Η εργασία μας περιλαμβάνει δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος μελετάται η επίδραση της αύξησης της πίεσης στις παραμέτρους του πλάσματος και πως οι παρατηρούμενες μεταβολές επιδρούν τόσο στο ρυθμό ανάπτυξης όσο και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Στο δεύτερο μέρος με τη μεταβολή της χημικής σύστασης του αέριου μίγματος μελετάται η εύρεση του σημείου όπου εναποτίθεται πλέον άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο αντί για μικροκρυσταλλικό. Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν ο προσδιορισμός των παραμέτρων που οδηγούν τελικά στην απώλεια της κρυσταλλικής δομής των υμενίων. Τέλος, μελετάται η επίδραση τις προσθήκης εξωτερικής πόλωσης στο ηλεκτρόδιο που στηρίζεται το υπόστρωμα στις παραμέτρους του πλάσματος και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Το κείμενο της παρουσίασης χωρίζεται σε επτά κεφάλαια, το πρώτο από τα όποία είναι τούτη η εισαγωγή Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά το πειραματικό μέρος των πειραμάτων. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη όπου πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα ενώ επιπρόσθετα αναλύονται οι διαγνωστικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται αρχικά μια ανασκόπηση των παραλλαγών της χημικής εναπόθεσης μέσω πλάσματος που έχουν προταθεί τα τελευταία χρόνια και οδηγούν σε υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης υμενίων πυριτίου κατάλληλων για εφαρμογή σε ιδιοσυσκευές. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα της μεθόδου που επιλέχθηκε να εφαρμοσθεί στο εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η εναπόθεση υμενίων σε υψηλές πιέσεις (1-10 Torr) σε εκκενώσεις σιλανίου υψηλής αραίωσης σε υδρογόνο για την εναπόθεση υδρογονωμένου μικροκρυσταλλικού πυριτίου, για διαφορετικές αποστάσεις ηλεκτροδίων (12-25 mm). Η ανάλυση των αποτελεσμάτων εστιάζεται στις μεταβολές των παραμέτρων του πλάσματος με την αύξηση της πίεσης και στο πως οι μεταβολές αυτές επιδρούν στη βελτιστοποίηση του ρυθμού ανάπτυξης του υλικού. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η επίδραση της μεταβολής της πίεσης στη δομή των υμενίων. Οι εναποθέσεις των υμενίων πραγματοποιήθηκαν στις βέλτιστες συνθήκες που προσδιορίστηκαν πειραματικά στο προηγούμενο κεφάλαιο. Διαπιστώθηκε ότι τα υμένια τα οποία εναποτέθηκαν σε αυτές τις συνθήκες παρουσιάζουν υψηλό ποσοστό κρυσταλλικότητας (>70%). Η αύξηση της πίεσης ενισχύει το ποσοστό κρυσταλλικότητας μόνο κατά την αύξηση της από το 1 στα 2.5 Torr ενώ στη συνέχεια με περαιτέρω αύξηση διατηρείται σχεδόν σταθερό. Η συμπεριφορά αυτή αναλύεται περαιτέρω με βάση και τη σύσταση του αέριου μίγματος. Στη συνέχεια έμφαση δίνεται στις πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν από τις διαγνωστικές τεχνικές για τα χαρακτηριστικά των υμενίων, δηλαδή τον τρόπο σύνδεσης του υδρογόνου στο στερεό καθώς και την τάση (stress) των υμενίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο περνάμε στο δεύτερο μέρος της διατριβής. Διερευνάται η επίδραση της μεταβολής της χημικής σύστασης του αερίου μίγματος, πιο συγκεκριμένα η αύξηση του ποσοστού SiH4, στις μικροσκοπικές παραμέτρους του πλάσματος. Στη συνέχεια εξετάζεται ποιες από αυτές τις παραμέτρους κατέχουν καθοριστικό ρόλο στη μεταβολή της φάσης του υλικού, από μικροκρυσταλλικό σε άμορφο υδρογωνομένο πυρίτιο. Έμφαση δίνεται στο ρόλο της ροής των φορτισμένων σωματιδίων και του