficient countermeasures to the urban heat island effect, which causes temperatures in urban areas to be significantly higher than in the surrounding rural areas. Several standards are nowadays available to investigate natural ageing of cool materials (ASTM G7) and accelerated ageing (ASTM D7897). Unfortunately, these standards are mostly focused onto surface soiling and they do not take into proper account the presence and growth of microorganisms. This research work was firstly aimed to develop a laboratory procedure able to reproduce biological colonization on new materials in a repeatable way, in order to quantify the loss of energy performance due to the biological growth. Another goal was to reduce the bio ageing test duration, which normally requires many years through natural exposition. The novel method was built step by step studying separately the influence of different experimental parameters on biological growth then on repeatability of the test. Several setups and environmental conditions have been tested, compared and finally evaluated according to repeatability of results. The experimental device used to expose material samples to bioageing was a bioreactor -a Temporary Immersion System (TIS); three different types of high-efficiency building materials samples, precisely white asphalt shingle (AS), single ply white membrane (WM) and white paint (WP) were tested. Materials samples have been characterized in terms of physical and chemical properties, before and after bioageing exposure. Furthermore, biological growth has been monitored, measured, and finally correlated to colonization level on surfaces. Algae and cyanobacteria growth as well as bio-colonization dynamics describes a curve which follow Avrami’s law, a model previously used to simulate algal colonization process as temporal evolution. Ancillary aspects to bioageing phenomenon were investigated in this research: scientific literature reports that the deposition of soiling on surfaces seems to provide a nutrient layer for phototrophic organisms, encouraging their growth; however, it has been also observed that the presence of atmospheric pollutants could inhibit both the size and diversity of the microbial community. Hence, algal and cyanobacteria growth on soiled surfaces was here studied and compared to growth on new ones. Moreover, metabolites profile production of some algal species after their exposure to soiling mixture was described, in order to outline the influence and effects of soiling solution as abiotic stress to algal cells metabolism. Definitely, this research offers an experimental protocol to induce accelerate bio ageing process on cool building surfaces, providing data about repeatability and strength of the method; the modularity and the application of the protocol to define bio-resistance of a surface type was finally described by Avrami’s model. The application of the protocol on different types of cool surfaces and reproducibility definition are expected as future perspectives.

The present study deals with the issue of energy efficiency in buildings, considering that the choice of the optimal solution can be performed only starting from a joint design of all systems and technologies available, and bearing in mind that the final goals are the pursuit of the user’s overall wellbeing, energy saving and building functionality with respect to its intended use. For this reason, a set of issues have been investigated, very different from one another but that allowed for a wider perspective on the various aspects to be taken into account for a suitable and integrated design and for their interaction. Every experience encountered plays a different and specific role in defining the key-points of an integrated design, i.e. reducing thermal energy demands for heating, cooling and lighting purposes by acting on the whole building; reducing primary energy consumption by adopting highly efficient building services; maximizing the use of renewable energy sources to cater for electricity and thermal energy demands; optimizing the energy performance of buildings by using automated control and regulation systems and by setting a suitable building management and maintenance program. More specifically, Section 2 deals with the role of passive solar systems in reducing thermal energy demands when different constraints (morphological, urban planning and architectural ones…) existed, for the energy retrofit of both existing and newly built constructions. In Section 3 simplified models for the analysis of heat generators, with specific reference to the two Methods defined by UNI TS 11300-2 technical standard are examined. Section 4 explores the role of renewable energy sources. In particular, is described a hot water equipment supplying a hospital complex in the province of Milan, consisting of a gas-fired heat generator, a solar thermal plant and a heat pump extracting low temperature energy from groundwater intended for technical use, i.e. to preheat domestic water supplied by the water purification system. Finally, in Section 5 the role of building management is discussed. In particular, heat accounting systems and methods for the compensated share of heating expenses are analysed.

As fulgurações têm sido estudadas há muito tempo e continuam intrigando os cientistas solares. Nosso trabalho trata da relação entre fulgurações e cancelamento de fluxo. O cancelamento é um fenômeno observacional descoberto usando séries de magnetogramas na linha de visada, que consiste na aproximação e posterior desaparecimento de fluxo magnético nas zonas em que polaridades magnéticas opostas estão em aparente contato e mantém um alto gradiente de campo magnético.
Flares have been studied for a long time and continue to puzzle solar scientists. Our work is on the relationship between flares and flux cancellation. Flux cancellation is an observational phenomena discovered using series os magnetograms of the line-of-sight component. It consists of the encounter and further disappearance of magnetic flux where opposite magnetic polarities are in apparent contact with each other and maintain a high gradient of magnetic field.

Ma recherche de doctorat est dédiée à l'étude physique des petits corps du Système Solaire et à la caractérisation de leurs compositions de surface. Les données des petits corps que j'ai analysé, ont été prises soit par des télescopes au sol, soit par des télescopes spatiaux. Celles-ci ont été analysées en les comparant à des données de laboratoire, et à des spectres synthétiques, obtenus selon la théorie de la diffusion de la lumière. J'ai contribué a l'interprétation des données spectroscopiques des satellites glacés de Saturne, Phoebus, lapetus, Encelade, Téthys et Hyperion, observés avec le spectromètre infrarouge à bord de la mission Cassini. Ces satellites semblent avoir une surface très poreuse. Des expériences de laboratoire ont aussi été menées afin de placer des contraintes plus strictes sur les propriétés des surfaces glacées. J'ai aussi analysé les données de deux Objets Trans Neptuniens et de 10 astéroïdes de la ceinture principale, de type spectral E. Pour les astéroïdes E, quelques comparaisons intéressantes avec des météorites ont été trouvées. De plus, j'ai participé à une recherche des astéroïdes troyens des planètes géantes. Ma recherche de thèse a couvert une grande gamme spectrale, du visible à l'infrarouge lointain, et a fourni une contribution utile pour la compréhension des petits corps. La possibilité d'analyser les données, prises avec les télescopes au sol et spatiaux a considérablement enrichi, grâce à de nouveaux résultats, la connaissance de notre système solaire
The topic of my PhD research is to study the surface composition of asteroids, Trans-Neptunian Objects, and planetary satellites. I analyzed and interpreted both data taken with ground-based telescopes and space instrument data. They have been analyzed with standard methods: the comparison of observed data with laboratory data, or with synthetical spectra, obtained by mixing end-members, according to the theory of light diffusion. I contributed in interpreting spectroscopical data of the icy satellites of Saturn, Phoebe, lapetus, Enceladus, Tethys and Hyperion, observed by the Cassini/CIRS spectrometer, on board the Cassini spacecraft, in the far infrared spectral range, Physical causes of the absence of features on these spectra have been studied. As a result, such satellites seem to have a very high porouse surface. Laboratory experiments have been conducted, in order to set more strict constrains on icy surfaces properties. Surfaces properties of some more small bodies of the outer Solar System, and a group of 10 E-type asteroids of the Main Belt were also derived, by analyzing ground-based telescopes data. For E-type asteroids, some interesting comparisons with meteorites were found. Moreover, I participated to an astrometrical research of Trojan asteroids of the giant planets. My PhD research has covered a wide spectral range, from visible to FIR: the whole spectral range has provided a useful contribution in the comprehension of the small bodies. Moreover, the possibility to analyze data, taken both with space instruments and ground-based telescopes has greatly enriched with new results the knowledge of our Solar System

[ES] El objetivo principal de esta tesis es contribuir al avance de nuevas técnicas de elaboración con bajo coste, utilizando materiales tipo de cobre, indio, galio y selenio CIGS y Perovskita para aplicaciones en energía solar fotovoltaica. CIGS parecen ser adecuadas ya que son de bajo costo de producción y se han reportado eficiencias de conversión del 23,35%. Por otro lado, las perovskitas híbridas de haluros de plomo orgánicos-inorgánicos han aparecido como nuevos materiales excepcionales para celdas solares, especialmente porque la eficiencia de las celdas solares basadas en perovskita ha aumentado del 3.8% al 22.7% en menos de un lustro. Este trabajo se ha dedicado a experimentar sobre la elaboración y caracterización de CIGS y los perovskitas de metilamonio de yoduro de plomo de (MAPbI3) y formamidinio de yoduro de plomo (FAPbI3), que se utilizo tanto en la aplicación a las células solares de perovskitas y en las células Tándem CIGS-perovskita. Las películas se caracterizaron por difracción de rayos X, espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido, análisis de espectroscopía de energía dispersiva, microscopía de fuerza atómica, transmisión electrónica microscopía, fotoluminiscencia y espectroscopia UV-Vis. En las capas de CIGS depositadas por electrodeposición se investigó el efecto de diferentes parámetros, También investigamos en detalle el efecto del contacto posterior en las propiedades estructurales y ópticas de CIGS. Constatamos que el tipo de contacto posterior tiene un efecto significativo en el rendimiento posterior de las películas delgadas CIGS. Además, estudiamos la técnica de espray pirólisis para producir películas CIGS. Se estudió el proceso de recocido, que es el factor clave para mejorar el rendimiento de las células solares. Se elaboraron diferentes películas delgadas constituidas de nuestro dispositivo CdZnS/CdS/CIGS/Mo eso utilizó una capa conductora transparente de CdZnS para minimizar la alineación de la interfaz. Por otro lado, se analizó el proceso de cristalización y la estabilidad de las capas MAPbI3. Las capas de MAPbI3 se trataron añadiendo antisolvente a diferentes velocidades. Durante el tratamiento se producen intercambios complejos que influencian muchas propiedades fisicoquímicas. Se investigaron las propiedades ópticas y eléctricas de las películas de MAPbI3. Para mejorar la estabilidad de MAPbI3, se incorporó tetrabutilamonio (TBA), observando una mejora en la formación de la estructura perovskita que crece en la dirección preferente (110). La fase cristalina de MAPbI3 dopada con TBA presenta mejor cristalinidad, gran tamaño de grano, morfología superficial sin poros lo que es adecuado para la fabricación de dispositivos optoelectrónicas con mayor rendimiento. Además, hemos identificado el impacto de TBA en las propiedades foto físicas de MAPbI3. En las muestras de TBA:MAPbI3 aumenta la intensidad de la fotoluminiscencia al reducir la densidad de los estados de trampa y la absorción óptica muestra un cambio significativo hacia longitudes de onda más largas y la banda prohibida óptica varió de 1.8 a 1.52 eV. Finalmente, las muestras dopadas con 5% TBA mejoraron su estabilidad y se encontró que después de 15 días la estabilidad permanecía excelente en una humedad de ~ 60%. Por otra parte, investigamos el efecto de guanidinio (GA) sobre las propiedades estructurales y ópticas de FAPbI3. La relación entre la fase a de perovskita deseable y la fase indeseable y se ha estudiado en función del contenido de GA. Se comprobó que el dopaje con GA es eficaz en el control de la relación de fases a/y y luego en la estabilización de la fase a. Los resultados muestran que añadiendo una cantidad adecuada del 10% GA conduce a una mejora de película de perovskita que se evidencia en la homogeneidad de la fase a estable, granos de mayor tamaño y capas libres de poros. Además, 10% GA:FaPbI3 demostraron una excelente estabilidad después de ser envejecidas durante 15 días en un ambiente con humedad relativa del 60%.
[EN] The thesis work presented is part of the work in the Laboratory of New Materials for Photovoltaic Energy in the main target to use low cost techniques for elaboration of Perovskite and Copper, indium, gallium, and selenium CIGS materials for photovoltaic application. Organic-inorganic lead halides perovskites have currently and exceptionally appeared as new materials for low cost thin film solar cells specially that the efficiency of perovskite based solar cell have jumped from 3.8% to 22.7% in short time.in other hand, CIGS solar cells record 23.35% efficiency and still can be boosted. Here, we report the elaboration and characterization of CIGS as well as methylammonium lead iodide perovskites MAPbI3 and formamidinuim iodide lead iodide perovskites FAPbI3 absorbers for perovskite-based solar cells and Tandem Perovskites/ CIGS. The thin films prepared were characterized by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (RS), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis, atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), Photoluminescence analysis (PL) and UV-Vis spectroscopy. The first stage was devoted for the effect of different parameters on the growth of CIGS by electrodeposition and we investigate the impact of different back contact in structural and optical proprieties. In a second stage, we report the growth of CIGS films by spray pyrolysis, we studied the effect of experimental parameter also the annealing process which is the key factor for improving the performance of solar cells,subsequently we elaborated different films constituted CdZnS/CdS/CIGS/Mo solar cells, the approach is to change the toxic ZnO by using a transparent, conductive CdZnS layer. In other hand, MAPbI3 film was investigated in order to optimize the chemical composition and to study the crystallization process also to get sight about the stability of perovskite materials to meet the requirement of their application as an active layer in perovskite solar cell. For this purpose. the MAPbI3 film surface was treated by adding diethyl ether antisolvent with different rates. during the treatment complex exchanges are appearing at the same time under the influence of quite a lot of physicochemical properties. A whole understanding of this topic is critically important for improving solar cell performance. MAPbI3 doped by the tetrabutylammonium TBA is boosting the formation of perovskite structure, leading to a higher orientation along the (110) and shows better crystallinity, large grain size, pinhole-free, which is suitable for the manufacturing of the optoelectronic devices with higher performance. Also, we have identified the impact of TBA in the photo-physical properties, we have noticed that the TBA improve the photoluminescence emission by reducing the density of trap states and the optical absorption indicates a significant shift to the lower wavelength and optical bandgap varied from 1.8 to 1.52 eV. Finally, the stability was explored for 5% TBA, it found that after 15 days the stability remained excellent in relative humidity of ~60%. These results would be helpful for realizing stable and high performance MAPbI3-based devices. Furthermore, we inspect the effect of monovalent cation substitution of Guanidinium (GA) on the structural and optical properties of FAPbI3 thin films perovskites. The ratio between the desirable a-phase and the undesirable y yellow phase is studied as a function of GA content. GA doping is shown to be efficient in the control of a/y phases ratio and then in the stabilization of the a-FaPbI3 phase. We qualitatively evaluate the impact of 10% of guanidinium on the phase composition and microstructure of films. The results show that an adequate amount of 10% GA:FaPbI3 leads to a homogeneous perovskite film with stable a phase, large grains, and free pinholes. 10% GA: FaPbI3 films demonstrate excellent stability after aging for 15 days in relative humidity of~60%.
[CA] L'objectiu principal d'aquesta tesi és contribuir a l'avanç de noves tècniques d'elaboració de baix cost, fent servir materials d'aliatges del tipus de coure, indi, gal·li i seleni (CIGS) i perovskites, per a aplicacions en energia solar fotovoltaica. El CIGS sembla ser adequat ja que són de baix cost de producció i s'han reportat eficiències de conversió del 23,35%. D'altra banda, les perovskites híbrides d'halurs de plom orgànics-inorgànics han aparegut com a nous materials excepcionals per cel·les solars, especialment perquè l'eficiència de les cel·les solars basades en perovskites ha augmentat del 3.8% al 22.7% en menys d'un lustre. En el present treball, reportem l'elaboració i caracterització de CIGS y de perovskitas de iodur de plom de metilamoni (MAPbI3) i de iodur de plom de formamidini (FaPbI3) per a les cèl·lules solars de CIGS i tàndem Perovskites/CIGS. En les capes de CIGS dipositades per electrodeposició es va investigar l'efecte dels diferents paràmetres sobre el procés d'electrodeposició, així com l'efecte del contacte posterior sobre les propietats estructurals i òptiques del CIGS. Ens trobem que el tipus de contacte posterior té un efecte significatiu en la posterior interpretació de pel·lícules primes CIGS. A més, vam estudiar la tècnica de polvorització de la piròlisi per produir pel·lícules de CIGS. Es va estudiar el procés de recuit, que és el factor clau per millorar el rendiment de les cèl·lules solars. Es van produir diferents pel·lícules fines formades pel nostre dispositiu CdZnS/CdS/CIGS/Mo que utilitzaven una capa conductiva CdZnS transparent per minimitzar l'alineació de la interfície. D'altra banda, es van investigar perovskites MAPbI3, amb la finalitat d'optimitzar la composició química i estudiar el procés de cristal·lització també per a conèixer l'estabilitat dels materials de perovskita. la cristal·lització s'aconsegueix alentint la solubilitat en una solució saturada mitjançant l'addició d'una quantitat diferent de l'antisolvent d'èter dietílic. Durant el tractament apareixen al mateix temps intercanvis complexos sota la influència de moltes propietats fisicoquímiques. Una comprensió completa d'aquest tema és de vital importància per a millorar el rendiment. Amb l'objectiu principal d'augmentar l'estabilitat de MAPbI3, el tetrabutilamoni (TBA) es pot incorporar a MAPbI3, impulsant la formació de l'estructura de perovskita, la qual cosa porta a una major orientació al llarg de (110). MAPbI3 dopades amb TBA presenten una millora de la cristalinitat, major grandària, la qual cosa és adequada per a la fabricació de dispositius optoelectròniques de major rendiment. A més, hem identificat l'impacte de TBA en les propietats foto físiques de MAPbI3. Hem notat que el dopatge amb TBA millora tant l'emissió de la fotoluminiscència en reduir la densitat dels estats de trampes com l'absorció òptica on apareix un canvi significatiu de la banda òptica prohibida cap a longituds d'ona més llargues que significa disminuir l'energia del gap, que va variar de 1.8 a 1.52 eV. Finalment, es va explorar l'estabilitat per les perovsquites dopades amb 5%TBA. Es va trobar que després de 15 dies l'estabilitat romania excel·lent en un humitat de 60%. A més, hem estudiat FAPbI3 com un dels materials de perovskita més atractius. Hem investigat l'efecte de la substitució de guanidini (GA) sobre les propietats estructurals i òptiques de FAPbI3. La relació entre la fase a de perovskita desitjable i la fase indesitjable y es va estudiar en funció del contingut de GA. Es mostra que el dopatge amb GA és eficaç en el control de la relació de fases a /y i després en l'estabilització de la fase a-FaPbI3. Els resultats mostren que una quantitat adequada de 10% GA condueix a una pel·lícula homogènia amb fase a estable, grans grans lliures de porus i forats. Les pel·lícules de 10% GA:FaPbI3 demostraren una excel·lent estabilitat després de l'envelliment durant 15 dies en un ambient humit (humitat relativa de 60%).
Bouich, A. (2020). Study and Characterization of Hybrid Perovskites and Copper-Indium-Gallium Selenide thin films for Tandem Solar Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160621
TESIS

