Desarrollo de técnicas de caracterización para materiales de banda intermedia : Development of characterization techniques for intermediate band materials

El término material de banda intermedia (IB) hace referencia a un material semiconductor que, difiriendo de los semiconductores convencionales definidos por una única banda prohibida, posee una banda electrónica extra localizada entre la banda de valencia (VB) y la banda de conducción (CB). De esta manera, este material estaría definido por dos bandas prohibidas, posibilitando que fenómenos de generación y recombinación de portadores se produzcan no solo entre la VB y la CB sino también entre la VB y la IB, y entre la IB y la CB. Los materiales de banda intermedia (IB) han sido propuestos con la finalidad de ser empleados en los dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia denominados células solares de banda intermedia (IBSCs). Esta Tesis Doctoral presenta el trabajo desarrollado, por el que la suscribe, entre Junio de 2004 y Enero de 2009 en lo referente al desarrollo de técnicas de espectroscopia y su aplicación para la caracterización de materiales IB. El trabajo ha sido organizado en dos partes, una teórica y otra práctica, distribuidas en seis capítulos que se detallan a continuación. El Capítulo I se ideó a modo de introducción. En este capítulo se presenta el estado del arte para los materiales IB y las células IBSCs. También se definen los objetivos que persigue esta Tesis. Esta Tesis trató de evaluar, por primera vez, las señales experimentales propias de materiales IB aislados (no IBSCs). Esto es lo que diferencia este trabajo de otros que le precedieron. El Capítulo II muestra una descripción teórica de las distintas alternativas que han sido propuestas para la realización de materiales IB y su aplicación para el desarrollo de IBSCs. Hasta la fecha, básicamente existen dos aproximaciones que han sido realizadas en la práctica para la obtención de materiales IB, mediante puntos cuánticos (QDs) y mediante aleaciones. Particularmente, en esta Tesis se ha tratado el sistema punto/barrera de InAs/GaAs para la aproximación mediante nano-estructuras y el sistema GaAsN (propuesto por el grupo del profesor W. Walukiewicz del LBNL) para la aproximación mediante aleaciones. El Capítulo III presenta las técnicas de caracterización desarrolladas y empleadas para la caracterización de materiales IB. Especial énfasis se hace en la descripción de las denominadas técnicas de modulación (desarrolladas en el IES), así como para los dispositivos ideados y fabricados con el propósito de analizar propiedades ópticas y eléctricas de los materiales IB. El Capítulo IV presenta los resultados experimentales obtenidos para la aproximación a materiales IB mediante nano-estructuras. El principal objeto del capítulo es el de dirimir el diagrama de bandas para el sistema InAs/GaAs IB-QDs así como el de describir algunas de sus propiedades ópticas y eléctricas. Mediante medidas de modulación apoyadas por medidas de luminiscencia se ha observado la formación de varias bandas (frente a niveles discretos) entre la VB y la CB. Por otro lado, se ha medido un pobre coeficiente de absorción para la IB lo que dificulta la implementación práctica del dispositivo sin técnicas de atrapamiento de luz. El capítulo se cierra haciendo una comparación entre los resultados obtenidos y aquellos que se esperan idealmente para un material IB. El Capítulo V presenta los resultados experimentales para la aproximación a materiales IB mediante aleaciones. Los sistemas basados en la inserción de impurezas Si:Ti, GaP:Ti e InGaN:Mn, así como el sistema altamente desajustado en electronegatividades GaAs1-xNx, son analizados en detalle. Para los compuestos basados en titanio y manganeso los resultados no son concluyentes. Para el caso de la aleación GaAs1-xNx se hace un extenso análisis. La aleación GaAs1-xNx ha sido propuesta como material multi-banda y explicada mediante el modelo “band anticrossing” por el grupo del profesor Walukiewicz. Este modelo representa adecuadamente los resultados experimentales obtenidos. No obstante, mediante fotorreflectancia y medidas de transmisión se observó que el sistema GaAs1-xNx presentaba algunas señales que se desvían del modelo ideal. En este capítulo se analizó, por otro lado, la eficiencia