Η αναγνώριση του πλάσματος ως μιας ιδιαίτερης κατάστασης της ύλης οφείλεται στον Langmuir [1]. Κατά τη διάρκεια πειραμάτων του το 1923 σε ηλεκτρικές εκκενώσεις ατμών υδραργύρου χαμηλής πίεσης, ονόμασε ως πλάσμα το ιονισμένο αέριο το οποίο βρισκόταν σε μια ιδιαίτερη κατάσταση ύλης, με ιδιαίτερες οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Στις ηλεκτρικές εκκενώσεις το πρόδρομο αέριο μπορεί να ιονιστεί ή να διασπασθεί προς ελεύθερες ρίζες ή να διεγερθεί περιστροφικά, δονητικά ή ηλεκτρονιακά. Τα προϊόντα αυτών των διεργασιών είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια, άτομα και μόρια που μπορούν στη συνέχεια να συμμετάσχουν σε αντιδράσεις στην αέρια φάση ή σε επιφανειακές αντιδράσεις οδηγώντας είτε στην εναπόθεση είτε στην εγχάραξη λεπτών υμενίων. Επιπλέον, η ενέργεια που μεταφέρεται από το πλάσμα στο υπόστρωμα, μπορεί να προκαλέσει τη θέρμανση του υποστρώματος ή την ενίσχυση των επιφανειακών αντιδράσεων. Το πλάσμα είναι κατά μέσο όρο ηλεκτρικά ουδέτερο. Κάθε φορτισμένο σωματίδιο μέσα στο πλάσμα αλληλεπιδρά ταυτοχρόνως με πολλά άλλα, επειδή οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μπορούν και επιδρούν σε μεγάλες 8 αποστάσεις. Αυτός είναι ο λόγος που παρουσιάζει το πλάσμα μια συλλογική συμπεριφορά [2]. Λεπτομερής περιγραφή του πλάσματος μπορεί να βρεθεί στη βιβλιογραφία [3-7]. / -

- / -

- / -

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων σε διαφορετικές πόλεις ανά την Ελλάδα. Ως γνωστόν στην χώρα μας οι κλιματολογικές συνθήκες, κατά κύριο λόγο η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και η θερμοκρασία, διαφέρουν μεταξύ των περιοχών σε μεγάλο βαθμό έχοντας αυτό ασφαλώς μεγάλη επίδραση στην συμπεριφορά και απόδοση των φωτοβολταϊκών. Οι τύποι φωτοβολταϊκών πλαισίων που μελετήθηκαν είναι αυτοί του μονοκρυσταλλικού και του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Αρχικά, σε μια θεωρητική προσέγγιση του θέματος μας, μοντελοποιήσαμε και προσομοιώσαμε τις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις με την βοήθεια του προγράμματος PV*SOL expert 4.5. Μελετήσαμε και συγκρίναμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για εννέα περιοχές της Ελλάδας, προσπαθώντας να προσεγγίσουμε τους βασικούς τύπους κλίματος που επικρατούν στην περιοχή. Οι τύποι των εγκαταστάσεων που προσομοιώσαμε είναι τέσσερεις, εκ των οποίων δύο τύποι είναι εγκαταστάσεις με μονοκρυσταλλικό και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υπό σταθερή γωνία κλίσης ενώ οι άλλοι δύο περιλαμβάνουν την χρήση tracker δύο αξόνων. Συμπερασματικά από αυτή την ενότητα είδαμε ότι αυξάνεται η ενεργειακή απόδοση των εγκαταστάσεων όσο πιο νότια και ανατολικά είναι εγκατεστημένες. Την μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση είχαν της Κρήτης και των νησιών του Αιγαίου. Επίσης συγκρίνοντας τα υλικά των πλαισίων είδαμε ότι ο βαθμός απόδοσης ηm των πλαισίων από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο των πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου κάτι που σημαίνει ότι για την ίδια ποσότητα ισχύος χρειαζόμαστε λιγότερο χώρο άρα και υλικό για εγκαταστάσεις με πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Τέλος με την χρήση tracker δύο αξόνων είδαμε μεγάλη αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των εγκαταστάσεων της τάξης του 23% περίπου και στα δύο είδη πλαισίων. Στο πειραματικό μέρος της διπλωματικής μας, πραγματοποιήσαμε μετρήσεις στον χώρο της ταράτσας του νέου κτιρίου του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με ένα πλαίσιο από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο ισχύος 80Wp υπό σταθερή κλίση 38ο . Οι μετρήσεις πραγματοποιηθήκαν την περίοδο Ιανουάριου έως Αυγούστου του 2011 τουλάχιστον δύο ημέρες ανά μήνα και για όλη την διάρκεια της ημέρας, με μετρήσεις περίπου ανά δέκα λεπτά. Για τις μετρήσεις αυτές, χρησιμοποιήθηκε το όργανο PVPM το οποίο ήταν συνδεμένο με τον υπολογιστή όπου έπαιρνε και αποθήκευε τις μετρήσεις. Με αυτές τις μετρήσεις μελετήσαμε την απόκριση του πλαισίου μας