Orientador: Jose Antonio Dermengi Rios
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Made available in DSpace on 2018-07-18T05:05:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barbosa_Gerson_M.pdf: 2659365 bytes, checksum: d57ee9aceb1c22e4a825fcc792089ffe (MD5) Previous issue date: 1993
Resumo: Descreve-se a elaboração de um modelo matemático simplificado e sua validação através da simulação em regime transiente de um ciclo real, realizado com um refrigerador solar por adsorção física utilizando um par carvão ativo / metanol. A diferença em relação aos resultados obtidos no ciclo real foi 4% para a massa ciciada de metanol, 2,2% para a temperatura máxima do coletor, e 3xl0-3 para o Coeficiente de Performance Teórico do Ciclo - CO.P.T.C. Simulações adicionais do mesmo ciclo mostraram a possibilidade de se aumentar a massa de metanol ciciada em cerca de 150%, utilizando-se de parâmetros da equação Dubinin - Astakov correspondentes a diferentes tipos e quantidades maiores de carvão ativo.
Abstract: This study describes the construction of a simple mathematical model and its validation through the simulation in transient state of a real cycle performed by a solar refrigerator based on physical adsorption using an activated carbon / methanol pair. The deviation from experimental results was 4% for the cycled mass of methanol, 2.2 % for maximum collector average temperature, and 3xl0-3 for the theoretical cycle coefficient of performance. Additional simulations of the same cycle inputting values representing different types and larger amounts of activated carbon showed the possibility of increasing the cycled methanol mass up to about 150 %.
Mestrado
Mestre em Engenharia de Alimentos

In the course of my PhD project, my research has been focused on the synthesis, characterization and application of heterogeneous catalysts for photo- and photoelectrochemical solar energy conversion into so-called solar fuels. Most of the attention has been paid to the development of Metal-Organic Frameworks as photocatalysts for carbon dioxide reduction. In particular, porphyrins and dipyrrins have been employed as organic linkers in ZrIV-containing frameworks. In addition, Au-doped TiO2 powder samples for photocatalytic steam reforming of methanol at different temperatures and CuWO4 photoanodes for photoelectrochemical water splitting were investigated as well.

Lo scopo di questo lavoro è l'ottimizzazione di sistemi fotovoltaici basati su concentratori solari a luminescenza, questi dispositivi non sono di nuova concezione ma, al momento, non è ancora disponibile un'analisi approfondita di sistemi dalle dimensioni adatte alla costruzione di dispositivi per integrazione architettonica. Per questa ragione, in questo lavoro, vengono analizzate le prestazioni di LSC costruiti impiegando diversi pigmenti, dimensioni e configurazioni ottiche così come l'effetto dell'auto-assorbimento sullo spettro di emissione del dispositivo, inoltre le differenti configurazioni ottiche sono state anche sottoposte a diverse condizioni di ombreggiamento così da identificare la più efficiente non solo in condizioni di lavoro ideali ma anche in uno scenario più simile alle reali condizioni di impiego di un dispositivo mirato all'integrazione architettonica. I prototipi sono stati costruiti a seguito di un ampio lavoro di simulazione del loro comportamento ottico mirato alla selezione delle configurazioni più promettenti, in particolare non è stata tenuta in considerazione solo l'efficienza ma anche la scalabilità del progetto e la facilità di assemblaggio: caratteristiche importanti per un prototipo che dovrebbe essere oggetto di trasferimento tecnologico dalla ricerca all'industria. Il primo risultato ottenuto è la dimostrazione della fattibilità di LSC di grandi dimensioni, ben oltre la comune dimensione da laboratorio di 5x5cm, inoltre, si è anche dimostrato come le prestazioni degli LSC possano essere incrementate con una contemporanea riduzione dei costi applicando pellicole riflettenti sui bordi così da uniformare il profilo di irradianza sulle celle. Tuttavia il risultato più significativo ottenuto è di aver dimostrato come sistemi con un ridotto numero di celle accoppiate a pellicole riflettenti poste sui lati rimanenti dell'LSC possano fornire un'efficienza maggiore rispetto ai sistemi tradizionali con le celle posizionate su quattro lati. Questi sistemi hanno anche mostrato una minore sensibilità agli effetti dell'ombreggiamento che rappresenta un risultato fondamentale per una tecnologia mirata all'integrazione architettonica, sottolineandone il progresso da argomento di ricerca a tecnologia con buone premesse di trasferimento verso l'industria.
The purpose of this work is the optimization of photovoltaic systems based on luminescent solar concentrators, these devices are not a new concept but, so far, a thorough analysis of the performance of LSC systems with sizes practical for building integration applications is missing. For this reason in this work the performances of LSCs based on different dyes, different sizes and various optical configurations were analysed as well as the effect of self-absorption on the output spectrum, moreover the performances of the systems with different optical configurations were analysed under some possible shading conditions in order to identify the most efficient and convenient design non only under an ideal working exposure but also in a real world scenario. The prototypes were built after an extensive work of simulation of their optical behaviour aimed at selecting the most promising designs, in particular not only the efficiency has been taken into account but also the scalability of the modules to larger or smaller sizes and the ease of assembly: important features for a design that should undergo a technology transfer from research to industrialization. The first result obtained is that the feasibility of large size LSCs (up to one square metre) well above the common laboratory size of 5×5cm have been demonstrated, moreover, it has also been shown that the performances of LSC systems can be improved, while lowering cost at the same time, by using reflective layers to get a more uniform irradiance profile on the cells. Anyway the most remarkable result obtained so far is having demonstrated that systems employing a small number of cells and a reflective film on the remaining sides of the LSC can yield a higher efficiency than a traditional design with cells placed on four sides, moreover these systems have also demonstrated a lower sensitivity to shading losses which represents a fundamental result for a technology targeted at the building integration, highlighting the progress of luminescent solar concentrators from a mere laboratory research topic to a promising industrialisable technology.

The PhD project focused on the synthesis, characterisation and testing of metal modified TiO2 powders and thin WO3 films for solar energy conversion and photocatalytic oxidation reactions. In the first part, two industrial processes, i.e. Flame Spray Pyrolysis and Magnetron Sputtering, were employed to modify TiO2 powders with Cu and/or Pt nanoparticles. These photocatalysts were tested in the methanol photosteam reforming reaction for hydrogen production. The most promising materials were further tested in the same reaction at different temperatures to observe the effect of heat over photoactivity and selectivity. In addition, ME-XAS analyses were performed to better understand the behaviour of metal nanoparticles over TiO2 under operando conditions. In the second part, WO3 films were synthesised by sputtering techniques and the effect of several deposition parameters, such as total pressure, O2 partial pressure, applied power, number of deposited layers, were investigated by means of photo-electrochemical techniques.

In the field of Photovoltaic technologies the organic solar cells are particularly attractive because of their ease of processing, mechanical flexibility and potential low cost production techniques. So far, the reported efficiencies are not high enough to allow to be competitive in the market, however with the introduction of new photoactive materials, device architectures and light management structures, the power conversion efficiencies, at laboratory scale, has rapidly reached the 12%, showing a great potential and a bright future for organic solar cells. Nevertheless, in view of commercial products, two main problems are still unresolved: the relatively low performance of the modules and their lifetime. In sight of this, the present Ph.D thesis has a double goal: 1) a better understanding of the relationship between devices performance and photoactive materials structures 2) a deep investigation on device degradation processes, with particular attention on the effects induced by temperature and incident light. As a result, promising approaches to further optimize the polymer’s optoelectrial properties, and thus the corresponding device performance, are proposed. About the lifetime, first the thermal degradation mechanisms involved on the active layer was investigated and it has been demonstrated the role of the other layers and interfaces in the solar cell thermal stability. In this contest an innovative fast capacitance based thermal test has been developed in order to obtain information regarding the limit operating temperature above which the device becomes thermally unstable. In the end, a preliminary study on the photostability issue was carried out demostrating that the photodegradation of organic solar cells not depends just on the photostability of the donor polymer, but is connected also with the composition of the active layer solution and on the interaction with the adjacent layers. Solutions to limit or prevent the devices degradation processes are proposed.

In the field of Photovoltaic technologies the organic solar cells are particularly attractive because of their ease of processing, mechanical flexibility and potential low cost production techniques. So far, the reported efficiencies are not high enough to allow to be competitive in the market, however with the introduction of new photoactive materials, device architectures and light management structures, the power conversion efficiencies, at laboratory scale, has rapidly reached the 12%, showing a great potential and a bright future for organic solar cells. Nevertheless, in view of commercial products, two main problems are still unresolved: the relatively low performance of the modules and their lifetime. In sight of this, the present Ph.D thesis has a double goal: 1) a better understanding of the relationship between devices performance and photoactive materials structures 2) a deep investigation on device degradation processes, with particular attention on the effects induced by temperature and incident light. As a result, promising approaches to further optimize the polymer’s optoelectrial properties, and thus the corresponding device performance, are proposed. About the lifetime, first the thermal degradation mechanisms involved on the active layer was investigated and it has been demonstrated the role of the other layers and interfaces in the solar cell thermal stability. In this contest an innovative fast capacitance based thermal test has been developed in order to obtain information regarding the limit operating temperature above which the device becomes thermally unstable. In the end, a preliminary study on the photostability issue was carried out demostrating that the photodegradation of organic solar cells not depends just on the photostability of the donor polymer, but is connected also with the composition of the active layer solution and on the interaction with the adjacent layers. Solutions to limit or prevent the devices degradation processes are proposed.

Le perovskiti sono semiconduttori con caratteristiche optoelettroniche ideali per l’applicazione fotovoltaica (elevato assorbimento, alta mobilità di carica) e con un basso costo. Tuttavia, la loro applicazione commerciale è limitata dall’instabilità di questo materiale. Il degrado della perovskite è causato da alcuni fattori esterni come ossigeno e umidità. In questa tesi sono state studiate entrambe le strutture (NIP e PIN) delle celle solari a perovskite. Per renderle più stabili ed efficienti sono state trattate con nuovi metodi di passivazione e con materiali di recente sintesi che hanno portato al raggiungimento dell’obiettivo. Sono state anche usate diverse tecniche di caratterizzazione per comprendere le ragioni dei miglioramenti nelle prestazioni di questi dispostivi. Questo ha permesso di ottenere una maggiore conoscenza dei meccanismi dei miglioramenti e di conseguenza a una più vicina commercializzazione di questo materiale.
Perovskites are semiconductors with ideal optoelectronic properties (like high absorption and high charge mobility) for photovoltaic applications and at a low cost. However, their commercial application is limited by the instability of this material. The degradation of perovskite is caused by some external factors such as oxygen and humidity. In this thesis both structures (NIP and PIN) of perovskite solar cells have been studied. To make them more stable and efficient, they have been treated with new passivation methods and with recently synthesized materials that have led to the achievement of the goal. Various characterization techniques were also used to understand the reasons for the performance improvements of these devices. This allowed obtaining a greater knowledge of the mechanisms of the improvements and consequently to closer commercialization of these perovskites.