óptima teórica para IBSCs basadas en estas aleaciones. El Capítulo VI evalúa en su conjunto los resultados obtenidos. Presentando las conclusiones y los trabajos futuros a desarrollar. Aunque no son concluyentes, los resultados presentados sugieren la no naturaleza IB de los materiales analizados. Abstract The term “Intermediate Band” (IB) material refers to a semiconductor material in which, differing from conventional semiconductors defined by one forbidden bandgap, there exists an extra electronic band between the conduction band (CB) and the valence band (VB). Consequentially, this material can be defined by two bandgaps, allowing the recombination and generation of carriers not only from the VB to the CB but also from the VB to the IB and from the IB to the CB. The concept of intermediate band materials has been proposed in order to realize the high efficiency photovoltaic devices so called “Intermediate Band Solar Cells” (IBSCs). This Doctoral Thesis presents the work undertaken, by myself, between June 2004 and January 2009 in the development of characterization techniques and their application to IB materials. The work is presented in six chapters, the first three presenting the theoretical background, and last three the experimental results and critical discussion. Chapter I presents the state-of-the-art in the research of IB materials and IBSCs. This chapter seeks to outline the motivation for and objectives of this work, the latter being to evaluate, for the first time, the experimental signatures of isolated intermediate band materials (not within the structure of a solar cell). It is this isolation which differentiates this from preceding works. Chapter II shows a theoretical description of several proposed means of obtaining IB materials and their application for developing IBSCs. To date, two approaches have been implemented in practice: IB materials based on quantum dots (QDs) and IB materials based on the synthesis of highly mismatched alloys (HMAs). The main focus of this Thesis has been on the dot/barrier system formed by InAs/GaAs nano-structures, and in the ternary alloy GaAs1-xNx (proposed as multi-band material by professor W. Walukiewicz’s group at LBNL). Chapter III presents the characterization techniques developed and employed for the understanding of IB materials. Special attention was given to the so called modulation spectroscopies (developed by myself at the IES) and to the fabrication of singular devices conceived to prove some of the basics that define theoretically the operation of IB materials and IBSCs. Chapter IV includes the experimental data obtained by the application of the different techniques to the InAs/GaAs QD-IB materials. The main purpose of this chapter is to analyze the energy band diagram and the optical and electrical properties relating these systems. By using modulation techniques and luminescence, the formation of several bands (instead of discrete levels) between the VB and the CB is evidenced unambiguously. However a poor absorption coefficient for the IB is obtained. The chapter finishes with a critical comparison between our results and the ideal IB model. Chapter V encloses the experimental results obtained by the application of several spectroscopy techniques on alloys. Firstly Titanium doped Silicon (Si:Ti) and Gallium Phosphide (GaP:Ti) materials are considered. Also, Manganese doped Indium Gallium Nitride (InGaN:Mn) is analysed. The obtained results for these doped materials are inconclusive as to whether or not they exhibit an IB nature. The proposed multi-band highly mismatched alloy GaAs1-xNx is analyzed deeply by the application of photoreflectance and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Most of the spectroscopic signatures of this system fit well with the IB theory. However, the transition from the IB to the CB was not observed in the samples. Finally, in this chapter is presented a theoretical study about the ideal efficiencies of hypothetical IBSCs based on several nitride based alloys. Chapter VI summarizes all the results presented in this Thesis, and includes section describing future work. As a final remark, it is concluded that the potential intermediate band materials analyzed in this work, do not exhibit IB nature as it is described theoretically