και πιο συγκεκριμένα τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του (Voc, Isc, Pmpp, Vmax, Imax) σε σχέση με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και την θερμοκρασία. Από αυτή μας την μελέτη επιβεβαιώσαμε αυτό που γνωρίζαμε θεωρητικά. Η αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας προκαλεί γραμμική αύξηση της έντασης του ρεύματος του πλαισίου και πολύ μικρή αύξηση της τάσης που βέβαια μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν αμελητέα. Αντίστοιχα λοιπόν και η ισχύς του πλαισίου αυξάνεται γραμμικά με την αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας. Όσον αφορά την θερμοκρασία πλαισίου, επιδρά αρνητικά στη τιμή της τάσης. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία μειώνεται λογαριθμικά η τιμή της τάσης ενώ έχουμε μια πολύ μικρή αύξηση της έντασης του ρεύματος. Άρα στην ισχύ του πλαισίου η αύξηση της θερμοκρασίας επιδράει αρνητικά αλλά σε μικρότερο βαθμό σε σχέση με την ακτινοβολία. Στην συνέχεια υπολογίσαμε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου μας. Μετά την επεξεργασία των μετρήσεων του δικού μας πλαισίου, παρουσιάζουμε και επεξεργαζόμαστε δεδομένα από τις υπόλοιπές εγκαταστάσεις που έχουμε δεδομένα για διαφορετικές περιοχές ανά την Ελλάδα. Αυτές τις κατατάσσουμε στις τέσσερεις κατηγορίες που είδαμε και στην θεωρητική μοντελοποίηση και σύγκριση (εγκαταστάσεις με μονοκρυσταλλικό ή πολυκρυσταλλικό πυρίτιο υπό σταθερή κλίση ή με χρήση tracker δύο αξόνων). Για κάθε είδος εγκατάστασης έχουμε δεδομένα από πέντε έως εννιά περιοχές της Ελλάδας. Παραθέτοντας τα χαρακτηριστικά στοιχεία των πλαισίων σε κάθε εγκατάσταση και τα κλιματολογικά δεδομένα της κάθε περιοχής που αναφέρουμε, μπορούμε να κάνουμε μια πρώτη ανάλυση των αποτελεσμάτων της κάθε εγκατάστασης. Κύριος συντελεστής που εξετάζουμε για την απόδοση των πλαισίων είναι η μηνιαία αποδιδόμενη ενέργεια ανά kWp εγκατεστημένης ισχύος των συστημάτων και ο μέσος όρος του οχταμήνου. Από αυτή την διαδικασία επιβεβαιώσαμε αυτό που γνωρίζαμε για την απόδοση των πλαισίων στις διαφορετικές περιοχές της Ελλάδας. Επίσης είδαμε την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης με την χρήση tracker δύο αξόνων που είναι της τάξης του 25%. Στα πειραματικά αποτελέσματα βέβαια είχαμε και μερικά αποτελέσματα που δεν ανταποκρινόταν στα αναμενόμενα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους τύπους πλαισίων που χρησιμοποιηθήκαν αφού σε κάθε εγκατάσταση έχουμε διαφορετικούς τύπους ή στην σχεδίαση της εγκατάστασης. Επίσης στις εγκαταστάσεις που παραθέσαμε είχαμε αρκετές βλάβες μέσα στο οχτάμηνο ειδικά σε αυτές με τους tracker δύο αξόνων κάτι που επηρέασε τα αποτελέσματα. Τέλος στην κάθε εγκατάσταση, η περιοχή που είναι υλοποιημένη μπορεί να έχει τοπικές ιδιαιτερότητες ως προς τα κλιματολογικά δεδομένα σε σχέση με τις μέσες τιμές της ευρύτερης περιοχής και άρα η απόδοση των πλαισίων να διαφοροποιείται σε σχέση με τα αναμενόμενα. Στο τελευταίο κεφάλαιο παραθέτουμε τα γενικά συμπεράσματα αυτής της εργασίας. / The aim of this diplomatic thesis is the study of attribution of photovoltaic modules in different cities of Greece. As we know in our country the climatic conditions, mainly the intensity of solar radiation and the temperature, differ between the regions, having certainly serious effect in the properties and output energy of the photovoltaic’s. The types of photovoltaic modules that were studied are these of the monocrystalline and polycrystalline silicon. Initially, in a theoretical approach, we modulate and simulate the photovoltaic installations using a software called PV*SOL expert 4.5. We studied and compare the results of the simulation for nine regions of Greece, trying to approach the basic types of climate that prevail in the region. The types of installations where simulated was four. Two types were installations with monocrystalline and polycrystalline silicon modules under constant tilt and the other two include the use of tracker two axes. In conclusion from this part, we