In the lasts fifty years the tremendous evolution of modern technologies has gradually unbalanced the equilibrium between the production and the consumption of energy. Traditional energy resources, like coal, oil and natural gases, are no longer sufficient to satisfy the demand of energy without spoiling earth environment. Renewable energies have attracted a lot of attention because they are potential solution to this important problem. In particular photovoltaic solar cells are considered the most promising technology for a low-cost and environmentally friendly energy production. However, in order to exploit these technologies in real world applications, the complete physics of solar cells must be understood. Stability is one of the fundamental aspects and is related to the processes that regulate the energy conversion, both in long-term degradation as well in electrical stability. In this work the stability of two emerging categories of solar cells is thoroughly addressed: organic photovoltaics and organometal-halide perovskite. In organic photovoltaics understanding the stability and degradation mechanisms of photoactive blends is required to achieve long device lifetimes. Recent reports on organic solar cells presenting power conversion efficiencies exceeding 10% have made the need to improve the device stability compelling. In general, instability is caused by the combination of light and atmospheric agents, with major roles of oxygen and water. The detrimental effects are electron trapping and photo-oxidation that break polymer conjugation and bleach the absorption. However, so far, no effective solution preserving low cost and flexibility has been achieved. The reason is that the degradation mechanisms are still unknown. Solution-processable hybrid perovskite semiconductors have risen to the forefront of photovoltaics research, offering the potential to combine low-cost fabrication with high-power conversion efficiency (PCE). Originally used in dye-sensitized solar cell technology, the first architectures saw the use of TiO2, both in the form of mesoporous and compact films, as an electron extracting layer. Further development has been driven by empirical optimization strategies and testing of a variety of different architectures. These devices are divided in two categories: standard and inverted. Standard uses TiO2 (compact or mesoporous) to collect the electrons and a small molecule or polymer organic semiconductor for the holes, with record efficiencies of 21% and an open circuit voltage above 1 V; it must be noted that these devices exhibit a kind of electrical instability manifested as slow transient and hysteretic effects that severely affect the final efficiency. The inverted configuration is more similar to organic photovoltaics, exploiting similar materials for the extraction of photogenerated charges. These devices report lower efficiencies respect to standard device but a higher electrical stability which is manifest with stabilized efficiencies and apparently hysteresis-free behaviour.
Negli ultimi cinquant’anni la rapida evoluzione delle tecnologie ha gradualmente sbilanciato l’equilibrio che esiste tra la produzione e il consumo dell’energia. Le risorse tradizionali che vengono sfruttate per la produzione di energia - carbone, petrolio e gas naturali - iniziano ad essere sempre meno sufficienti per soddisfare la richiesta di energia senza rischiare di danneggiare l’ambiente che ci circonda. E’ proprio per questo motivo che le energie rinnovabili attraggono sempre più interessi e attenzioni andandosi a candidare come una potenziale soluzione al fabbisogno energetico. Tra le energie rinnovabili, il fotovoltaico si conferma come una delle tecnologie più promettenti per fornire energia a costi contenuti nel rispetto dell’ambiente. Tuttavia per poter sfruttare appieno il potenziale di questa tecnologia la fisica e i meccanismi di conversione fotovoltaica devono essere studiati nel dettaglio. Tra questi la stabilità delle celle solari ricopre uno degli aspetti fondamentali, dove per stabilità si intendono sia la durata e il tempo di vita dei dispositivi sia la stabilità dei meccanismi elettrici delle celle. In questa tesi viene studiata nel dettaglio la stabilità di due tecnologie emergenti nel settore fotovoltaico: le celle solari polimeriche e le celle solari a base di perovskiti. Nelle celle solari polimeriche capire e comprendere i meccanismi di degrado dei materiali foto attivi permette di sviluppare nuovi materiali in grado di aumentare la durata e l’efficienza delle celle. In generale, il degrado di questi dispositivi è dovuto all’interazione tra la parte ultravioletta della luce e gli agenti atmosferici, in particolare ossigeno e vapore acqueo. Gli effetti del decadimento si riscontrano da un lato nella formazione di stati elettronici che fungono da “trappole” per le cariche fotogenerate diminuendo l’efficienza generale della cella, dall’altro nella modifica chimica dei materiali che porta ad una rottura delle catene polimeriche deteriorando completamente le proprietà ottiche della cella. Studiare e comprendere questi meccanismi è la corretta strada per lo sviluppo di nuovi materiali per celle più efficienti. L’introduzione delle perovskiti ibride ha rappresentato una rivoluzione nel settore fotovoltaico. Questa tipologia di materiali offre il vantaggio sia di essere processabile da soluzioni sia quello di avere un’efficienza confrontabile a quella del silicio cristallino. Inizialmente queste perovskiti erano utilizzate come materiale fotoassorbente in celle solari simili alle dye senistized solar cells (DSSCs). Questi primi dispositivi sfruttavano uno scaffold mesoporoso di diossido di titanio per estrarre gli elettroni. Successivamente, in seguito allo sviluppo empirico delle celle, lo scaffold mesoporoso è stato rimosso in favore di una configurazione planare. Tuttavia, in entrambe le configurazioni, queste celle hanno dimostrato una naturale instabilità elettrica che si manifesta in una forma di isteresi nella determinazione della caratteristica curva corrente/voltaggio. Questo fenomeno rende ambigua la determinazione finale dell’efficienza di questi dispositivi limitandone effettivamente le possibili applicazioni. In questa tesi viene presentata un’indagine completa delle cause e delle conseguenze di questo fenomeno, mostrando una possibile soluzione a questo problema.

Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico
Made available in DSpace on 2012-10-17T05:57:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T01:21:19Z : No. of bitstreams: 1 110674.pdf: 11284550 bytes, checksum: abb5fb2c31f7a60a9594268dfe247a7f (MD5)

Orientador: Jose Antonio Dermengi Rios
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos
Made available in DSpace on 2018-07-14T04:00:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilveiraJunior_Vivaldo_M.pdf: 5221008 bytes, checksum: d902006076cd6c717e576317410006d7 (MD5) Previous issue date: 1990
Resumo: Este trabalho descreve com detalhes a, construção, montagem, instrumentação, e testes de estanqueidade do protótipo experimental de um refrigerador solar por adsorção física, que usa o par carvão ativado / metanol. São analisados quatro testes de desempenho do equipamento. Os dados experimentais utilizados foram: energia solar incidente, temperatura e pressão do reator, temperaturas ambiente, do gabinete e da água estocada no reservatório. Este protótipo produziu 3.0 kg de gelo num ciclo de 24 horas com um Coeficiente de performance solar de 0.042, usando um coletor solar plano multitubular contendo 9.9 kg de adsorvente. Os parâmetros (Wo e D) da equação de Dubinin Raduskevich foram calculados com os dados experimentais para o par carvão ativado (Deion) e metanol. A faixa ótima da temperatura máxima do coletor foi estimada entre 90 e 100° C . Este conhecimento será útil para futuros estudos de otimização do sistema
Abstract: This study details the construction, instrumentation, and leak tests of an experimental prototype of a solar refrigerator by physical adsorption, using an activated carbon / methanol pair. Four performance tests of the equipment are analyzed. The experimental data utilized are solar energy temperature and pression of the reator, ambient temperature, temperature of the gabinet and temperature of water stornaged. The prototype produced 3,0 kg of ice in a 24 h cycle with a C.O.P.solar of 0,042 using a multipipe ftat-plate solar colletor containing 9,9 kg of adsorvent. The Dubinin-Raduskevich's equation parameters (Wo and D) are calculated with the experimental data for activated carbon (Deian) / methanol pair. The optimum temperature range for the colletor was predicted between 90 and 100°C. This knowledge will be useful to future studies to optimize the system
Mestrado
Mestre em Engenharia de Alimentos

[eng] In this thesis we will study vertical oscillations in a potential arcade under the approximation of a zero- plasma, when di erent density pro les are considered. On one hand we will focus on the time-dependent problem to analyze the other side of the magnetohydrodynamic oscillations coin which traditionally is given by the normal mode analysis. We are going to study the propagation, energy transformation and damping of the impulsively generated waves as well as its relevant spatial and temporal scales in order to complete the picture. In order to study the wave damping, we examine two physical mechanisms that may be involved in the fast attenuation of the observed vertical coronal loop oscillations, namely wave leakage through wave tunneling and resonant absorption. In this wok whenever is possible, the time-dependent results are going to be compared with known normal mode properties to gain knowledge of how both sides are related as well as to test them. On the other hand, we also will investigate the use of a new technique of obtaining the system normal modes when the standard normal mode analysis is di cult to be carried out. We will apply it to a straight coronal loop model and we will obtain them with the desired degree of accuracy thanks to several criteria based on the convergence of the method.
[spa] En esta tesis estudiaremos las oscilaciones verticales de una arcada potencial en la aproximaci on 0 de un plasma, cuando diferentes per les de densidad son considerados. Por un lado nos vamos a centrar en la evoluci on temporal de este problema para as analizar la otra cara de la moneda de las oscilaciones magnetohidrodin amicas, la cual tradicionalmente se ha estudiado mediante el an alisis de modos normales. Vamos a estudiar la propagaci on, la conversi on energ etica y la atenuaci on de ondas generadas mediante un impulso inicial, as como las escalas espaciales y temporales generadas, para de esta manera obtener una imagen lo m as completa posible. Para el estudio de la atenuaci on, vamos a examinar dos mecanismos f sicos que podr an estar involucrados en la r apida atenuaci on de la oscilaciones verticales observadas en bucles coronales, que son la emisi on de energ a mediante \wave tunneling" y absorci on resonante. En este trabajo, siempre que sea posible, se van a comparar los resultados de las simulaciones temporales con las propiedades conocidas que han de poseer los modos normales. Esto nos va a servir como un m etodo de comprobaci on de nuestros resultados adem as de ayudarnos a entender como ambas visiones est an relacionadas entre si.Por otro lado lado vamos a investigar el uso de una nueva t ecnica para obtener los modos normales de un sistema cuando el m etodo est andard es dif cil de llevar a cabo. Este m etodo lo vamos aplicar a un modelo de bucle coronal recto y vamos a obtener los modos normales del sistema con el grado de precisi on que deseemos mediante el uso de un criterio de convergencia.
[cat] En aquesta tesi estudiarem les oscil lacions verticals d'una arcada potencial en l'aproximaci o 0 d'un plasma quan diferents per ls de densitat s on considerats. Per un costat ens centrarem en l'evoluci o temporal d'aquest problema per tal d'analitzar l'altra cara de la moneda de les oscil lacions magnetohidrodin amiques, la qual tradicionalment s'ha estudiat mitjan cant l'an alisi de modes normals. Estudiarem la propagaci o, la conversi o energ etica i l'atenuaci o de les ones generades mitjan cant un pols inicial, aix com les escales espacials i temporals generades, per tal de ser capa cos d'obtenir una imatge el m es completa possible. Per a l'estudi de l'atenuaci o, examinarem dos mecanismes f sics que podrien estar involucrats en la r apida atenuaci o de les oscil lacions verticals observades en els bucles coronals, que s on l'emissi o d'energia mitjan cant \Wave tunneling" i l'absorci o ressonant. En aquest treball, sempre que sigui possible, compararem els resultats de les nostres simulacions temporals amb les propietats conegudes que han de tenir els modes normals. Aix o ens servir a com a m etode de comprovaci o dels nostres resultats aix com per entendre com les dues visions estan relacionades entre si. Per altre costat investigarem l' us d'una nova t ecnica per obtenir els modes normals d'un sistema quan el m etode est andard es dif cil de dur a terme. Aquest m etode l'aplicarem a un model de bucle coronal recte i obtindrem els modes normals del sistema amb el grau de precisi o que desitgem mitjan cant un criteri de converg encia.º

The study regards Thermal Energy Storage Methods (focusing on Sensible Heat Storage) and simulating models. A solar assisted domestic heating plant with collectors, storage, loads, thermal losses and eventual heat exchanger is simulated. In order to evaluate the storage behaviour two simulations models are realized: a fully mixed model and a stratified model, with multinode approach. The uniform temperature model includes two options for collectors energy input (constant or with linear variation) and load (with constant or variable on –off profiles). Both simulation models use Runge-Kutta method, with Ode 45 Matlab Function. Model validation has been determined by comparing the results of simulations with available data from literature obtained with different methods (Euler, Heun) and/or analytical results. Simulation tests under different conditions are made (different load profiles and flow rates) in both models, and the results are compared between two models and with available literature results As expected, results show a relationship between flow rate increasing and stratification reduction. Furthermore, peak temperatures appearing in stratified model contribute to increasing efficiency of the system.

The great challenge in constraining scenarios for solar energetic particles (SEP) acceleration is due to the fact that the signatures of acceleration itself are heavily modied by transport within interplanetary space. During transport, SEPs are subject to pitch angle scattering by the turbulent magnetic eld, adiabatic focusing, or reections magnetic structures. I hereby present a study on 4 solar events of 2012, focusing on the role of stochastic acceleration with respect to the shock one, on the comparison between particles produced at the Sun and the ones detected in space and nally giving a unique high-energy observation of scattering in the Earth's magnetosheath.

In the context of the serious environmental issues, that Earth is facing, among which atmospheric CO2 increase is a crucial one, implementation of clean technologies is mandatory. The present PhD thesis concerns the study of two new third-generation PV technologies: Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs) and Perovskite Solar Cells (PSCs). A typical DSSC is a low cost device of easy fabrication, widely investigated for indoor application, where the dye is used to collect light. In the former study, the research focused on natural dye extraction and the electrolyte optimization in the cell in accordance with a natural pigment. We realized and presented, for the first time in literature, a natural dye-based solar module of 8.7 cm2 with 1 % of power conversion efficiency (PCE), stable for 1000 hours. A PSC is a kind of solar cell that includes a perovskite-structured compound, most commonly a hybrid organic-inorganic lead halide-based material, as the light-harvesting active layer. Unlike DSSC, in PSC the liquid electrolyte has been replaced by a solid-state hole transport material (HTM), and since 2009 the run for boosting the PCE of PSC has started. In the latter study, the research focuses therefore on the optimization of an easy and low-cost PSC structure with a carbon layer replacing the HTM and gold usually used in a conventional high efficiency PSC. Despite all controversial studies on how moisture badly affects perovskite, it has been observed a beneficial water effect on the perovskite growth and formation in a 2-step deposition, which enhances the PCE of 12 % with respect to the non-treated cell.

Perovskite solar cells have been the focus of photovoltaics research in this past decade. Owing to their many favorable properties - like low cost solution processability, tunable bandgap and high efficiency, they have seen much attention in various types of solar cell designs. A promising technology has coupled perovskite cells with another semiconductor material in monolithic tandem solar cells, reaching record efficiencies of 29.15%. However, these kinds of devices require current matching condition to maximize the output of solar cells, making their fabrication challenging. Here, we propose the innovative bifacial tandem configuration to overcome current matching limits between the two sub-cells, by collecting photons from the surrounding environment, i.e. albedo. The extra light shining on our silicon bottom cell boosts the photogenerated current above monolithic tandem values. We show that the current density gain is more pronounced in perovskite solar cells with a narrow bandgap, 1.59 eV, than those with a wider one 1.7 eV. In other words, current matched tandems show little to no increase in efficiency with the extra albedo, while mismatched cells exhibit the most power, reaching up to ~28% in the best scenario. To give more credit to our work, we report outdoor data gathered in various locations around the world, and we show how different albedos have distinct effects on bifacial tandems.

Negli ultimi anni si è assistito nel panorama mondiale ad un notevole ed importante cambiamento nell’asset della produzione dell’energia elettrica. L’aumentare del costo nell'estrazione dei combustibili fossili ed il conseguente impatto ambientale che questi hanno nell'atmosfera ha influito notevolmente sullo sviluppo e sulla diffusione della tecnologia fotovoltaica. L’evoluzione di questa tecnologia ha permesso di raggiungere la “grid parity”, ossia l’uguaglianza tra il costo di 1 kWh prodotto dal fotovoltaico con 1 kWh prodotto da fonti fossili, per molte aree del pianeta. Tale tecnologia non è recente, già negli anni ‘60 si svilupparono i primi studi a riguardo, ma negli ultimi anni ha subito notevoli migliorie che l’hanno portata ad essere competitiva nel settore dell’energia elettrica. Il presente lavoro di tesi riporta una rassegna delle celle solari a base di silicio, a partire dal silicio monocristallino, al silicio poli e multi cristallino, fino ad arrivare a celle a film sottile o celle costituite da materiali multi-fase contenenti strutture quantiche e nanocristalli di Si. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione, il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che, ad un prezzo molto contenuto dovuto ad un utilizzo di materiali economici come i Si-NCs (nano cristalli di silicio), possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia.