Predicted photoreflectance signatures on QD selective contacts for hot carrier solar cells

The CO2 emission of our present energy transformation processes, based mainly on burning fossil fuels, is possibly the main cause of global climatic change. The photovoltaic conversion of solar energy is a clean way of producing which for sustainability should (and most probably will) become a major source of electricity. The sun is a huge resource but relatively diluted and it is reasonable to expect that only high efficiency extraction can be cost effective for mass exploitation. New concepts are neccessary such as hot carrier solar cells

Efectividad del entrenamiento excéntrico en el abordaje fisioterápico de la tendinopatía rotuliana

Objetivo. El objetivo de este trabajo es describir el abordaje fisioterápico mediante entrenamiento excéntrico progresivo combinado con técnicas preparatorias, aplicado a un caso de tendinopatía rotuliana y comprobar su efectividad sobre éste. Metodología. Tras una búsqueda bibliográfica en bases de datos en Internet y libros científicos, con el fin de hallar técnicas con evidencia en el abordaje de la tendinopatía rotuliana, se diseñó un estudio experimental intrasujeto compuesto de una fase sin intervención en el que se realizó una evaluación inicial, y una fase con intervención que consistió en la aplicación del tratamiento (terapia manual, ultrasonidos y potenciación excéntrica progresiva) y en una evaluación final. Se utilizaron la EVA, la Escala VISA-P, una escala Likert de percepción subjetiva y la exploración fisioterápica como herramientas de valoración. Resultados. Se obtuvo una mejora global del dolor medido en diversas condiciones, aunque en algunas de ellas seguía tomando valores demasiado altos en la EVA. La capacidad funcional final casi duplicó la inicial, según la puntuación obtenida en la Escala VISA-P; y el aspecto psico-social del paciente mostró una evolución bastante favorable. Conclusión. El tratamiento propuesto resultó efectivo en este caso clínico de tendinopatía rotuliana en concreto. El correcto abordaje de esta lesión requiere mayor número de investigaciones con alto grado de evidencia

Nutrición en el paciente pediátrico con enfermedades oncohematológicas

Introduction: one of the main consequences of oncohematological diseases is the appearance of malnutrition. A suboptimal nutritional status implies a worsening of the quality of life of child and a lower survival rate which indicates the need for increasing knowledge by pediatricians and family doctors of the basic principles that support the area under discussion.Objective: to present the aspects related to the nutritional management of pediatric patients suffering from oncohematological diseases. Methods: a search of the main scientific articles published during the last years was performed, as well as of the printed literature that includes the topic, the most relevant contents for the preparation of the final report were revised, in order to contribute to the doctors who attend these sick children.Results: specialized nutritional support is indicated in patients with malnutrition, oral intake less than 70 % of their nutritional requirements for three consecutive days, and patients with complications that compromise their nutritional status. The types of nutritional support are oral diet, nutritional supplementation and artificial nutrition. Healthy eating provides each individual with all the necessary food to cover their nutritional needs in different stages of life.Conclusions: the nutrition therapy applied to cancer patients consists of correcting, treating or preventing imbalances, nutritional deficiencies with macronutrients and micronutrients, fluids intake, electrolytes and the application of parenteral or enteral nutrition, all these steps are aimed at improving the nutritional status and the quality of life of malnourished patients or at risk of malnutrition.Introducción: una de las principales consecuencias de las enfermedades oncohematológicas es la aparición de desnutrición. Un estado nutricional subóptimo implica un empeoramiento de la calidad de vida del niño y una menor tasa de supervivencia lo que indica la necesidad de un mayor conocimiento por los pediatras y médicos de familia de los principios básicos sobre el tema.Objetivo: describir los aspectos relacionados con el manejo nutricional de los pacientes en edades pediátricas con enfermedades oncohematológicas.Método: se realizó una búsqueda de los principales artículos científicos de los últimos años, así como de la literatura impresa que incluye el tema, siendo seleccionados los contenidos más relevantes para la confección del informe final y contribuir a su utilización por los médicos que atienden estos enfermos.Resultados: El soporte nutricional especializado está indicado en pacientes con desnutrición, ingesta oral inferior al 70 % de sus requerimientos nutricionales durante tres días consecutivos y pacientes con complicaciones que comprometan el estado nutricional. Los tipos de soporte nutricional son la dieta oral, suplementación nutricional y nutrición artificial. La alimentación saludable aporta a cada individuo todos los alimentos necesarios para cubrir sus necesidades nutricionales, en las diferentes etapas de la vida.Conclusiones: La terapia nutricional aplicada al paciente oncológico consiste en corregir, tratar o prevenir los desequilibrios/carencias nutricionales con macronutrientes y micronutrientes, administrando fluidos, electrolitos y/o aplicando la nutrición parenteral o enteral, con el objetivo de mejorar el estado nutricional y la calidad de vida de los pacientes malnutridos o con riesgo de desnutrición