observed that the energy attribution of installations is increasing as the PV installation is located from north to south and from west to east. The bigger energy output yielded in Crete and in the islands of Aegean. Also comparing the materials of the modules, we observed that the degree of performance (ηm ) of the modules from monocrystalline silicon is bigger than the equivalents of the polycrystalline silicon, therefore for the same quantity of force, we need less space therefore less material for the modules of monocrystalline silicon. Finally with the use of tracker two axes we observed big increase of output energy of the installations, about 23% , roughly in the two kinds of modules. In the experimental part of our diplomatic thesis, we collected measurements from a module of polycrystalline silicon of 80Wp force under constant tilt of 38o which was seated in the roof of the new building of department of Electrician Engineers and Technology of Computers. The measurements were realized in the period January until August 2011, at least two days per month and for all the duration of the day (we collected measurements every ten minutes). For these measurements, was used a device called PVPM which was connected with a computer where the measurements were stored. With these measurements, we studied the response of our module’s electric characteristics (Voc, Isc, Pmpp, Vmax, Imax) in combination with the intensity of solar irradiation and the temperature. From this, we confirmed the theory. The increase of the intensity of the radiation causes linear increase of intensity of current of module and very small increase of tendency that of course can be considered almost negligible. Respectively therefore, the force of frame is increased linearly with the increase of intensity of the radiation. Regarding to the temperature of the module, it effects negatively the price of tendency. As long as the temperature is increased, the value of tendency is decreased logarithmically while we have a very small increase of the intensity of current. Hence in the force of module, the increase of temperature effects negatively but less serious in combination with the radiation. Then we calculated the energy attribution of our module. Afterwards, the processing of our own module’s measurements, we present and processed data from the other installations that we have data, from different regions of Greece. They are classified in the four categories that we have also observed in the theoretical part (installations with monocrystalline or polycrystalline silicon under constant tilt or with use of tracker two axes). For each kind of installation we have data from five to nine regions of Greece. Importing the data of the characteristic facts of the modules in each installation and the climatic data of each region that we examine, we make a first analysis of the results of each installation. Main factor we examine, for the attribution of modules, is the monthly attributed energy per kWp installed force of the systems, in the period of eight month. From this process we confirmed what we knew for the attribution of modules in the different regions of Greece. We also observed the increase of energy output with the use of tracker two axes (about 25%). In this part we had results that did not correspond as expected. This can be owed in the types of modules that were used in each installation (they are different types) or in the designing of installation. Also the installations that we mention, had damages in the period of the eight month, specifically those with the tracker two axes, something that influenced the results. Finally in each installation, the region that is materialized can have local particularities in the climatic data in combination to the medium prices of the wider region and hence the attribution of modules to be differentiated in combination to the expected. After this process in the last capital we mention the conclusions.