ατομικού υδρογόνου προς την επιφάνεια και διερευνάται περαιτέρω αν οι μεταβολές αυτές επιδρούν στη αλλαγή της δομής. Στο έκτο κεφάλαιο της διατριβής επιλέχθηκε να τροποποιηθεί η ενέργεια με την οποία τα ιόντα προσκρούουν στην αναπτυσσόμενη επιφάνεια με την προσθήκη μιας εξωτερικής πόλωσης στο ηλεκτρόδιο στο οποίο στηρίζεται το υπόστρωμα. Σκοπός των πειραμάτων αφενός ήταν η μελέτη των μεταβολών στις ιδιότητες του πλάσματος με την προσθήκη της πόλωσης και αφετέρου η επίδραση αυτής της μεταβολής της ενέργειας των ιόντων στο ρυθμό ανάπτυξης και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Η μελέτη των μεταβολών των παραμέτρων του πλάσματος είναι απαραίτητη για την εξαγωγή αξιόπιστων συμπερασμάτων και επιπρόσθετα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς δεν έχει αναφερθεί μια ανάλογη μελέτη στη βιβλιογραφία. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε συνθήκες που οδηγούν σε εναπόθεση υμενίων σε συνθήκες κοντά στο σημείο μετάβασης από άμορφο σε μικροκρυσταλλικό πυρίτιο για τη διερεύνηση του ρόλου των ιόντων. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα της εργασίας και διατυπώνονται προτάσεις για τη συνέχιση της ερευνητικής προσπάθειας στο μέλλον. / -

Στην εργασία αυτή γίνεται προσομοίωση της Διασταυρούμενης Διαμόρφωσης Φάσης που λαμβάνει χώρα σε ένα SOI κυματοδηγό υπό την προϋπόθεση της μηδενικής διασποράς. Για να καταλήξουμε στο μοντέλο προσομοίωσης παρουσιάζονται τα μη-γραμμικά οπτικά φαινόμενα τα οποία συμμετέχουν στο υπό μελέτη φαινόμενο καθώς επίσης και τα χαρακτηριστικά του κυματοδηγού που επιδρούν στην διάδοση του παλμού. Το τελικό μοντέλο λαμβάνει επίσης υπόψη του τις βασικές ιδιότητες του πυριτίου και τις διεργασίες που γίνονται σ’ αυτό κατά την διάρκεια της αλληλεπίδρασης του υλικού με την οπτική ακτινοβολία. Τα αποτελέσματα που δίνει το μοντέλο είναι η επίδραση της έντασης του παλμού άντλησης στην μεταβολή της φάσης του διαδιδόμενου κύματος και κατά συνέπεια την μεταβολή του μήκους κύματος. / In this work becomes simulation of Cross-Phase Modulation (XPM) that takes place in a silicon-on-insulator (SOI) waveguide under the condition less-dispersion. In order to we lead to the model of simulation are presented the nonlinear optical phenomena which participate in under study phenomenon as well as the characteristics of waveguide that affect in the propagation of pulses. The final model takes into consideration the basic properties of silicon and the activities that become in this at the duration of interaction of material with the optical radiation. The results that it gives the model are the effect of intensity of pump pulse in the change of phase of propagated wave and accordingly the change of wavelength.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής είναι η σύγκριση της απόδοσης και του κόστους μιας τυπικής αυτόνομης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σε παραδοσιακή κατοικία χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου ή δισεληνοϊνδιούχου χαλκού (CIS) τεχνολογίας thin – film . Για την εξαγωγή συμπερασμάτων πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε φωτοβολταϊκά πλαίσια των παραπάνω τεχνολογιών κατά την διάρκεια ενός έτους. Οι μετρήσεις ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2009 και τελείωσαν τον Σεπτέμβριο του 2010. Έλαβαν χώρα στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Κατά μέσο όρο γίνονταν μετρήσεις δύο φορές κάθε μήνα και σκοπός ήταν να καλύψουμε τουλάχιστον μία περίπτωση συννεφιασμένης και μία ηλιόλουστης ημέρας του μήνα ώστε να έχουμε αρκετά δεδομένα προς επεξεργασία . Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν προς το Νότο όπου, λόγω του ότι η Ελλάδα βρίσκεται στο Βόρειο ημισφαίριο, έχουμε περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία. Διεξήχθησαν μετρήσεις σε διαφορετικές κλίσεις και για τα δύο φωτοβολταϊκά πλαίσια ώστε να υπολογιστεί και η βέλτιστη κλίση για κάθε εποχή . Στις μετρήσεις τα δεδομένα που λαμβάναμε ήταν η μέγιστη ισχύς, το ρεύμα βραχυκύκλωσης, η τάση ανοιχτοκυκλώσεως, η θερμοκρασία πλαισίου, καθώς και η ηλιακή ακτινοβολία. Με αυτά τα δεδομένα υπολογίσαμε τον βαθμό απόδοσης και τον συντελεστή ποιότητας για το κάθε φωτοβολταϊκό πλαίσιο. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε αναφέρουν την βέλτιστη κλίση για τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων για βέλτιστη ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έγιναν παρατηρήσεις σχετικά με την διαφορά των πειραματικών τιμών που πήραμε, με τις θεωρητικές που δίνουν οι κατασκευαστές για τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Συγκρίναμε το κόστος και την απόδοση μιας εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων σε παραδοσιακή κατοικία με τους δύο τύπους φωτοβολταϊκών λαμβάνοντας υπόψη και ειδικές παραμέτρους της εγκατάστασης που μπορεί να αποτελούν πρόβλημα (π.χ. επάρκεια χώρου, μέγεθος εγκατάστασης) και προτείναμε λύσεις για εξοικονόμηση ενέργειας σε μια τέτοια κατοικία. / The objective of this diploma thesis is to calculate and compare the efficiency and the cost of a typical photovoltaic installation on a traditional house using photovoltaic modules based on monocrystalline silicon or CIS thin film modules. In order to provide helpful information to PV system installers extensive outdoor testing of a c-Si and a CIS module under varying meteorological conditions have been realized throughout a whole year. The measurements started in October of 2009 and finished in September of 2010. The modules where installed on the roof of the building of the Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras, Greece (latitude 38ο). We have realized an average of two measurements per month in order to cover at least one sunny and one cloudy day each month until the data was enough for processing. The orientation of the modules was south since Greece is a country of the northern hemisphere and we had more solar radiation there. We have realized measurements in different tilt angles for both modules in order to define the optimal tilt angle for each season. During the measurements the data we have received was the peak power, the short circuit current, the open circuit voltage, the module temperature and the solar radiation. Based on the gathered data we have calculated the fill factor and the efficiency for each module. The conclusions show the optimal tilt angle of the modules for optimal energy yield per year. Comparison have been made between the experimental and the theoretical values given by the manufacturers of the modules. We have also compared the cost and the efficiency of a typical photovoltaic installation on a traditional house using the two different types of modules and we suggested solutions for less energy consumption.