Análisis de la cadena de valor del turismo gastronómico y sus relaciones desde un enfoque territorial: criterios de funcionalidad y jerarquización

En los últimos años la gastronomía se ha convertido para la sociedad en un atractivo que alude a la identidad de un territorio. La transversalidad de este patrimonio en el hecho turístico brinda posibilidades a cualquier tipo de destino. Esto implica que deban trabajar en la identificación de los atractivos gastronómicos del territorio para poder elaborar propuestas turísticas. Esta identificación habitualmente alude al concepto de cadena de valor. Los objetivos de este artículo son, por un lado, profundizar en el desarrollo conceptual de cadena de valor del turismo gastronómico. Por otro, proponer una metodología de análisis de los elementos de esta cadena de valor a partir de criterios de potencialidad y de funcionalidad turística. El primer resultado de la investigación se refleja en la definición, la identificación y la categorización de los elementos que conforman la estructura de la cadena de valor según los criterios mencionados. El segundo resultado de la investigación es la aportación de una propuesta metodológica que sirva para el análisis de dichos elementos. Su aplicación en el análisis de cualquier propuesta turística gastronómica contribuye a un mejor conocimiento sobre las relaciones entre elementos que configuran estas experiencias y su vinculación con los valores territoriales

Enhancement of up-conversion efficiency by combining rare earth-doped phosphors with PbS quantum dots

This paper aims to enhance the up-conversion phenomena observed in silicon solar cells by combining a rare earth-doped phosphor with PbS quantum dots. Two different ways of adhering the up-converter and the fluorescent material to a bifacial solar cell are implemented: dissolving the powder in a spin-on oxide and by dissolving it in a silicone gel. Characterization is carried out through photocurrent and photoluminescence measurements. The improvement in photocurrent detected by the combination of the up-converter and the PbS quantum dots is 60% better than without them, demonstrating that the absorption and emission characteristics of the quantum dots embedded both in the oxide or the silicone can be tuned to the desired spectral region

Optoelectronic Characterisation of Intermediate Band Solar Cells by Photoreflectance Comparison to Other Advanced Architectures.

The fabrication and design of novel materials and devices for advanced photovoltaics, like the intermediate-band solar cell (IBSC), requires the use of specific characterization tools providing information about their optoelectronic properties. We have tested the suitability of photoreflectance for the characterization of IBSC prototypes based on quantum dots and compared the results obtained with those predicted by the theory. Nonidealities in operative devices have been identified and detailed information has been obtained about the electronic structure of the materials. We have compared PR spectra of IBSCs with those obtained from alternative device architectures, namely a triple-junction solar cell and a multi-quantum well structure. Some general conclusions are drawn demonstrating the potential of the technique

Study of the application of PCM to thermal insulation of UUV hulls using Network Simulation Method

The Unmanned Underwater Vehicles (UUV) designed for the detection and neutralization of naval mines are characterized by their high requirements regarding the reduction of the signatures of a vessel (thermal, acoustic, magnetic, etc.), all of them must be reduced in order not to be detected by the mines during the mission. This research work focuses on the reduction of the thermal signature transmitted by the UUV hull, where the use of phase change materials (PCM) is proposed as thermal insulation, placing it between the internal heat source of the UUV and the pressure hull, with the aim of drastically increasing the time in which the external face of the hull of the UUV is within a range of 3 °C and 5 °C temperature increase, allowing it to perform its mission without being detected by the thermal sensors of current naval mines. The simulation will be carried out using the Network Simulation Method for the resolution of the governing equations, which will allow the optimization of the necessary insulation thickness according to the required mission profile. In addition, it is proposed an expression that relates the PCM thickness and the time needed to reach a certain temperature increase