L’aumento dei consumi energetici e la sempre maggiore attenzione posta al tema ambientale fanno delle energie alternative una valida alternativa alle fonti , quali carbone e petrolio,che presentano una elevata generazione di gas serra . Tra le varie fonti alternative di energia un ruolo preponderante è stato assunto dal solare fotovoltaico, che dagli anni ’80 ad oggi ha conosciuto un rapido sviluppo sia in termini di ricerca che di utilizzo su larga scala. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione , il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia. Il presente lavoro di tesi analizza il processo di conversione fotovoltaica ed il principio di funzionamento delle celle solari . I limiti termodinamici per l'efficienza di conversione di celle solari a singola giunzione sono stati discussi nella tesi. E' presentata nella tesi una rassegna delle principali strategie per il superamento dei limiti termodinamici per l'efficienza di una cella solare a singola giunzione . Sono stati analizzati : •il processo di rilassamento intrabanda dei nanocristalli ; •la generazione multipla di eccitoni (MEG) •il processo di Generazione di eccitoni multipli in nanocristalli di silicio colloidali (MEG in Si NCs). Tali risultati rivestono un particolare interesse per lo sviluppo di celle solari innovative , ad alta efficienza di conversione , utilizzando un materiale facilmente reperibile ed economico come appunto è il Silicio.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3403324 bytes, checksum: 2828289d9a42c60c7cb3b860cb3dca61 (MD5) Previous issue date: 2011-05-30
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
In this work the techniques of hot wall epitaxy (HWE) and molecular beam epitaxy (MBE) on thin films of CdTe (cadmium telluride) were used in order to manufacture a prototype solar cell type Schottky barrier. The films were produced by evaporation of a solid alloy of CdTe, varying two parameters of deposition: the growth time and substrate temperature. In the manufacture the Schottky Barrier solar cells Al-CdTe, the CdTe film was grown on glass substrate coated with a layer of TO (tin oxide doped with fluorine - SnO2:F) and an evaporation system was used in the deposition of Al contacts. The films were characterized by several techniques including profilometry to measure the thickness, atomic force microscopy (AFM) for determining surface morphology and x-ray diffraction for crystalline properties. The prototypes of the solar cell were characterized by electrical measurements (IxV curve) with and without illumination. The results show a strong influence of substrate temperature and thickness on the properties of solar cells. It was observed that the increase of substrate temperature favors the increase of grain and the growth of films with better quality, resulting in devices with better features. In addition, thinner layers of CdTe cells also produce a higher short circuit current when illuminated. Although the cells produced showed very low efficiency, we believe that it is possible to improve manufacturing processes, achieving better efficiency.
Neste trabalho utilizou-se as técnicas de epitaxia por paredes quentes (HWE) e epitaxia por feixe molecular (MBE) na fabricação de filmes finos de CdTe (telureto de cádmio) com o objetivo de fabricar um protótipo de célula solar tipo barreira Schottky. Os filmes foram obtidos por evaporação de uma liga sólida de CdTe, fazendo-se variar dois parâmetros de deposição: o tempo de crescimento e a temperatura do substrato. Na fabricação das células solares tipo Barreira Schottky Al-CdTe, o filme de CdTe foi crescido sobre o substrato de vidro recoberto com uma camada de TO (óxido de estanho dopado com Flúor – SnO2:F) e uma metalizadora foi utilizada na deposição dos contatos de Al. Os filmes foram caracterizados por diversas técnicas, incluindo a perfilometria para medida da espessura, a microscopia de força atômica (AFM) para determinação das propriedades morfológicas e difração de raios-x para determinação das propriedades cristalinas. Os protótipos da célula solar foram caracterizados através de medidas elétricas da curva IxV com e sem iluminação. Os resultados obtidos mostram uma forte influência da temperatura do substrato e da espessura nas propriedades das células solares construídas. Observou-se que o aumento da temperatura do substrato favorece o aumento do grão e o crescimento de filmes com melhor qualidade resultando em dispositivos com melhores características. Além disso, camadas mais finas de CdTe também produzem células que apresentam maior corrente de curto-circuito, quando iluminadas. Apesar das células fabricadas apresentarem eficiência muita baixa, acreditamos que existe a possibilidade de melhorar os processos de fabricação, conseguindo melhorar a eficiência.

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Indicadores de atividade solar, tais como; n?umero de manchas solares, ?area das manchas e flares sobre a fotosfera do Sol n?ao s?ao distribu??dos de forma sim?etrica entre os hemisf?erios norte e sul. Este comportamento ?e tamb?em conhecido como Assimetria NorteSul dos diferentes ??ndices solares. Dentre as diferentes conclus?oes obtidas por diversos autores, pode-se apontar que a assimetria N-S ?e um fen?omeno sistem?atico e real, e n?ao devido `a variabilidades aleat?orias. No presente trabalho, as distribui?c?oes de probabilidade dos dados provenientes do sat?elite Marshall Space Flight Centre (MSFC) da NASA s?ao investigadas usando uma ferramenta estat??stica originada da bem conhecida Mec?anica Estat??stica N?ao-Extensiva proposta por C. Tsallis em 1988. Nesse contexto, apresenta-se resultados e discuss?oes com suas implica?c?oes f??sicas, confrontando o modelo te?orico com as observa?c?oes realizadas. Os resultados obtidos revelam que existe uma forte depend?encia entre o par?ametro entr?opico n?ao-extensivo q e a variabilidade de longo-termo presente nos dados de ?areas de manchas solares. Dentre os resultados mais importantes, destaca-se a assimetria do ??ndice q, a qual revela o dom??nio predominante do hemisf?erio norte em rela?c?ao ao sul. Esse comportamento foi discutido e confirmado por v?arios autores, por?em em nenhum momento estes atribu??ram tal comportamento `a uma propriedade estat??stica do modelo por eles empregado. Com isso, conclui-se que tal par?ametro pode ser considerado como uma medida eficiente para diagnosticar varia?c?oes de longo-termo do d??namo solar. Finalmente, a referida disserta?c?ao abre um novo caminho para investigar s?eries temporais em Astrof??sica pela ?otica da n?ao-extensividade.
Solar activity indicators, each as sunspot numbers, sunspot area and flares, over the Sun?s photosphere are not considered to be symmetric between the northern and southern hemispheres of the Sun. This behavior is also known as the North-South Asymmetry of the different solar indices. Among the different conclusions obtained by several authors, we can point that the N-S asymmetry is a real and systematic phenomenon and is not due to random variability. In the present work, the probability distributions from the Marshall Space Flight Centre (MSFC) database are investigated using a statistical tool arises from well-known Non-Extensive Statistical Mechanics proposed by C. Tsallis in 1988. We present our results and discuss their physical implications with the help of theoretical model and observations. We obtained that there is a strong dependence between the nonextensive entropic parameter q and long-term solar variability presents in the sunspot area data. Among the most important results, we highlight that the asymmetry index q reveals the dominance of the North against the South. This behavior has been discussed and confirmed by several authors, but in no time they have given such behavior to a statistical model property. Thus, we conclude that this parameter can be considered as an effective measure for diagnosing long-term variations of solar dynamo. Finally, our dissertation opens a new approach for investigating time series in astrophysics from the perspective of non-extensivity.

[ES] Desde hace una década se esta investigando intensamente la forma de mejorar la eficiencia de conversión de energía (PCE) de las células solares de silicio (Si) y reducir sus precios. Sin embargo, a pesar de las mejoras obtenidas, la fabricación de células solares de Si sigue siendo costosa y puede rebajarse usando materiales en forma de capa fina. Por ello la búsqueda de materiales absorbentes alternativos, no tóxicos, abundantes en la naturaleza y con buenos rendimientos de conversión se ha intensificado en los últimos años. Entre los diferentes materiales absorbentes el sulfuro de estaño (SnS), con una banda prohibida de 1.3 eV cercana a la óptima, es un candidato adecuado para la conversión fotovoltaica. Pero para células experimentales de SnS el rendimiento alcanzado hasta ahora es de 4.6%, que es mucho menos que el PCE para dispositivos de silicio, mientras que entre otras células híbridas (orgánicas-no orgánicas) como la perovskita de metilamonio de plomo y yodo (MAPbI3) se demuestra que es un candidato adecuado con PCE que alcanza un valor del 23%. Aparte de la estabilidad, uno de los problemas para la comercialización de células de MAPbI3 es la naturaleza tóxica del plomo (Pb). Por este motivo, se ha utilizado el análisis numérico para revisar los parámetros de diseño de las células solares de perovskita híbrida sustituyendo el absorbente MAPbI3 por MASnI3 y estudiar el efecto del resto de parámetros de diseño en el rendimiento de estas células solares. Hay varios softwares de simulación disponibles que se utilizan para el análisis numérico de células solares. En este trabajo hemos usamos un software llamado "A Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS), está disponible de forma gratuita y es muy popular entre la comunidad científica y tecnológica. Para lograr un diseño efectivo para una célula solar eficiente, se propuso una aproximación numérica basada en la mejora de la PCE de una célula solar experimental. Esto se hizo reproduciendo los resultados para la célula solar diseñada experimentalmente en un entorno SCAPS con estructura p-SnS / n-CdS con una eficiencia de conversión del 1,5%. Después de la reproducción de los resultados experimentales, el rendimiento del dispositivo se optimizó ajustando el grosor de la capa absorbente y la capa tampón, la el tiempo de vida de los portadores minoritarios, la concentración del dopado en las capas absorbente, tampón y en la capa de la ventana. Mediante la optimización gradual de los parámetros del dispositivo, se alcanzó un valor de 14.01% en PCE de células solares diseñadas con SCAPS con arquitectura p-SnS / n-CdS / n-ZnO. A partir del análisis, se encontró que la PCE de una célula solar depende en gran medida de la concentración de dopaje de la capa absorbente, el espesor de la capa absorbente y los defectos de la interfaz. Sobre la base de los resultados obtenidos, se realizó un análisis para determinar el efecto de la recombinación de la interfaz en el rendimiento de las células solares y cómo se puede controlar. Para realizar esta tarea, se realizó un análisis para la selección de la capa tampón adecuada para la célula solar de perovskita metilamonio de estaño y yodo (MASnI3) y se encontró que el PCE de la célula solar también depende de la alineación de la banda entre el absorbedor y la capa de tampón. Por otra parte, se ha propuesto una nueva estructura para la célula solar de perovskita libre de Pb (contacto posterior / MASnBr3 / MASnI3 /CdZnS / FTO) con un PCE de 18.71% para un espesor del absorbedor de 500 nm y una concentración de dopado en el aceptor de 1x1016 cm-3. Los resultados obtenidos en esta tesis proporcionarán una guía para que los investigadores experimentales puedan construir células solares más eficientes.
[CAT] Des de fa una dècada s'està investigant intensament la forma de millorar l'eficiència de conversió d'energia (PCE) de les cèl·lules solars de silici (Si) i reduir els seus preus. No obstant això, tot i les millores obtingudes, la fabricació de cèl·lules solars de Si segueix sent costosa i pot rebaixar-se usant materials en forma de capa fina. Per això la recerca de materials absorbents alternatius, no tòxics, abundants en la naturalesa i amb bons rendiments de conversió s'ha intensificat en els últims anys. Entre els diferents materials absorbents, el sulfur d'estany (SnS), amb una banda prohibida de 1.3 eV propera a l'òptima, és un candidat adequat per a la conversió fotovoltaica. Però per a cèl·lules experimentals de SnS el rendiment assolit fins ara és de 4.6%, que és molt menor que el PCE per a dispositius de silici, mentre que entre altres cèl·lules híbrides (orgàniques-no orgàniques) com la perovskita de metilamonio de plom i iode ( MAPbI3) es demostra que és un candidat adequat amb PCE que arriba a un valor del 23%. A part de l'estabilitat, un dels problemes per a la comercialització de cèl·lules de MAPbI3 és la naturalesa tòxica del plom (Pb). Per aquest motiu, s'ha utilitzat l'anàlisi numèrica per revisar els paràmetres de disseny de les cèl·lules solars de perovskita híbrida substituint l'absorbent MAPbI3 per MASnI3 i estudiar l'efecte de la resta de paràmetres de disseny en el rendiment d'estes cèl·lules solars. Hi ha diversos programaris de simulació disponibles que s'utilitzen per a l'anàlisi numèric de cèl·lules solars. En aquest treball hem fem servir un programari anomenat "A Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS), està disponible de forma gratuïta i és molt popular entre la comunitat científica i tecnològica. Per aconseguir un disseny efectiu per a una cèl·lula solar eficient, es va proposar una aproximació numèrica basada en la millora de la PCE d'una cèl·lula solar experimental. Això es va fer reproduint els resultats per a la cèl·lula solar dissenyada experimentalment en un entorn SCAPS amb estructura p-SnS / n-CdS amb una eficiència de conversió de l'1,5%. Després de reproduir els resultats experimentals, el rendiment del dispositiu es va optimitzar ajustant el gruix de la capa absorbent y de la capa tampó, el temps de vida dels portadors minoritaris, la concentració del dopatge en les capes absorbent, tampó i en la capa finestra. Mitjançant l'optimització gradual dels paràmetres del dispositiu, es va assolir un valor de 14.01% en PCE de cèl·lules solars dissenyades experimentalment en SCAPS amb arquitectura p-SnS / n-CdS / n-ZnO. A partir de l'anàlisi, es va trobar que la PCE d'una cèl·lula solar depèn en gran mesura de la concentració de dopatge de la capa absorbent, el gruix de la capa absorbent i els defectes de la interfície. D'altra banda, es va realitzar una anàlisi per determinar l'efecte de la recombinació de la interfície en el rendiment de les cèl·lules solars i com es pot controlar. Per realitzar aquesta tasca, es va realitzar una anàlisi per a la selecció de la capa tampó adequada per a la cèl·lula solar de perovskita de metilamoni d'estany i iode (MASnI3) i es va trobar que el PCE de la cèl·lula solar també depèn de l'alineació de la banda entre l'absorbidor i la capa de tampó.
[EN] A decade of extensive research has been conducted to enhance the power conversion efficiency (PCE) of silicon (Si) solar cells and to cut their prices short. But still, the fabrication of Si solar cells are costly. So, to reduce the fabrication cost of the solar cell search for alternate earth abundant and non-toxic absorber materials is thriving. Among different absorber materials tin sulfide (SnS) is found to be a suitable candidate for the non-organic solar cell with a band gap of 1.3 eV. But the PCE achieved for SnS is 4.6% that is far less from the PCE of (Si), whereas among other organic non-organic solar cells like methylammonium lead halide perovskite ({\rm MAPbI}_3) is proven to be a suitable candidate with PCE reaching to a value of 23%. The problem with the commercialization of {\rm MAPbI}_3 is due to the toxic nature of lead (Pb). So, in dealing with these issues of solar cell numerical analysis can play a key role as numerical analysis allows flexibility in the design of realistic problem and experimentation with different hypotheses can easily be performed. Complete set of device characteristic can often be easily generated by consuming less amount of time and effort. Because of this reason numerical analysis was used to revisit solar cells design parameters and the effect of solar cell physical parameters on solar cell performance. There are various simulation software's available that are used for solar cell numerical analysis. Here in this work, we used Solar cell capacitance simulator (SCAPS) software, it is freely available and is most popular among the research community. To achieve effective design for efficient solar cell a numerical guide was proposed based on which PCE of an experimental designed solar cell can be enhanced. This was done by reproducing results for the experimentally designed solar cell in SCAPS environment with structure p-SnS/n-CdS having a conversion efficiency of 1.5%. After reproduction of experimental results device performance was optimized by varying thickness of (absorber layer, buffer layer), minority carrier lifetime, doping concentration (absorber, buffer), and adding window layer. By stepwise optimization of device parameters, PCE of an experimental designed solar cell in SCAPS with architecture p-SnS/n-CdS/n-ZnO was reached to a value of 14.01%. From the analysis, it was found that PCE of a solar cell is highly depended upon doping concentration of the absorber layer, the thickness of the absorber layer and interface defects. Based on the results evaluated an analysis was performed for tin based organic non-organic methylammonium tin halide perovskite solar cell ({\rm MASnI}_3) to find the effect of interface recombination on solar cell performance and how it can be governed. The reason for this transition from SnS to {\rm MASnI}_3 was because {\rm MASnI}_3 can be fabricated simply by spin-coating methylammonium iodide (MAI) over SnS layer. To perform this task analysis was performed for the selection of suitable buffer layer for Pb free methylammonium tin halide perovskite solar cell ({\rm MASnI}_3) and it was found that PCE of the solar cell is also depended upon band alignment between absorber and buffer layer. Based on the results a new structure was proposed for Pb free perovskite solar cell (Back\ contact/{\rm MASnBr}_3/{\rm MASnI}_3/CdZnS/FTO) with PCE of 18.71% for absorber thickness of 500 nm and acceptor doping concentration of 1x10^{16}\ {\rm cm}^3. The results achieved in this thesis will provide an imperative guideline for researchers to design efficient solar cells.
Baig, F. (2019). Numerical analysis for efficiency enhancement of thin film solar cells [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118801
TESIS