Ο σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της απόδοσης των επιταξιακών ηλιακών κυττάρων τύπου n+ p p+, ως προς τον πάχος της p περιοχής. Αναπτύχθηκε ένα 3D μοντέλο αυτού του τύπου πολυκρυσταλλικού πυριτίου και έγινε ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων αυτού. Για να έχουμε διαφορετικού μεγέθους κρυσταλλικών κόκκων κύτταρα χρησιμοποιήθηκαν πλακέτες από την βάση, την μέση και την κορυφή της κρυσταλλικής κολώνας βελτιωμένης ποιότητας μεταλλουργικού πυριτίου (UMG) πάνω στις οποίες έχει αναπτυχθεί λεπτό ή παχύ επιταξιακό στρώμα. / Thiw essay is about the optimization of the performance of the n+pp+ type epitaxial solar cells. The parameter that was optimized, is the thikness of the p area.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εστιάσαμε στην ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων άμορφου πυριτίου (a-Si) και συγκεκριμένα στην παρουσίαση και την ανάλυση του πλαισίου Scott Solar ASi-F 32/12. Οι μετρήσεις λάβανε μέρος στο Πανεπιστήμιο Πατρών το έτος 2011. Ειδικότερα, οι μετρήσεις που πήραμε ήταν η τάση του φωτοβολταικού πλαισίου άμορφου πυριτίου, το ρεύμα, η ηλιακή ακτινοβολία, η θερμοκρασία περιβάλλοντος και πλαισίου ανά τακτά χρονικά διαστήματα στη διάρκεια μιας μέρας και σε διαφορετικές καιρικές συνθήκες στη διάρκεια του χρόνου. Το πλαίσιο είχε τοποθετηθεί σε σταθερό στήριγμα σε γωνία 38ο, ίση δηλαδή με το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Από τις μετρήσεις που λάβαμε ήμασταν σε θέση να εξάγουμε συμπεράσματα και γραφικές παραστάσεις για τις φωτοβολταϊκές παραμέτρους του πλαισίου όπως ρεύματος τάσης (I-V), μέγιστης ισχύς και ακτινοβολίας, συντελεστή πλήρωσης ff και συντελεστή απόδοσης με θερμοκρασία. Για να γίνει πιο ολοκληρωμένη και κατανοητή η ανάλυση των φωτοβολταϊκών παραμέτρων αλλά και οι αιτίες για τις οποίες αναπτύχτηκαν οι φωτοβολταϊκές τεχνολογίες, απαιτήθηκε η παρουσίαση και άλλων κεφαλαίων ξεκινώντας από το γενικό και φτάνοντας στο ειδικό. Η διπλωματική αυτή εργασία ξεκινά με τον ορισμό της ενέργειας και παρουσιάζει όλες τις μορφές και τις πηγές της. Γίνεται μια πιο εκτενής αναφορά στις ανανεώσιμές πηγές ενέργειας, ποιες είναι και τι πλεονεκτήματα έχουν. Στη συνέχεια παρουσιάζονται υλικά και δομές αυτών τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικών διατάξεων. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται τύποι ημιαγωγών οι οποίοι αποτελούν το θεμέλιο λίθο της μικροηλεκτρονικής και της νανοηλεκτονικής και εφαρμογές αυτών των ημιαγωγών. Προχωρώντας στο επόμενο κεφάλαιο μπαίνουμε ακόμα πιο ειδικά στις εφαρμογές των υλικών - πάντα με γνώμονα την ενεργειακή τους ιδιότητα – και παρουσιάζουμε το φωτοβολταϊκό πλαίσιο, τη δομή του και τα είδη των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Το κεφάλαιο αυτό ολοκληρώνεται με την παρουσίαση και τον ορισμό των ηλεκτρικών και φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών των στοιχείων. Τέλος, γίνεται η παρουσίαση των μετρήσεων στο πλαισίου αμόρφου πυριτίου, η ανάλυση των φωτοβολταϊκών χαρακτηριστικών του, η σύγκριση μέσω προσομοίωσης σε μέσες καιρικές συνθήκες 20αετίας και το πρακτικό αποτέλεσμα όλων των μετρήσεων που είναι η παραχθείσα ενέργεια από το πλαίσιο στο διάστημα της μελέτης μας. / In this thesis we focused on the analysis of photovoltaic parameters of amorphous silicon (a-Si) and specifically in the presentation and analysis of the context Scott Solar ASi-F 32/12. The measurements took part in the University of Patras in 2011. Specifically , the measurements we got were the voltage of amorphous silicon photovoltaic modules , current, solar radiation, temperature and frame at regular intervals during a day and in different weather conditions during the year . The frame was placed in the anchor at an angle of 38 ° , ie equal to the latitude of the place . From the measurements we were able to draw conclusions and graphs for the photovoltaic parameters of the frame as current -voltage (IV), maximum power and radiation , fill factor ff and temperature coefficient performance . To make it more complete and comprehensive analysis of the photovoltaic parameters and the causes for which thrived photovoltaic technologies required the presentation and other chapters starting and reaching the general to the specific. This thesis begins with the definition of energy and present all forms and sources . It is a more extensive report on renewable energy , what is and what advantages they have. The following are materials and structures thereof which can be used in applications of electromagnetic devices. In addition , semiconductor types are presented which are the foundation of microelectronics and nanoelektonics and applications of semiconductors . Moving on to the next chapter we get even more specific applications of materials - always with energy capacity - and present the photovoltaic panel , structure and types of photovoltaic modules . This chapter concludes with the presentation and definition of electrical and photovoltaic characteristics of the data . Finally , we present the measurement framework amorphous silicon analysis of photovoltaic characteristics of the comparison by simulation 20aetias average weather conditions and the practical result of all measurements is the energy from the context in time of our study .

Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετάται η δομή και η λειτουργία φωτοβολταϊκών πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητη τόσο η θεωρητική μελέτη και περιγραφή της λειτουργίας τους, όσο και η πειραματική προσέγγιση του θέματος. Αρχικά, παρουσιάζεται η δομή των ηλιακών κυττάρων, βασικών δομικών μονάδων των φωτοβολταϊκών πλαισίων. Στην αρχή δίνεται μια περιεκτική περιγραφή της λειτουργίας της p-n επαφής ώστε στη συνέχεια να γίνει ευκολότερα κατανοητός ο τρόπος που επιδρά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο στη δομή αυτή. Αναλύονται ορισμένα μεγέθη που χρησιμοποιούνται στην επιστήμη των φωτοβολταϊκών καθώς και οι συνθήκες στις οποίες μετρώνται παγκοσμίως τα ηλιακά κύτταρα/πλαίσια προκειμένου να υπάρχει ένα κοινό μέτρο σύγκρισης. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την πειραματική διαδικασία. Σε αυτήν αναλύονται διεξοδικά οι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών σε μια πραγματική εγκατάσταση. Οι παράγοντες αυτοί είναι κυρίως περιβαλλοντικοί (ηλιοφάνεια, θερμοκρασία). Υπάρχουν εξίσου σημαντικοί παράγοντες, όμως, που είναι δυνατό να μεταβληθούν από τον άνθρωπο με τρόπο ώστε να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση. Πιο συγκεκριμένα, η γωνία κλίσης του πλαισίου και η περίπτωση της σκίασής του είναι απαραίτητο να ληφθούν σοβαρά υπόψη. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν έχουν άμεση εφαρμογή στον υπολογισμό και τη μελέτη μιας πραγματικής εγκατάστασης μιας και δίνουν συγκεκριμένες αριθμητικές τιμές. Για παράδειγμα η συνολική αποδιδόμενη ετήσια ενέργεια από ένα πλαίσιο 80Wp τοποθετημένο με γωνία κλίσης ίση με τη βέλτιστη (380) στην περιοχή της Πάτρας είναι 172.038kWh. Αξιοσημείωτη είναι και η σύγκριση των πειραματικών τιμών ισχύος και συντελεστή απόδοσης με τις τιμές του κατασκευαστή και αυτές που προέκυψαν μέσω μοντελοποίησης (σε υπολογιστή με τα προγράμματα Matlab και Mathematica). Αυτές είναι: η μετρούμενη ισχύς του πλαισίου 73,15Watt και συντελεστής απόδοσης η=11,5%, ισχύς διδόμενη από τον κατασκευαστή 81,71Watt με συντελεστή απόδοσης η=12,6% και ισχύς η που προκύπτει από τη μοντελοποίηση 89,95Watt με συντελεστή απόδοσης η=14,2%. Η αιτιολόγηση αυτών των διαφορετικών τιμών ισχύος και των αντιστοίχων συντελεστών απόδοσης αποδίδεται στην αδυναμία να πετύχουμε ίδιες συνθήκες διεξαγωγής αυτών των μετρήσεων καθώς και στην σε σειρά και παράλληλη αντίσταση που δεν είναι δυνατόν να εκτιμηθούν ακριβώς για να εισαχθούν στο μοντέλο. / This thesis studies the structure and performance of polycrystalline silicon solar modules. To do this, not only a theoretical study of their operation is necessary, but also an experimental approach of the subject. In a first step, we can see the structure of polycrystalline silicon solar cells, which compose the solar panels. It was thought useful to give a compact description of the –p-n junction function. This way, the photovoltaic phenomenon’s impact on –p-n junction’s function can be easier understood. Along with the theoretical part, there is an analysis of some values that are used to the photovoltaic science along with the conditions that are used in order to have a common meter of comparison. A study, however, would not be completed if the experimental process did not exist. In this process the factors that influence the photovoltaic operation are analyzed at great length in a real installation. These factors are mainly environmental (sunlight, temperature). There are equally important factors, however, which are possible to be altered in such a way to achieve the most optimal performance. Specifically, the tilt angle and the shading case of the solar module are essential to be taken seriously into consideration. The results can be directly used for the calculation of a real installation and are very helpful as they are quite specific. For example, the total output power with a tilt angle of 380 at Patras-Greece is 172.038kWh. It is also remarkable to have a comparison between the experimental data, the data given by the constructor and the data gathered through simulation method. The values for the output power are 73,15Watt (η=11,5%), 81,71Watt (η=12,6%) and 89,95Watt (η=14,2%) respectively. The explanation of different power factor and output power comes from the inability to achieve exactly the same experimental conditions. Moreover, the shunt and series resistances cannot be calculated exactly due to lack of constructor’s data details.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η λειτουργία φωτοβολταϊκών πλαισίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου και συγκεκριμένα γίνεται εξαγωγή των dc παραμέτρων (ηλεκτρικά χαρακτηριστικά) του συγκεκριμένου τύπου φωτοβολταϊκού πλαισίου υπό φωτισμό σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Αρχικά παρατίθεται η θεωρία για τα ηλιακά κύτταρα που είναι η βασική δομική μονάδα του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Για να μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτό σε όλους το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, δίδεται μια διεξοδική περιγραφή της λειτουργίας της p-n επαφής. Παράλληλα, μελετώνται κάποια προβλήματα που μπορεί να προκύψουν στις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις και οι πιθανοί τρόποι σύνδεσης μιας οικιακής εγκατάστασης. Στην συνέχεια ακολουθεί το πειραματικό μέρος. Σε αυτό παρουσιάζεται μια σειρά μετρήσεων που διεξήχθησαν κατά την διάρκεια του ακαδημαικού έτους 2008-2009 και η χάραξη γραφικών παραστάσεων μέσω των οποίων καταδεικνύεται πόσο επηρεάζεται η λειτουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων από κάποιους περιβαλλοντικούς παράγοντες σε διαφορετικές εποχές. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία παρέχουν γνώση για την μελέτη μιας πραγματικής εγκατάστασης στην περιοχή της Πάτρας. Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα είναι η ετήσια συνολική αποδιδόμενη ενέργεια από το πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου των 80W σε κλίση 38 μοίρες στην περιοχή της Πάτρας που είναι 98 KWh/έτος. Στη μελέτη αυτή περιλαμβάνεται και μια πρόταση εγκατάστασης φωτοβολταϊκών στην ταράτσα της φοιτητικής εστίας του Πανεπιστημίου Πατρών. Λαμβάνοντας υπόψιν μας τις ενεργειακές ανάγκες της φοιτητικής εστίας, έγινε προσπάθεια να βρεθεί μια λύση τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών πλαισίων, έτσι ώστε το σύστημά μας να είναι λειτουργικό καλύπτωντας όσο το δυνατό τις ανάγκες για ηλεκτρική ενέργεια. Θεωρείται όμως αναγκαίο να αναφερθεί οτι οι πειραματικές μετρήσεις στις οποίες στηρίζεται η μελέτη αυτή συνιστούν ένα μέρος μόνο των μετρήσεων οι οποίες απαιτούνται για την πλήρη ανάπτυξη και διερεύνηση του θέματος που πραγματεύεται η παρούσα Διπλωματική εργασία. / The present thesis studies the operation of polycrystalline silicon solar modules and concretely the export of dc parameters (electric characteristics) of the particular type of solar module under real conditions of operation. Initially, the thesis mentions the theory of the solar cells that are the basic structural unit of solar modules. In order the photovoltaic phenomenon, to be easier understood to all people, an extensive description of operation of p-n junctions is given. At the same time, certain problems which come out in photovoltaic installations are studied and the likely ways of connection of domestic installation. Then, the experimental part follows. At this part, a group of measurements are presented which were made at the duration of academic year 2008-2009 and the mapping out of graphic representations, which shows the influence of the operation of solar modules from certain environmental factors per season. The results that came out from the experimental process constitute knowledge for the study of a real installation at the region of Patras-Greece. The most important result is the annual total energy yield from polycrystalline silicon solar module of 80W αt tilt angle 38 degrees at Patras being 98 KWh/year. It is included in this study an indicative photovoltaic installation at the flat-roof of students‟ housing of University of Patras. Knowing the energy needs of students‟ housing, we try to find a solution of placement of solar modules, so our system to be functional as long as possible for the needs for electric energy. It is however necessary to mention that the experimental measurements on which this study is built constitute a part only of the measurements required for the full development and investigation of the issue addressed by this thesis.