This thesis is the results of the work conducted during the three years of Ph.D. at the Department of Industrial Engineering of the University of Padova. The conversion of solar energy into heat in the medium-temperature range (between 80 °C and 250 °C) has recently encountered a renewed interest in heating and cooling applications of industrial, commercial, residential and service sectors. Concentrating solar thermal collectors at medium temperature are suitable for many commercial and industrial applications, such as industrial process heat, solar cooling and desalination of the seawater. It is expected that in the future, a significant technological development can be achieved for these collectors, provided that the conversion of solar energy becomes more efficient and cost-effective. The proper design of the receiver, which is considered the heart of any concentrating collector, is essential to the future improvement in the conversion efficiency of this technology. In this context, the present thesis investigates the application of two innovative concepts of receivers in a prototype of an asymmetrical parabolic trough concentrator installed in the Solar Energy Conversion Lab of the Industrial Engineering Department, at the University of Padova. In Chapter 1, a study on different estimation procedures for the assessment of the direct normal irradiance, which is the solar resource utilized by solar concentrators, is presented. The study includes an indirect evaluation from measurements of global and diffuse horizontal irradiances and the use of semi-physical/empirical models. A detailed analysis of the instrumentation and of the measuring technique as well as the expression of the experimental uncertainty is provided. In Chapter 2, the optical performance of the asymmetrical parabolic trough is experimentally characterized. As a result, a statistical ray-tracing model of the concentrator for optical performance analysis in different working conditions is validated and used to optimize the design of the proposed receivers. In Chapter 3, an innovative flat aluminium absorber manufactured with the bar-and-plate technology, including an internal turbulator, is tested in the asymmetrical parabolic trough collector under single-phase and two-phase flow regimes. A numerical model to predict its performance has been developed and validated against the experimental data. In Chapter 4, this model is used to evaluate the performance of a small solar-powered ORC system by coupling the aforementioned concentrating solar system with direct vaporization of a low-GWP halogenated fluid or by using an intermediate solar circuit to heat pressurized water and evaporate the same organic working fluid in a separate heat exchanger. Finally, in Chapter 5 a new direct absorption receiver is proposed to investigate the capability of a suspension of single-wall carbon nanohorns in distilled water to absorb concentrated sunlight. The volumetric receiver has been designed through the development of a three-dimensional computational fluid dynamics model for its installation in the focus region of the asymmetrical parabolic trough. The capability of the nanofluid in collecting solar radiation when exposed to concentrated and non-concentrated solar flux are experimentally investigated thanks to the cooperation with National Council of the Research (CNR), that provided the aqueous solution. The nanofluid was tested in several conditions, with and without circulation, to investigate its stability with time.
La presente tesi è il risultato del lavoro svolto durante i tre anni di dottorato. presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova. La conversione dell'energia solare in calore a media temperatura (tra 80 °C e 250 °C) ha recentemente riscontrato un rinnovato interesse per le applicazioni di riscaldamento e raffreddamento in settori industriali, commerciali, residenziali e dei servizi. I collettori solari termici a concentrazione per media temperatura ben si prestano per l’impiego in molte applicazioni commerciali e industriali, come per la produzione di calore di processo industriale, il solar-cooling e la desalinizzazione dell'acqua di mare. Si prevede un significativo sviluppo tecnologico per questa tipologia di collettori, a condizione che la conversione dell'energia solare diventi più efficiente ed economica. La corretta progettazione del ricevitore, considerato il cuore di ogni collettore a concentrazione, è essenziale per il futuro incremento dell'efficienza di conversione di questa tecnologia. In questo contesto, questa tesi riporta i risultati dell'applicazione di due innovativi ricevitori in un prototipo di concentratore parabolico asimmetrico installato nel Laboratorio di conversione dell'energia solare del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova. Nel Capitolo 1 è presentato lo studio di diverse procedure per la stima dell'irradianza normale diretta, che è la risorsa solare utilizzata dai concentratori solari. Lo studio include una valutazione indiretta da misurazioni di irradianza orizzontale globale e diffusa insieme all'uso di modelli semi-fisici/empirici. Viene fornita un'analisi dettagliata della strumentazione e del metodo di misurazione utilizzati nonché dell'espressione dell'incertezza sperimentale. Nel Capitolo 2, le prestazioni ottiche del concentratore parabolico asimmetrico sono caratterizzate sperimentalmente. Un modello statistico di ray-tracing del concentratore per l'analisi delle prestazioni ottiche in diverse condizioni di lavoro è stato convalidato ed utilizzato per ottimizzare la geometria dei ricevitori proposti. Nel Capitolo 3, un innovativo ricevitore superficiale in alluminio e prodotto con la tecnologia bar-and-plate e un turbolatore al suo interno è stato testato nel collettore parabolico asimmetrico in regime di deflusso monofase e bifase con acqua e con un fluido alogenato a basso GWP. Un modello numerico per prevedere le prestazioni di tale ricevitore è stato sviluppato e validato sulla base dei dati sperimentali acquisiti. Nel Capitolo 4, questo modello è stato impiegato per valutare le prestazioni di un impianto ORC di piccola taglia alimentato da energia solare attraverso il suddetto collettore solare a concentrazione. L’analisi ha compreso la vaporizzazione diretta di un fluido alogenato a basso GWP e l’utilizzo un circuito solare intermedio per riscaldare acqua pressurizzata ed evaporare lo stesso fluido alogenato in uno scambiatore di calore. Infine, nel Capitolo 5 è stato proposto l’impiego di un nuovo ricevitore volumetrico ad assorbimento diretto per studiare la capacità di assorbimento della radiazione solare concentrata di un nanofluido. Il nanofluido è una sospensione di nano-corni di carbonio a parete singola in acqua distillata ed è il risultato di un progetto di collaborazione con la sede di Padova del Consiglio Nazionale della Ricerca. Attraverso lo sviluppo di un modello CFD tridimensionale, il ricevitore volumetrico è stato progettato per essere installato nella regione di fuoco del concentratore parabolico asimmetrico. La capacità del nanofluido di assorbire la radiazione solare a concentrata e non concentrata è stata studiata sperimentalmente. Al fine di indagare sulla stabilità nel tempo del nanofluido, delle prove sono state condotte in diverse condizioni, con e senza circolazione.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Fundo Mackenzie de Pesquisa
The emission of 𝛾-rays in solar flares is produced by interactions of primary electrons and ions accelerated to high energies with nuclei in the ambient solar atmosphere. The analysis of the 𝛾-ray spectra observed during solar flares provides important diagnostics on the mechanisms of primary particle acceleration and on the structure and evolution of the ambient plasma. In this work we investigate the high energy nuclear processes that occur in solar flares using FLUKA, a package of general purpose integrated routines for Monte Carlo calculations of particle transport and interactions in matter. Our main aim is to validate FLUKA as an effective tool for the modeling of nuclear processes in the context of solar flares. In order to accomplish that, we have performed simulations of the 𝛾-ray spectrum considering realistic models for the ambient solar atmosphere and beams of accelerated ions (protons, 𝛼-particles and heavier nuclei) with different energy and angular distributions. From the results obtained in the simulations with FLUKA, we have built templates for the nuclear de-excitation lines emission spectrum and for the full 𝛾-ray emission spectrum, which were incorporated to the program OSPEX for the fitting of spectra from observed events. Using these templates in combination with standard-functions avaiable in the programa OSPEX we have obtained statistically reasonable fittings for the 𝛾-ray spectra of the July 23, 2002 and June 12, 2010 solar flares, similar to the fittings obtained with templates built from nuclear de-excitation lines emission spectra calculated with the code developed by Murphy et al. (2009). To the best of our knowledge, the fittings carried out with the FLUKA templates for the full 𝛾-ray emission spectrum can be regarded as the first attempt to use a single code to implement a self-consistent treatment of the several spectral components in the energy range from ∼ 100’s keV to ∼ 100’s MeV.
A emissão de raios-𝛾 em explosões solares é produzida por interações de elétrons e íons primários acelerados a altas energias com núcleos na atmosfera solar ambiente. A análise dos espectros de raios-𝛾 observados durante as explosões solares fornece diagnósticos importantes sobre os mecanismos de aceleração das partículas primárias e sobre a estrutura e evolução do plasma ambiente. Neste trabalho investigamos os processos nucleares de alta energia que ocorrem em explosões solares utilizando o FLUKA, um pacote de rotinas integradas de uso geral para o cálculo Monte Carlo do transporte e das interações de partículas na matéria. Nosso principal objetivo é validar o FLUKA como ferramenta efetiva para a modelagem de processos nucleares no contexto de explosões solares. Para tanto, realizamos simulações do espectro de raios-𝛾 considerando modelos realísticos para a atmosfera solar ambiente e feixes de íons acelerados (prótons, partículas-𝛼 e núcleos mais pesados) com diferentes distribuições energéticas e angulares. A partir dos resultados obtidos nas simulações com o FLUKA, construímos templates para o espectro de emissão de linhas de desexcitação nuclear e para o espectro completo de emissão de raios-𝛾, os quais foram incorporados ao programa OSPEX para o ajuste de espectros de eventos observados. Utilizando esses templates em combinação com funções-padrão disponíveis no programa OSPEX obtivemos ajustes estatisticamente razoáveis para os espectros de raios-𝛾 das explosões solares de 23 de julho de 2002 e 12 de junho de 2010, semelhantes aos ajustes obtidos com templates construídos a partir de espectros de emissão de linhas de desexcitação nuclear calculados com o código desenvolvido por Murphy et al. (2009). Até onde sabemos, os ajustes realizados com os templates FLUKA para o espectro completo de emissão de raios-𝛾 podem ser considerados como a primeira tentativa de utilizar um único código para implementar um tratamento auto-consistente das várias componentes espectrais na faixa de energia de ∼ 100’s keV a ∼ 100’s MeV.

I contatti passivanti basati sul silicio policristallino permettono di ottenere elevate efficienze e allo stesso tempo sono compatibili con i processi industriali ad alte temperature. Tra essi, l'approccio detto fired passivating contacts (FPC) permette una semplice integrazione con gli attuali processi industriali, poiché la formazione della giunzione è basata sul processo di firing, utilizzato dall'industria per la metallizzazione delle celle. Il lavoro presentato in questa tesi è stato sviluppato in collaborazione tra il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e il PV-Lab della École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Svizzera. Lo scopo del lavoro è approfondire i principi di funzionamento dei fired passivating contacts e comprendere i meccanismi che controllano il trasporto elettronico in questi dispositivi. Gli esperimenti sono stati condotti sia su campioni di prova sia su celle solari contenenti i contatti passivanti. Le tecniche utilizzate hanno permesso lo studio della qualità di passivazione dei layers (fotoluminescenza e quasi-steady-state photoconductance) e delle loro proprietà di trasporto elettronico, tramite transmission line measurements e misure di corrente-tensione su celle. Inoltre, le proprietà ottiche dei campioni sono state studiate mediante spettroscopia di fototensione superficiale, spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, ellissometria e spettroscopia Raman. I risultati principali includono l'identificazione delle ottimali condizione di fabbricazione (temperatura e durata del firing) per questo tipo di campioni e lo studio dell'evoluzione delle loro proprietà con differenti condizioni di preparazione. Sono stati osservati due differenti meccanismi di trasporto elettronico nei FPCs, e sono state individuate le condizioni in cui uno prevale sull'altro. Inoltre, è stato studiato il trasporto nelle celle solari e come le proprietà dei passivating contacts influenzino il funzionamento delle celle.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FrancysAS-DISSERT.pdf: 2417755 bytes, checksum: 4896a53f5371b0d52af42510d67e075e (MD5) Previous issue date: 2013-11-20
Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico
The study of solar-type stars also includes the familiar solar analogs and twins. These objects have been one of the major research subjects in astrophysics nowadays. A direct comparison of solar activity with chromospheric activity indices for a set of stars very similar to the Sun (twins and analogs) provides an excellent opportunity to study the evolution of stellar activity on timescales of the order of the lifetime on the main sequence. This work deals with the relationship between the abundance of lithium, chromospheric activity, X-ray emission and rotation period in terms of stellar ages. We explore the influence of stellar evolution in the global properties of the stars and the aspects linked to its coronal, chromospheric and magnetic activity. Our main objective is to probe the law of decay of each of these parameters based on a sample of stars classified as well-connected as analogs stars and solar twins.
O estudo das estrelas do tipo solar inclui tamb?m as conhecidas estrelas an?logas e g?meas. Estes objetos tem sido um dos principais objetos de pesquisa da astrof?sica atual. A compara??o direta da atividade solar com os ?ndices de atividade cromosf?rica para um conjunto de estrelas muito semelhantes ao Sol (g?meas e an?logas) fornece uma ?tima oportunidade de estudar a evolu??o da atividade estelar em escalas de tempo da ordem do tempo de vida de uma estrela na sequ?ncia principal. Neste trabalho trataremos das rela??es existentes entre a abund?ncia de l?tio, atividade cromosf?rica, emiss?o de raio-X e per?odo de rota??o em termos das idades estelares. Sondaremos a influ?ncia da evolu??o estelar nas propriedades globais das estrelas e nos aspectos ligados a sua atividade coronal, cromosf?rica e magn?tica. Nosso objetivo principal ? de sondar a lei de decaimento de cada um destes par?metros com base em uma amostra de estrelas bem relacionadas e classificadas como estrelas an?logas e g?meas solares