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με νανοδομημένους ημιαγωγούς. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια διάταξη καταγραφής φασμάτων φωτοφωταύγειας, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Τα δείγματα που εξετάστηκαν περιέχουν νανοκρυστάλλους του πυριτίου. Ερευνήθηκαν δυο διαφορετικές προσεγγίσεις για την παρασκευή τέτοιων δειγμάτων. Η πρώτη αφορά την θερμική αποσύνθεση του SiO σε θερμοκρασίες άνω των 850 ºC και οδηγεί στην παρασκευή δειγμάτων με νανοκρυστάλλους πυριτίου σε μια μήτρα από οξείδιο του πυριτίου. Η δεύτερη είναι ο σχηματισμός πορώδους πυριτίου μέσω ανοδικής ηλεκτροδιάβρωσης, τόσο σε συνθήκες ανοδικής πόλωσης, όσο και σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος. Τα δείγματα που προήλθαν από θερμική αποσύνθεση του SiO επιδεικνύουν έντονη φωτοφωταύγεια, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, στο εγγύς υπέρυθρο και σε ενέργειες μεγαλύτερες του ενεργειακού χάσματος του πυριτίου (1.12 eV), ως αποτέλεσμα της εξιτονικής επανασύνδεσης υπό συνθήκες κβαντικού εντοπισμού. Τα φάσματα φωτοφωταύγειας και ο δομικός χαρακτηρισμός, έδωσαν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την αλληλεπίδραση και προέλευση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, της δομής και κινητικής του SiO που υπόκειται σε θερμική αποσύνθεση. Με την παρασκευή πορώδους πυριτίου, αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία για την ανάπτυξη μικροδομών πορώδους πυριτίου σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος, με απολύτως ελεγχόμενη γεωμετρία και ιδιότητες φωτοφωταύγειας. Η μεθοδολογία αυτή είναι ενδιαφέρουσα για την ανάπτυξη μιας πληθώρας μικρο-ηλεκτρομηχανικών συστημάτων βασισμένα στο πορώδες πυρίτιο, όπως οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και αισθητήρες. / The objective of this Thesis is the study of the interaction of electromagnetic radiation with nanostructured semiconductors. For this purpose we have designed and constructed a photoluminescence setup for the recording of spectra at various temperatures. The samples that have been investigated contain nanocrystals of silicon. We investigated two different approaches for the synthesis of such samples. The first one involves the thermal decomposition of SiO at temperatures above 850 ºC and results in silicon nanocrystals embedded in silicon oxide matrix. The second is the formation of porous silicon using the anodic dissolution of silicon under external anodic bias, as well as under open circuit potential conditions. Samples prepared by thermal decomposition of SiO exhibit strong photoluminescence, at room temperature, in the near infrared and at energies higher than the band gap of bulk silicon (1.12 eV), as a result of excitonic recombination under quantum confinement conditions. The recorded spectra and the structural characterization, gave us valuable information about the interaction, the origin of the emitted radiation, the structure and the kinetics of SiO undergoing thermal decomposition. The investigations concerning the formation of porous silicon, resulted in the development of a novel technique for the formation of porous silicon microstructures under open circuit potential conditions. The microstructure geometry and photoluminescence characteristics can be tuned. This technique is interesting for the fabrication of a variety of micro-electromechanical systems, based on porous silicon, such as optoelectronic devices and sensors.

Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Η τυπική μέθοδος παρασκευής του υλικού είναι η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) με χρήση χωρητικών εκκενώσεων υψηλής αραίωσης σιλανίου (SiH4) σε υδρογόνο (H2). Εξαιτίας της χαμηλής απορρόφησης στο ορατό φάσμα απαιτείται αρκετά μεγάλο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας του μc-Si:H, ωστόσο με τα υπάρχοντα δεδομένα οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη εναλλακτικών τεχνικών ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μc-Si:H όπως η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων (Hollow Cathode) και η χρήση δισιλανίου (Si2H6) ως επιπρόσθετο του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή δύο ηλεκτροδίων hollow cathode διαφορετικής γεωμετρίας και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους σε εκκενώσεις Η2 με σκοπό τη βελτίωση της γεωμετρίας της πηγής και των συνθηκών στις οποίες επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων στην εκκένωση. Επιπλέον παρουσιάζονται μετρήσεις ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων με την πηγή hollow cathode διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους της διεργασίας και πραγματοποιείται σύγκριση με την προϋπάρχουσα πηγή χωρητικής σύζευξης. Αποδείχθηκε ότι με τη χρήση καθοδικών κοιλοτήτων μεγάλης διαμέτρου (20 mm) η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αυξάνει σημαντικά και οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι έως και τρεις φορές υψηλότεροι σε σχέση με την πηγή χωρητικής σύζευξης. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η επίδραση της προσθήκης μικρής ποσότητας Si2H6 στο μίγμα SiH4/H2 στο ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά την πίεση και συγκρίνεται η χρήση Si2H6 με την αύξηση της παροχής του μίγματος SiH4/H2. Η προσθήκη Si2H6 σε περιοχή πιέσεων 2-3 Torr αποδείχθηκε ευεργετική για το ρυθμό εναπόθεσης των υμενίων (έξι φορές αύξηση) λόγω ενίσχυσης της πυκνότητας ηλεκτρονίων και του ρυθμού διάσπασης του SiH4. Επίσης η προσθήκη Si2H6 οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση εναπόθεσης συγκριτικά με την αύξηση της συνολικής παροχής του μίγματος SiH4/H2 ή της περιεκικότητας σε SiH4. / Microcrystalline hydrogenated silicon (μc-Si:H) is widely used as intrinsic layer in thin film solar cells of single or tandem structure. This material is most commonly produced via Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) from highly diluted silane (SiH4) in hydrogen (H2). However, the rather low absorption coefficient of the intrinsic material in the visible spectrum imposes higher layer thickness in order to ensure high device efficiency. The key obstacle for the production of cost-effective solar cells is the relatively low growth rate of the intrinsic μc-Si:H and thus the research is focused on the increase of the deposition rate while maintaining the thin film quality. In this work we aim to study alternative techniques in order to enhance the μc-Si:H thin films growth rate such as the utilization of high electron density plasma source (hollow cathode) and the small disilane (Si2H6) addition to the SiH4/H2 gas mixture. In the first part is presented the construction of two novel hollow electrodes and their electrical characterization in H2 discharges aiming to investigate the conditions that ensure a high electron density in the discharge. Moreover, deposition rate measurements are presented for the hollow cathode source and compared to the already existing CCP source. It was proved that for the larger hollows (20mm diameter) the average electron density increased abruptly and the corresponding deposition rate was about 3 times higher comparatively to the CCP source. In the next part of this study is presented the effect of the small Si2H6 addition to the gas mixture to the silicon thin films growth rate and crystallinity, the process is optimized in terms of the total gas pressure and compared to the case of the SiH4/H2 total flow rate increase. The small Si2H6 addition in the narrow pressure region of 2-3 Torr proved beneficial for the film growth rate (six times increase) due to the sharp enhancement of the electron density and the SiH4 dissociation rate. The Si2H6 addition also resulted in much higher deposition efficiency as compared with the increase of the SiH4/H2 flow rate or the SiH4 molar fraction.