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leandro Cesar Mehret.pdf: 8744490 bytes, checksum: 465e2639fa577422eaca8eaa7960c516 (MD5) Previous issue date: 2015-03-24
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Helioseismology aims to study the oscillations observed on the surface of the Sun. These oscillations are acoustic and stationary waves called p modes, and penetrate the solar interior and provide information about the internal structure. Because these waves have small amplitudes, they can be dealed with small perturbations in a model in hydrostatic equilibrium. Acoustic waves can be represented by spherical harmonics, characterized by l degree, m order and n order (nodes on radial direction). The p modes are waves whose restoration force are pressure, and g modes are waves whose restoration force are gravity. The data analyzed in this study were obtained from the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) that integrates the SDO mission (Solar Dynamics Observatory). Filtergrams are narrow band wavelength filters very close to some absorption line of the Sun. From the filtergrams obtained by the HMI, a processing pipeline generates the arrays and, describing the limb brightness and displacement as a function of central angle around the limb, respectively. Through a computer program developed in IDL (Interactive Data Language), used to calculate the Fourier transform of the arrays and we obtained the modes, and compared the results of the transform with frequencies of oscillation modes obtained by other authors (in the literature) using data obtained by MDI (Michelson Doppler Imager) and GONG (Global Oscillation Network Group), in order to find the characteristic frequencies of the modes. From this analysis, we obtained the relation between amplitude and frequency for the modes, it has been found that the behavior of the full width at half maximum as a function of the frequency confirm some results found in the literature, it was found larger amplitudes for low frequencies, confirming the theoretical prediction of Toutain’s model (1998) and we found the arise of degeneracy of the modes for different m values. It was also found that the noise presence in data is significant, and probably is the main source of error.
A Heliosismologia tem por objetivo o estudo das oscilações observadas na superfície do Sol. Estas oscilações são ondas acústicas estacionárias chamadas modos p, que penetram no interior solar e trazem informações sobre a estrutura interna. Por causa da sua pequena amplitude, essas oscilações podem ser tratadas com pequenas perturbações em um modelo em equilibrio hidrostático. As ondas acústicas podem ser representadas por meio de harmônicos esféricos, caracterizados pelo grau l, ordem m e ordem n (nós na direção radial). Os modos p são ondas cuja força restauradora é a pressão, enquanto os modos g são ondas cuja força restauradora é a gravidade. Os dados analisados neste trabalho foram obtidos a partir do Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) que integra a missão SDO (Solar Dynamics observatory). Filtrogramas são filtros de banda de comprimento de onda bem estreito próximos de uma determinada linha de absorção do Sol. A partir dos filtrogramas obtidos pelo HMI, um pipeline de processamento de dados gera os vetores e , que descrevem o brilho e o deslocamento em função do ângulo central em torno do limbo, respectivamente. Através de um programa computacional desenvolvido em linguagem IDL (Interactive Data Language), calculou-se a transformada de Fourier dos vetores e obtendo-se os modos, e comparou-se o resultado da transformada com frequências dos modos de oscilação obtidos por outros autores (na literatura) usando dados obtidos pelo MDI (Michelson Doppler Imager) e pelo GONG (Global Oscillation Network Group) para encontrar as frequências características dos modos. Com resultados desta análise, obteve-se a relação entre a amplitude e a frequência para os modos, verificou-se que o comportamento da largura à meia altura em função da frequência confirma alguns resultados encontrados na literatura, constatou-se a existência de amplitudes maiores para baixas frequências, confirmando-se a previsão teórica do modelo de Toutain (1998) e verificou-se o levantamento da degenerescência dos modos para diferentes valores de m. Também constatou-se que a presença de ruído nos dados foi significativa, constituindo provavelmente a principal fonte de erro.

[ES] Las energía solar fotovoltaica ha emergido como una fuente de energía nueva y sostenible, que es ecológica y rentable si la producción es a gran escala. En el escenario actual, los dispositivos fotovoltaicos económicos y de alta eficiencia de conversión sin que se degraden sus componentes están bien posicionados para la generación de electricidad. Las células solares basadas en silicio dominan este mercado desde hace muchos años. Para la fabricación y producción de células solares basadas en silicio, se requieren sofisticadas técnicas de fabricación que hacen que el panel solar sea costoso. Por otra parte estan las células solares de película delgada, las cuales, debido a la intensificación de las capacidades de fabricación están ganando importancia. La tecnología de película delgada es una de las tecnologías más rentables y eficientes para la fabricación de células solares, y es un tema de intensa investigación en la industria fotovoltaica. La tecnología de película delgada es más económica que otras tecnologías porque los dispositivos utilizan menos material y están basados en varios tipos de materiales semiconductores que absorben la luz. Entre estos materiales, las células solares de kesterita que utilizan CZTS, CZTSe y sus aleaciones CZTSSe pueden convertirse en el reemplazo óptimo a los absorbentes de calcopirita. Estos materiales presentan unas características ópticas y eléctricas sobresalientes y tienen un gap óptico directo con una banda prohibida que oscila entre 1,4\ eV\ y 1,5\ eV y un coeficiente de absorción, \alpha>{10}^4{cm}^{-1}. Estas características han propiciado que las kesteritas esten siendo muy investigadas por la comunidad fotovoltaica de películas delgadas. De acuerdo con el límite de Shockley-Queisser, la eficiencia de conversión para una célula solar basada en CZTS\ es alrededor del 28%. Esta eficiencia es teóricamente posible mediante el ajuste de la banda prohibida, pero aún así, todavia no se ha podido alcanzar experimentalmente, probablemente debido a la falta de comprensión de las características de los dispositivos.Para una mejor comprensión de las características de los dispositivos, la modelación numérica puede jugar un papel importante al perimitir estudiar diferentes estructuras de dispositivos que pueden ahorrar tiempo y costos a la comunidad científico-técnica. En este trabajo, se ha llevado a cabo una modelazación numérica para estimar y analizar el efecto de parámetros físicos como el espesor y la concentración de dopado de la capa absorbente, la capa tampón y las capas ventana, además de estudiar el efecto de la temperatura y el efecto de la potencia de iluminación del sol en el rendimiento del dispositivo. El análisis numérico de los dispositivos se realizó con el software de simulación denominado "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). Para ello se analizó una estructura simple p-n-n^+ usando molibdeno como contacto posterior y FTO como ventana óptica y contacto frontal y siguiendo la secuencia de materiales Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO. A través del análisis, se estudió el rendimiento de las células solares con la variación en el espesor del absorbente para encontrar el espesor óptimo de la capa absorbente. También se estudió el efecto de la concentración del dopado y de la función de trabajo del metal. Después de la visualización de una estructura de dispositivo básica en SCAPS-1D, se modelo una célula solar experimental basada en CZTS. Los resultados de las células solares CZTS diseñados experimentalmente se simularon por primera vez en el entorno SCAPS-1D. Los resultados simulados de SCAPS-1D se compararon con los resultados experimentales. Después de la optimización de los parámetros de la celda, se incrementó la eficiencia de conversión de un dispositivo optimizado y, a partir del modelado, se descubrió que el rendimiento del dispositivo mejora al aumentar el tiempo de vida de los porta
[CAT] L'energia solar fotovoltaica ha emergit com una font d'energia nova i sostenible, que és ecològica i rendible si la producció és a gran escala. En l'escenari actual, els dispositius fotovoltaics econòmics i de gran eficiència de conversió estan ben posicionats per a la generació d'electricitat neta i sostenible. Les cèl·lules solars basades en silici dominen aquest mercat des de fa molts anys. Per a la fabricació i producció de cèl·lules solars basades en silici, es requereixen tècniques de fabricació sofisticades que fan que el panell solar sigui costós. Per altra banda estan les cel·les solars de capa fina, que estan guanyant importància a causa de l'intensificació de les capacitats de fabricació. La tecnologia de capa fina és una de les tecnologies més rentables i eficients per a la fabricació de cel solars, i és un tema d'intensa investigació en la fotovoltaica industrial. La tecnologia de capa fina és més econòmica que altres tecnologies perquè els dispositius utilitzen menys material i estan basats en diversos tipus de materials semiconductors que absorbeixen la llum. Entre aquests materials, les cèl·lules solars de kesterita que utilitzen CZTS, CZTSe i les seves aleacions CZTSSe poden convertir-se en el reemplaçament òptim als absorbents de calcopirita. Aquests materials presenten unes característiques òptiques i elèctriques sobresalientes i tenen un gap òptic directe amb una banda prohibida que oscil·la entre 1,4eV i 1,5eV i un coeficient d'absorció, \alpha>{10}^4{cm}^{-1}. Aquestes característiques han propiciat que les Les kesteritas estan sent molt investigades per la comunitat fotovoltaica de capes primes. D'acord amb el límit de Shockley-Queisser, l'eficiència de conversió per a una cel·la solar basada en CZTS és d'aproximadament 28%. Aquesta eficiència és teòricament possible a través de l'ajust de la banda prohibida, però tot i així, encara no s'ha pogut assolir experimentalment, probablement a causa de la incomprensió del funcionament dels dispositius. Per a una millor comprensió de les característiques i funcionament dels dispositius, la modelització numèrica pot jugar un paper important al permetre estudiar diferents estructures de sistemes que poden estalviar temps i costos a la comunitat científica-tècnica. En aquest treball, s'ha dut a terme una modelització numèrica per estimar i analitzar l'efecte de paràmetres físics com l'espessor i la concentració de dopatge de la capa absorbent, la capa tampó i la capa finestra, a més d'estudiar l'efecte de la temperatura i l'efecte de la potència d'il·luminació del sol en el rendiment del dispositiu. L'anàlisi numèrica dels dispositius es va realitzar amb el programari de simulació denominat "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). Per això es va analitzar una estructura senzilla p-n-n^+ utilitzant molibdé com contacte posterior i FTO com a finestra òptica i contacte frontal i seguint la seqüència de materials Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO. A través de l'anàlisi, es va estudiar el rendiment de les cel·les solars amb la variació en l'espessor de l'absorbent per trobar l'espessor òptim de la capa absorbent. També es va estudiar l'efecte de la concentració del dopatge i de la funció de treball del metall. Després de la visualització d'una estructura de dispositiu bàsic en SCAPS-1D, es model una cel·la solar experimental basada en CZTS. Els resultats de les cel·les solars CZTS dissenyats experimentalment es simularen per primera vegada en l'entorn SCAPS-1D. Els resultats simulats de SCAPS-1D es van comparar amb els resultats experimentals. Després de l'optimització dels paràmetres de la celda, es va incrementar l'eficiència de conversió d'un dispositiu optimitzat i, a partir del modelatge, es va descobrir que el rendiment del dispositiu es millora a l'augmentar la vida útil dels minoritaris, cosa que es aconsegueix amb la incorporació d'un camp elèctric a la superfície del con
[EN] The solar cell has emerged as a newer and a relatively sustainable energy source, that is eco-friendly and cost-effective if the production is on a larger scale. In the current scenario, the economic and high-power conversion efficiency photovoltaic devices without degradation of materials are designed for the generation of electricity. The silicon-based solar cells dominated the market for many years. For the manufacturing and production of silicon-based solar cells, sophisticated fabrication techniques are required that make the solar panel costly. Due to intensification in manufacturing capabilities, thin film solar cells are gaining significance. Thin film technology is one of the most cost-effective and efficient technologies for the manufacturing of solar cells, and it is an excellent subject of intense research in the photovoltaic industry. Thin film technology is economical than other technologies because devices have relatively less material and are based on various types of light absorbing semiconductor materials. Among these materials, kesterite solar cells utilizing CZTS, CZTSe and their alloys CZTSSe are emerging as the most auspicious replacement for the chalcopyrite absorbers. The outstanding electrical and optical features having direct optical band gap ranges among 1.4eV to 1.5eV and large absorption coefficient \alpha\ >{10}^4{cm}^{-1} of CZTS have made it very interesting in the thin film community. According to the Shockley-Queisser limit, the optimum conversion efficiency of around 28\ % is theoretically possible from a CZTS based solar cell by tuning the band gap, but still, it is not experimentally possible to achieve 28% conversion efficiency from a solar cell due to lack of understanding of device characteristics. For a better understanding of device characteristics, numerical modeling can play a significant role by modeling different device structures that can save time and cost of the research community. In this work, numerical modeling was carried out for estimating and analyzing the effect of physical parameters such as thickness and doping concentration of absorber, buffer and window layers, temperature effect and effect of illumination power of the sun on device performance. Device modeling had performed on the dedicated simulation software "Solar Cell Capacitance Simulator" (SCAPS-1D). To achieve this task first, a simple {p-n-n}^+ structure for Mo/CZTS/CdS/ZnO/FTO had been analyzed with molybdenum as back contact and FTO as a front contact. Through analysis, it had been found that solar cell performance was affected by variation in absorber thickness, doping concentration, and metal work function. After visualization of a basic device structure in SCAPS-1D, CZTS based experimental solar cell had been modeled. Experimentally designed CZTS solar cell results were first simulated in SCAPS-1D environment. The SCAPS-1D simulated results were then compared with experimental results. After optimization of cell parameters, the conversion efficiency of an optimized device was increased and from modeling, it had been found that device performance was improved by improving minority carrier lifetime and integration of back surface field at the back contact. Based on the results presented, it was found that recombination in a solar cell can greatly affect the performance of a solar cell. Therefore, a new structure (Back\ contact/CFTS/ZnS/Zn(O,S)/FTO) was modeled and analyzed in which interface recombination is reduced by optimizing the band gap of Zn(O,S) layer. Based on different device structure modeling, it was found that solar cell with structure CFTS/ZnS/Zn(O,S)/FTO can exhibit an efficiency of 26.11% with optimized physical parameters like absorber thickness layer of 4\mu m and acceptor concentration density of 2\times{10}^{18}\ {cm}^{-3}. The proposed results will give a valuable guideline for the feasible fabrication and designing of high-power conversion efficiency solar cells.
Khattak, YH. (2019). Modeling of High Power Conversion Efficiency Thin Film Solar Cells [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118802
TESIS

The primary goal of this work is related to the extension of an analytic electro-optical model. It will be used to describe single-junction crystalline silicon solar cells and a silicon/perovskite tandem solar cell in the presence of light-trapping in order to calculate efficiency limits for such a device. In particular, our tandem system is composed by crystalline silicon and a perovskite structure material: metilammoniumleadtriiodide (MALI). Perovskite are among the most convenient materials for photovoltaics thanks to their reduced cost and increasing efficiencies. Solar cell efficiencies of devices using these materials increased from 3.8% in 2009 to a certified 20.1% in 2014 making this the fastest-advancing solar technology to date. Moreover, texturization increases the amount of light which can be absorbed through an active layer. Using Green’s formalism it is possible to calculate the photogeneration rate of a single-layer structure with Lambertian light trapping analytically. In this work we go further: we study the optical coupling between the two cells in our tandem system in order to calculate the photogeneration rate of the whole structure. We also model the electronic part of such a device by considering the perovskite top cell as an ideal diode and solving the drift-diffusion equation with appropriate boundary conditions for the silicon bottom cell. We have a four terminal structure, so our tandem system is totally unconstrained. Then we calculate the efficiency limits of our tandem including several recombination mechanisms such as Auger, SRH and surface recombination. We focus also on the dependence of the results on the band gap of the perovskite and we calculare an optimal band gap to optimize the tandem efficiency. The whole work has been continuously supported by a numerical validation of out analytic model against Silvaco ATLAS which solves drift-diffusion equations using a finite elements method. Our goal is to develop a simpler and cheaper, but accurate model to study such devices.

This thesis presents my Ph.D. work about quantum dot GaAs/AlGaAs solar cells grown by droplet epitaxy, exploring the potential of this materials system for the realization of intermediate band photovoltaic devices. In the first chapter a general introduction to the field of solar energy is given, outlining the reasons why this research has been performed. The physics of the photovoltaic cell is briefly explained in its most important points, to give the reader clear understanding of what is presented in the following chapters. Intermediate band devices are presented in the second chapter. The theoretical foundations presented do not aim at constituting an exhaustive explanation of the theory underlying intermediate band solar cells, but the scope is again to give clear understanding of the characterization of the quantum dot devices reported in the following chapters. A survey of the state of the art in the field is given, pointing out the differences with our technology. The initial part of my Ph.D. work was spent in developing the technology to design and grow (Al)GaAs photovoltaic devices, as well as the characterization techniques required to understand the behavior of such devices. In chapter 3 the method developed to design the solar cell structure is illustrated, and in chapter 5 the experimental setup used for characterization is presented, along with the measurements on the single junction devices realized during this work. Chapter 4 is dedicated to the description of the growth and fabrication methods used to grow the samples reported here. The development of the fabrication technology proceeded in close contact with the characterizations of the devices, in order to optimize the process. Finally in chapter 6 the results on quantum dot photovoltaic cells are reported: the key working principles of intermediate band devices have been demonstrated with our materials system, and this, to the knowledge of the author, is the first time that strain free quantum dot solar cells are reported of intermediate band behavior. The role of defects in the AlGaAs matrix is explained in connection with both the optical and electrical characterizations presented.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
The Sun emits radiation at several wavelengths of the electromagnetic spectrum. In the optical band, the solar radius is 696,000 km and this is what defines the photosphere, the visible surface of the Sun. However, as the altitude increases, the dominant electromagnetic radiation is produced at other frequencies, causing the solar radius to change as function of wavelength. We measure the solar radius at the subterahertz frequencies of 0,212 and 0,405 THz – i.e., the altitude where these emissions are generated – and also analyse the radius variation over the 11-year solar activity cycle. These measurements enable a better understanding of the solar atmosphere and the radius dependence on the solar cycle, is a good indicator of the changes that occur in the atmospheric structure. For this, we used radio maps of the solar disk for the period between 1999 and 2016, reconstructed from daily scans made by the Solar Submillimeter-wave Telescope (SST), installed at El Leoncito Astronomical Complex (CASLEO), at Argentinean Andes. At both frequencies our measurements yield a radius of 966,′′5 with dispersion of ±2,′′8 for 0,212 THz and ±2,′′7 for 0,405 THz. This implies a height of 5.0 ± 2.0 × 106 m above the photosphere. Furthermore, we also observed strong anti-correlation between radius variation and solar activity at both frequencies.
Na banda visível, seu raio é de 696.000 km e isto é o que define a fotosfera, a superfície visível do Sol. Contudo, à medida que a altitude aumenta, a radiação eletromagnética dominante é produzida em outras frequências, fazendo com que o raio solar mude em função do comprimento de onda. Nosso objetivo é medir o raio solar em frequências de subterahertz de 0,212 e 0,405 THz, isto é, a altitude onde são geradas estas emissões e, além disso, a variação do raio ao longo do ciclo de atividade solar de 11 anos. A importância desta pesquisa é a possibilidade de se compreender mais sobre atmosfera solar e qual a dependência do raio com o ciclo solar, o que pode ser um bom indicador das mudanças que ocorrem nesta estrutura. Para isso, utilizamos mapas em rádio do disco solar de 1999 a 2016 que foram reconstruídos a partir de varreduras diárias feitas pelo Telescópio Solar para Ondas Submilimétricas (SST), instalado no Complexo Astronômico El Leoncito (CASLEO), nos Andes argentinos. O valor de raio obtido para ambas as frequências é 966,′′5 com dispersão de ±2,′′8 para 0,212 THz e ±2,′′7 para 0,405 THz, o que significa uma altitude de 5, 0 ± 2, 0 × 106 m. Além disso, observou-se uma forte anti-correlação entre a variação temporal do raio e a atividade solar em ambas as frequências.

E’ stato dimostrato che la nanotecnologia ed i nanomateriali possono offrire valide soluzioni per migliorare l’efficienza di conversione sfruttando gli effetti indotti a scala mesoscopica. In questo ambito di ricerche, l’attività sui nano tubi di carbonio CNT come elementi costituenti di dispositivi di conversione dell’energia solare è in grande sviluppo. Il lavoro presentato in questa tesi è stato dedicato all’investigazione dei meccanismi fisici alla base della foto-risposta dei nanotubi di carbonio a multi parete (MWCNT) quando vengono utilizzati in celle elettrochimiche e in dispositivi a stato solido. Larga parte dell’attività è consistita nello sviluppo di strategie per la crescita controllata dei MWCNT. MWCNTs sono stati sintetizzati mediante CVD termico variando i parametri di crescita sperimentali. Utilizzando tecniche di caratterizzazione morfologica e strutturale, è stato possibile fissare i parametri di sintesi appropriati per ottenere strutture di MWCNT controllate su specifici substrati. Esperimenti di generazione di corrente fotochimica da parte dei MWCNT cresciuti su substrati SiO2/Si sono stati effettuati così come misure di fotoconduttività a stato solido. Tali esperimenti hanno confermato la capacità dei MWCNT di generare una corrente elettronica sotto illuminazione, nonostante la loro stretta similarità con la grafite metallica. Spettri EELS mostrano una spalla ad energie comprese tra 2 - 4 eV, sotto il tipico plasmone π -π* della grafite altamente orientata. Questa può essere associata, in analogia con i nano tubi a singola parete SWNT, alla presenza di singolarità di Van Hove nella densità degli stati elettronici. Tali transizioni permettono la generazione sotto illuminazione di un eccitone. L’elettrolita all’interno della cella chimica e/o la presenza di giunzioni Schottky tra MWCNT differenti separano le cariche. I risultati di fotoconducibilità a stato solido sono stati confrontati con quelli ottenuti negli esperimenti fotochimici, e quelli riportati in letteratura. Sulla base di calcoli teorici della DOS di nanotubi multi pareti (4WCNT), è possibile affermare che i MWCNT possono creare delle giunzioni locali p-n e/o Schottky con il substrato di silicio, dando luogo ad una estesa regione di svuotamento. Questo implica una modifica delle caratteristiche degli spettri di foto corrente attesi per i MWCNT. MWCNT sono stati decorati con nanoparticelle di rame e la loro foto risposta è stata studiata e confrontata con quella dei soli nano tubi. L’efficienza quantica dei sistemi ibridi aumenta su tutto lo spettro e due modelli sono proposti per spiegare questo risultato. Infine una prima misura sulle prestazioni di un dispositivo MWCNTs/SiO2/Si come cella fotovoltaica è stata effettuata mediante un simulatore solare. La caratteristica I-V sotto illuminazione non è la ben nota curva aspettata per le celle PV, ma mostra come dispositivi a stato solido basati sui MWCNT possano operare come generatore di potenza attivo sotto illuminazione solare.
It has been demonstrated that nanotechnology and nanomaterials could offer valid solutions to improve the conversion efficiency by exploiting effects induced at mesoscopic scales. In this research field, the activity on carbon nanotubes CNTs as building blocks for solar energy conversion devices is developing. The work presented in this thesis has been devoted to investigate the physical mechanisms underlying the photoresponse generation of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) when exploited in electrochemical cells and solid-state devices. A large part of the activity has consisted of the development of suitable strategies for the controlled growth of MWCNTs. MWCNTs have been synthesised by thermal CVD varying the experimental growth parameters. By using morphological and structural characterization techniques, it has been possible to fix the proper synthesis parameters to obtain controlled MWCNTs structures on specific substrates. Experiments of photochemical current generation by MWCNTs grown on SiO2/Si substrates have been performed as well as solid-state photoconductivity measurements. They have confirmed the capability of MWCNTs to generate a current of electrons under light irradiation, despite their close similarity to metallic graphite. EELS spectra show a shoulder at energies 2-4 eV, below the typical plasmon π -π* peak for HOPG. That can be associated, similarly to SWCNTs, to the presence of van Hove singularities in electronic density of states. These transitions allow the generation upon illumination of an exciton. The electrolyte inside the chemical cell and/or the presence of localized Schottky junctions between different MWCNTs separates the charges. The solid-state photoconductivity results have been compared with those obtained in photochemical experiments, and with other described in literature. On the basis of theoretical calculations of DOS for a specific four-wall carbon nanotube (4WCNT), it is possible to affirm that MWCNTs are able to locally create p-n and/or Schottky junctions with the silicon substrate underneath, giving rise to an extended depletion layer. This implies a modification of the feature in the expected photocurrent spectrum of MWCNTs. MWCNTs have been decorated by Cu nanoparticles and their photoresponse has been studied and compared with that of bare nanotubes. The quantum efficiency of the hybrid system increases over the entire spectrum and two models have been proposed to explain these results. Finally, a first measurement of the performance of a MWCNTs/SiO2/Si device as PV cell has been performed by using a solar simulator. The I-V characteristic under illumination is not the expected well-shaped curve of a PV cell, but it demonstrates that the MWCNT solid-state device can operate as an active power supply element under solar illumination.

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

The development of new materials and processes with a sustainable approach to allow an efficient removal from water sources of emergent contaminants, such as drugs and antibiotics, currently represents the next challenging task in water decontamination field. Photocatalysis and photoelectrocatalysis processes triggered via sunlight are among the most efficient Advanced Oxidation Processes for water decontamination. These methods are based on the interaction in water of natural light with oxide semiconductors, which generate high-reactive chemical species able to oxidize the organic micropollutants. Here, the realization of two solar devices is presented, namely a parabolic concentrator and a modular stand-alone reactor. Their working principle is based on the photocatalysis and photoelectrocatalysis processes. As active material integrated within the solar devices, nanostructured tungsten trioxide was investigated via several realization techniques (solvothermal, electrochemical oxidation, and sol-gel) on glass and metal substrates. WO3-based electrodes attained photocurrents in the range of 1-5 mA/cm2, consistent with literature, and an activation in the visible part of the solar spectrum, up to 470 nm. Photodegradation tests, carried out on several specific drugs, showed outstanding results with an almost complete abatement in case of some pollutants, and a COD (Chemical Oxygen Demand) decrease of more than 60% in 1 h. Both the solar devices could be scaled up in the next future for industrial scopes within the tertiary water treatment. Most importantly, they use a sustainable process, without additional energy costs, and with a possible hydrogen production as added value to the decontamination process.
Nell'ambito del trattamento delle acque è emersa la necessità di sviluppare nuovi materiali e processi al fine di consentire un'efficiente rimozione di contaminanti emergenti, quali droghe e antibiotici, attualmente presenti nei bacini idrici, sfruttando un approccio sostenibile. I metodi di fotocatalisi e di fotoelettrocatalisi innescati da luce solare sono tra i processi di ossidazione avanzata più efficaci per la decontaminazione delle acque. Tali metodi sono basati sull'interazione in acqua di luce solare con ossidi semiconduttori; questa interazione genera specie chimiche altamente reattive, capaci di ossidare i microinquinanti organici, quindi purificando l'acqua. In questo lavoro sono presentati due dispositivi solari, ossia un concentratore solare e un reattore autonomo modulare, il cui principio di funzionamento si basa sui processi di fotocatalisi e fotoelettrocatalisi. Come materiale attivo integrato all'interno dei dispositivi solari è stato studiato il triossido di tungsteno nanostrutturato. In particolare, diverse tecniche di realizzazione (solvotermale, anodizzazione elettrochimica, e sol-gel) sono state caratterizzate sfruttando substrati in vetro e metallo. Gli elettrodi basati su WO3 hanno raggiunto fotocorrenti di 1-5 mA/cm2, consistenti con quelle riportate in letteratura, e un'attivazione nella parte visibile dello spettro solare fino a 470 nm. I test di fotodegradazione, effettuati su alcuni specifici medicinali, hanno mostrato notevoli risultati, con un abbattimento pressoché totale di alcuni inquinanti, e una diminuzione di oltre il 60% del COD (Domanda Chimica di Ossigeno) in 1 ora. Entrambi i dispositivi solari possono essere ampliati in un prossimo futuro a scopi industriali per il trattamento terziario delle acque, sfruttando un processo sostenibile, senza costi energetici aggiuntivi e con una possibile produzione di idrogeno come valore aggiunto al processo di decontaminazione.

This study focus on the analysis of different algorithms used to describe underwater light attenuation in the coastal ocean and their impact on primary production processes in a numerical coupled model of the marine biogeochemical dynamics. Light parameterizations (novel and literature based) were embedded into the BFM-POM one dimensional modelling system. Results indicated that better representation of the light vertical profiles are obtained with a double exponential formulation, particu- larly when parameterized on the basis of extensive in situ data. Better representation of the light environment impacted positively on the quality of the marine ecosystem biogeochemical dynamics simulation.

In the last years, the massive evolution of modern technologies has gradually created an alarming gap between the production and the consumption of energy. Traditional energy resources are no longer sufficient to satisfy the demand of energy without spoiling earth environment. Solar photovoltaics represents a highly promising technology to tackle this global energy issue. The thorough scientific discussion on this fundamental topic gave rise to interesting results and the organic solar cells (OSCs) are one of these achievements. One major reason of the development and the increasing interest in this new technology is its eco-friendliness and the potentially low-cost production of solar modules on flexible (plastic) substrates. Furthermore, new applications are expected by flexible or semitransparent organic solar cells. Nevertheless, two main problems must be overcome before this promising technology replaces the long-established silicon solar cells: the low power conversion efficiency and the scarce stability. In order to tackle these fundamental issues the research efforts must be focused towards both the development of new materials and their detailed photophysical and morphological characterization. Recently the application of nanostructured architectures within the active layers of OSCs has demonstrated to be an efficient alternative to boost solar cell efficiency. Indeed, the nanometric miniaturization of materials opened a huge amount of possibilities to tune and bolster their optical and electrical properties. In this thesis work, the potentialities of the nanostructured architectures are explored. In particular, the attention of this work is addressed towards the development and the photophysical characterization of new hybrid nanostructured photoactive materials. Three different families of nanostructures, colloidal Quantum Dots, Carbon Dots, and hybrid organic/inorganic perovskite nanoparticles, are blended with organic photovoltaic materials. The thorough investigation of the photo-physical and morphological interactions between the nanostructures and the organic materials aims to investigate these nanocomposite as new photoactive materials for next-generation solar cells. The first step of the work focuses on the investigation of a prototypical active layer consisting in binary blends of the fullerene derivative PCBM and CdSe/CdS core-shell Quantum Dots (QDs) capped with different ligands (namely, oleylamine, octadecanethiol, and propanethiol). The double purpose is both to demonstrate that QDs do not influence only the morphology of the active layers, as it is often reported in literature, but also its photophysics and to unravel the pivotal role of QDs ligands on the electron transfer process, which is fundamental for organic solar cells. Through the combined use of steady-state, time resolved and pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) techniques the photophysical role of QDs in OSCs is clarified and the possibility to tailor the electron transfer process through the proper choice of QDs ligands is demonstrated. The second part of the work aims at promoting the application of carbon dots (CDs) as electron donor materials for OSCs. CDs seem to be a good alternative to colloidal QDs, thanks to their low toxicity, good biocompatibility and peculiar photo-physical properties, however their poor solubility in organic solvents and mediocre electron-donor properties hampered their photovoltaic application. To tackle these critical issues, the synthesis and photo-physical characterization of N-doped CDs functionalized with two different thiophene-containing groups is carried out in this work. The functionalization intends to enhance the electron donating properties of the CDs and improve their solubility in organic solvents. The increased solubility allows to investigate the photoinduced interactions of functionalized CDs with the PCBM in solution and in solid blends. Through the combined cyclic voltammetry, optical and EPR analysis the enhanced electron donor capabilities of the functionalized CDs are demonstrated and the electron transfer process is characterized in detail. Finally, the last part of the work concentrates on the hybrid organic inorganic perovskite nanostructures. These recent nanostructures are definitely the best candidate to compete with silicon solar cells since their bulk counterpart has already provided record photovoltaic efficiencies in less than five years. However, the application of perovskite nanoparticles (PNPs) in organic solar cells has been scarcely investigated so far. Therefore, in this thesis work the synthesis of PNPs and the investigation of their interaction with both the PCBM and the semiconducting polymer P3HT is carried out. After the confirmation of the obtained synthesis through optical spectroscopy, X-ray diffraction and XPS analysis, the electron transfer from PNPs to PCBM is investigated. In particular, the effect of the ligand length on the electron transfer is examined, probing the process with two different PNPs ligands: octylamine and oleylamine. Successively, the role of the PNPs in blend with P3HT is studied. A triple effect of PNPs on the polymer properties is observed: (1) an increment of the dimension of P3HT crystalline domains, (2) a p-doping of the P3HT, and (3) an enhanced interchain order. The results of this work underpin the relevance of applying nanostructured architectures in organic photovoltaic materials, highlighting their beneficial role not only in morphology, but also in the main photo-physical processes that take place in solar cells. Additionally, the relevant role of the tailored surface engineering of nanostructures in the process of solar energy conversion is evidenced. All these observations aim at providing guidelines for the design and the fabrication of highly efficient solar cells.
Negli ultimi anni, a causa della frenetica evoluzione delle moderne tecnologie, si è andata a creare una divergenza sempre più allarmante tra la produzione e il consumo di energia. Le risorse tradizionali di energia, infatti, non sono più sufficienti a soddisfare la sempre crescente domanda energetica senza il drastico effetto di rovinare l’ambiente che ci circonda. Il fotovoltaico rappresenta una tecnologia promettente per affrontare il problema energetico mondiale. La ricerca scientifica focalizzata su questo argomento fondamentale ha dato luogo a risultati molto interessanti e le celle solari organiche ne sono una dimostrazione. Uno dei principali motivi dello sviluppo e del crescente interesse in questa nuova tecnologia è legato alla sua ecosostenibilità e al basso costo di produzione dei moduli solari che solitamente avviene su substrati (polimerici) flessibili. Inoltre, dal momento che questa tecnologia si basa sulla produzione di celle solari trasparenti e flessibili numerose applicazioni innovative sono già previste. Nonostante ciò, prima che il forovoltaico organico prevalga sulle celle solari al silicio che già da anni si sono affermate nella scena mondiale, due problemi principali devono essere affrontati: la bassa efficienza e la scarsa stabilità dei moduli fotovoltaici organici. Per far fronte a questi problemi la migliore alternativa è focalizzare gli sforzi della ricerca sia sullo sviluppo di nuovi materiali sia sulla loro caratterizzazione fotofisica e morfologica. Recentemente, l’applicazione di nanostrutture all’interno degli strati attivi delle celle solari organiche ha dimostrato di essere un’idea efficace per promuovere l’efficienza delle celle solari. Infatti è risaputo che la miniaturizzazione a livello nanometrico dei materiali apre la strada a numerose possibilità per controllare e incrementare le loro proprietà ottiche ed elettriche. In questo lavoro di tesi, le potenzialità delle nanostrutture vengono prese in considerazione. In particolare, l’attenzione di questa tesi è indirizzata allo sviluppo e alla caratterizzazione fotofisica di nuovi materiali nanostrutturati fotoattivi ibridi. Tre differenti famiglie di nanostrutture, i Quantum Dots colloidali, i Carbon Dots e le nanoparticelle di perovskite ibrida organica/inorganica, sono state incorporate all’interno di materiali fotovoltaici organici. Lo studio dettagliato delle interazioni fotofisiche e morfologiche tra le nanostrutture e i materiali organici ha permesso di considerare questi materiali nanocompositi come materiali promettenti per il fotovoltaico di nuova generazione. La prima parte del lavoro si focalizza sullo studio di uno strato fotoattivo costituito dal derivato fullerenico PCBM e dai Quantum Dots (QDs) core-shell di CdSe/CdS funzionalizzati con tre leganti differenti (l’oleilammina, l’ottadecantiolo e il propantiolo). Il primo obiettivo è stato dimostrare che la presenza dei QDs non solo influenza la morfologia degli strati fotoattivi delle celle solari, come spesso è riportato in letteratura, ma anche la loro fotofisica. Il secondo obiettivo è stato chiarire il ruolo fondamentale dei leganti dei QDs nel processo di trasferimento elettronico, processo essenziale nelle celle solari organiche. Attraverso l’uso combinato di tecniche di risonanza magnetica elettronica di stato stazionario, risolte nel tempo e impulsate, il ruolo fotofisico dei QDs nelle celle solari organiche è stato chiarito in grande dettaglio. Inoltre, è stata dimostrata la possibilità di controllare opportunamente il processo di trasferimento elettronico attraverso la scelta accurata dei leganti dei QDs. La seconda parte del lavoro mira a promuovere l’applicazione dei Carbon Dots (CDs) come materiale elettron-donatore nelle celle solari organiche. I CDs hanno dimostrato di essere una buona alternativa ai QDs colloidali grazie alla loro bassa tossicità e biocompatibilità e alle loro peculiari proprietà fotofisiche. Nonostante ciò, la loro scarsa solubilità in solventi organici e le loro deboli proprietà elettron-donatrici hanno ostacolato sinora la loro applicazione nel campo fotovoltaico. Per far fronte a queste criticità, è stata portata a termine la sintesi e la caratterizzazione fotofisica di CDs contenenti atomi di azoto e funzionalizzati con due diversi gruppi tiofenici. Lo scopo della funzionalizzazione è stato incrementare le proprietà elettron-donatrici dei CDs e migliorare la loro solubilità in solventi organici. L’aumento di solubilità ha permesso di studiare la loro interazione fotofisica con il PCBM sia in soluzione che in film. Tramite l’utilizzo della voltammetria ciclica, della spettroscopia ottica e della spettroscopia EPR, sono state dimostrate le buone proprietà di trasferimento elettronico fotoindotto in questi materiali e il processo di trasferimento elettronico è stato studiato in dettaglio. Infine, l’ultima parte di questo lavoro di tesi si concentra sulle nanoparticelle di perovskite ibrida organica/inorganica. Le perovskiti ibride sono a tutti gli effetti il miglior candidato nella corsa per sostituire le convenzionali celle solari al silicio. Negli ultimi cinque anni le perovskiti ibride massive hanno stabilito record straordinari di efficienza fotovoltaica. Nonostante ciò, l’utilizzo delle nanoparticelle di perovskite nelle celle solari organiche non è stato ancora studiato a fondo. Per ovviare a ciò, nell’ultima parte di questo lavoro è stata portata a termine la sintesi delle nanoparticelle di perovskite ed è stata studiata la loro interazione sia con il PCBM che con il polimero semiconduttore P3HT. Dopo aver confermato l’avvenuta sintesi mediante spettroscopia ottica, diffrazione a raggi X e spettroscopia di fotoemissione a raggi X, è stato analizzato il processo di trasferimento elettronico fotoindotto tra le nanoparticelle di perovskite e il PCBM. In particolare, grazie all’utilizzo di nanoparticelle funzionalizzate con due diversi leganti (ottilammina ed oleilammina), il ruolo fondamentale della lunghezza dei leganti nel processo di trasferimento elettronico è stato evidenziato. Successivamente, l’attenzione è stata rivolta al nanocomposito di nanoparticelle di perovskite e P3HT. In questo caso, è stato osservato che la presenza delle nanoparticelle di perovskite svolge un triplice effetto sulle proprietà del polimero: (1) un incremento nella dimensione dei domini cristallini, (2) un drogaggio di tipo p, e (3) un aumento dell’ordine intercatena nella fase polimerica. I risultati di questo lavoro di tesi evidenziano la rilevanza delle nanostrutture nei materiali fotovoltaici organici sottolineando il loro effetto positivo non solo sulla morfologia, ma anche su tutti i principali processi fotofisici che hanno luogo nelle celle solari. Inoltre, viene dimostrata l’importante funzione dell’ingegnerizzazione superficiale di queste nanostrutture al fine di favorire il processo di conversione dell’energia solare. Tutti questi risultati hanno lo scopo di promuovere la progettazione, lo sviluppo e l’efficienza delle celle solari di nuova generazione.

Le mie attività di ricerca hanno indagato i meccanismi di ricombinazione eccitonici in nanocristalli semiconduttori colloidali (NC), promuovendo lo sviluppo di nuovi paradigmi per la manipolazione delle proprietà ottiche e di scintillazione. Grazie all'ampia gamma di tecniche spettroscopiche e alle preziose collaborazioni intraprese, le mie conclusioni sono state pubblicate in prestigiose riviste scientifiche, contribuendo al progresso della comunità di scienziati dei nanomateriali. La mia ricerca ha trattato principalmente due temi di attuale rilevanza tecnologica: i) l'origine della fotoluminescenza in NC di calcogenuri ternari I-III-VI2 Cd-free come CuInS2 e AgInS2 ii) l'impiego di nanostrutture di perovskiti in schemi di rivelazione e/o conversione in energia di radiazione ionizzante. Nello specifico, l’uso di tecniche spettroscopiche complementari in regime di temperatura controllata ha validato la presenza di sottolivelli intrinseci, con diversa parità, nella banda di valenza di NC stechiometrici di CuInS2 responsabili delle proprietà ottiche di questa classe di NC. I miei risultati, supportati da simulazioni di propagazione Monte Carlo, hanno portato alla fabbricazione di un concentratore solare luminescente - con efficienza record - basato su NC di CuInS2 con taglia ottimale. Lo studio è stato quindi esteso a NC di AgInS2, un materiale meno studiato ad oggi, ma molto promettente per applicazioni di bioimaging grazie all’assenza di elementi tossici. Quindi, ho investigato la rivelazione di radiazione ionizzante attraverso nanostrutture ad alto numero atomico come le perovskiti a base di alogenuri di piombo (LHP), ed in particolare il CsPbBr3. Attraverso lo studio dettagliato delle proprietà di foto- e radio-luminescenza, ho evidenziato gli effetti dell’interazione tra eccitone di bordo banda e stati di difetto shallow/deep in nanostrutture di CsPbBr3 con diversa dimensionalità. Questo studio fondamentale ha offerto una piattaforma per sviluppare nuove strategie sintetiche atte a passivare i siti di intrappolamento sulle superfici degli NC che hanno portato ad un incremento di efficienza di scintillazione del 500%. La stabilità dei NC di CsPbBr3 è stata infine verificata in termini di resistenza alla radiazione gammma fino a dosi estreme di 1 MGy. Inoltre, per estendere la loro applicazione alla radiation detection con dispositivi a guida d’onda, ho studiato la sensibilizzazione di un colorante organico accoppiato a NC di CsPbBr3, realizzando il primo esempio di scintillatore plastico con ampio Stokes-shift e luminescenza veloce basato su LHP. Per superare i limiti imposti dalla presenza di Pb nelle LHP, ho infine esplorato le proprietà ottiche e di scintillazione di nuove classi emergenti di perovskiti doppie green. Le informazioni raccolte incoraggiano il proseguimento di questa linea di ricerca indicando la passivazione superficiale come strategia più promettente per raggiungere prestazioni analoghe alle controparti a base di Pb.
During my PhD I investigated excitonic recombination mechanisms in colloidal semiconductor nanocrystals (NCs), promoting the development of new paradigms for the manipulation of optical and scintillation properties. Thanks to the wide range of spectroscopic techniques and the valuable collaborations undertaken, my conclusions have been published in prestigious scientific journals, contributing to the advancement of the community of nanomaterials scientists. My research mainly dealt with two topics of current technological importance: i) the origin of photoluminescence in NC of Cd-free ternary I-III-VI2 chalcogenides such as CuInS2 and AgInS2 ii) the use of perovskite nanostructures in detection schemes and/or energy conversion of ionizing radiation. Specifically, the use of complementary spectroscopic techniques in a controlled temperature regime has validated the presence of intrinsic sublevels, with different parity, in the valence band of the stoichiometric CuInS2 NCs responsible for the optical properties of this class of NC. My results, supported by Monte Carlo ray-tracing simulations, led to the fabrication of a luminescent solar concentrator - with record efficiency - based on CuInS2 NCs with optimal size. The study was then extended to AgInS2 NCs, a less investigates material so far, but very promising for bioimaging applications thanks to the absence of toxic elements. Then, I investigated the detection of ionizing radiation through high atomic number nanostructures such as lead halide perovskites (LHP), and in particular CsPbBr3. Through the detailed study of photo- and radio-luminescence properties, I highlighted the effects of the interaction between band edge exciton and shallow/deep defect states in CsPbBr3 nanostructures with different dimensionality. This fundamental study offered a platform to develop novel synthetic strategies to passivate trap sites on NC surfaces that led to a 500% enhancement of scintillation yield. The stability of CsPbBr3 NCs was finally verified in terms of radiation hardness, up to extreme gamma doses of 1 MGy. Furthermore, to extend their application to radiation detection with waveguiding devices, I studied the sensitization of an organic dye coupled to CsPbBr3 NCs, creating the first example of a plastic scintillator with wide Stokes-shift and fast luminescence based on LHP. To overcome the limitations imposed by the presence of Pb in LHPs, I finally explored the optical and scintillation properties of new emerging classes of green double perovskites. The information gathered encourages the continuation of this line of research, indicating surface passivation as the most promising strategy for achieving performance similar to the Pb-based counterparts.

Solar neutrinos play a unique and irreplaceable role for the comprehension of the mechanisms powering our star. The study of solar neutrino fluxes allows us to definitely prove that the Sun is powered by thermonuclear reactions occurring in its core. Several questions concerning solar neutrinos are still unsolved. In particular, neutrinos emitted in the CNO cycle of reactions are the only undetected piece of the solar fusion puzzle. This cycle is believed to be the main engine of very massive stars, while it is expected to contribute only ~1% to the solar luminosity. Observing neutrinos from the CNO reactions would have a striking importance in astrophysics, providing the first direct confirmation of the existence of this important energy source in the core of the stars. The Borexino detector is an ultrapure liquid scintillator-based detector located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Throughout a more than ten-year long data taking, Borexino has achieved outstanding results about solar neutrino physics, measuring all the neutrino fluxes emitted from the pp-chain nuclear reactions. This thesis is devoted to the CNO solar neutrino search with Borexino: analyzing the latest three years of data-taking (Phase-III) I provide the first direct experimental indication of a signal of CNO neutrinos. I describe the details of the analysis, the CNO neutrino results and their implications in terms of solar physics.