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με την επίδραση των πραγματικών συνθηκών στις dc παραμέτρους φωτοβολταϊκών πλαισίων άμορφου πυριτίου (a-Si) και την επενέργειά τους στη διαστασιολόγιση φωτοβολταϊκού συστήματος. Συγκεκριμένα οι μετρήσεις έγιναν στο Πανεπιστήμιο Πατρών και το πλαίσιο είναι άμορφο πυρίτιο τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12. Ειδικότερα, μετρήσαμε την τάση φωτοβολταϊκού πλαισίου αμόρφου πυριτίου, το ρεύμα, την ηλιακή ακτινοβολία, την θερμοκρασία περιβάλλοντος και τις θερμοκρασίες στην πίσω και τη μπροστινή πλευρά του, σε διαφορετικές ώρες της ημέρας, διαφορετικές κλίσεις και καιρικές συνθήκες. Από τις μετρήσεις αυτές εξάγαμε συμπεράσματα και γραφικές παραστάσεις ρεύματος-τάσης (I-V) και ισχύος-τάσης (P-V) για κάθε μέτρηση. Στην συνέχεια υπολογίσαμε το βέλτιστο συντελεστή απόδοσης του πλαισίου και οδηγηθήκαμε σε συμπεράσματα για την ηλιακή ακτινοβολία η οποία όσο μεγαλύτερη είναι έχουμε και καλύτερη απόδοση του πλαισίου μας. Επίσης, μετρήσαμε τις διαστάσεις του Πανεπιστημιακού γυμναστηρίου και βρήκαμε το βέλτιστο αριθμό πλαισίων και τη βέλτιστη κλίση ώστε να τοποθετηθούν στο χώρο αυτό για να έχουμε τη βέλτιστη απόδοση. γίνεται μελέτη εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων αμόρφου πυριτίου τύπου Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12 στο Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο Πατρών και η δυνατότητα λειτουργίας αυτού με πλήρη αυτονομία ή με σύνδεσή του στο δίκτυο της ΔΕΗ. Όσον αφορά την πλήρη αυτονομία οδηγηθήκαμε στο συμπέρασμα ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά ανάμεσα στην επιφάνεια που έχουμε και στην επιφάνεια που χρειάζεται για να τοποθετηθούν τα Φ/Β πλαίσια έτσι ώστε να καλύπτεται πλήρως το Πανεπιστημιακό Γυμναστήριο. Στη συνέχεια έπειτα από τη μελέτη για το διασυνδεδεμένο σύστημα με το δίκτυο της ΔΕΗ υπολογίστηκε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι 51,7 MWh/έτος ή 1115 kWh/έτος/kWp για τα συγκεκριμένα Φ/Β πλαίσια και η απαιτούμενη εγκατεστημένη ισχύς PpΣ=46,4 kWp. Με τη χρήση του προγράμματος PVsol προέκυψε ότι η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι ίση με 46,73 kWh/έτος και ότι η εγκατάσταση θα παράγει τελικά 46,73 kWh/έτος *1450 Φ/Β πλαίσια = 67,7 MWh/έτος ή 1.460 kWh/έτος/kWp . Αξίζει να σημειώσουμε ότι οι πειραματικές μετρήσεις της συγκεκριμένης μελέτης αποτελούν ένα μέρος από τις απαιτούμενες μετρήσεις για την ολοκληρωμένη εφαρμογή με την οποία ασχοληθήκαμε στη παρούσα Διπλωματική εργασία. Τέλος, σειρά έχουν τα συμπεράσματα της διπλωματικής αυτής εργασίας και κατόπιν το παράρτημα όπου εκεί βρίσκονται οι μετρήσεις οι οποίες έγιναν για την δημιουργία των γραφικών παραστάσεων που θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω / This diploma thesis dealt with the effect of actual conditions in the dc parameters of solar panels amorphous silicon (a-Si) and their effects on diastasiologisi solar system. Specifically, measurements were made at the University of Patras and the framework is amorphous silicon type Scott Solar Gmbh ASi-F 32/12.Specifically, we measured the voltage of amorphous silicon photovoltaic panel, electricity, solar radiation, ambient temperature and temperatures in the back and front side, at different times of day, different slopes and weather conditions.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στη λειτουργία φωτοβολταϊκών κυττάρων, σε περιοχές μεσαίου γεωγραφικού πλάτους. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της γωνίας αυτής στη λειτουργία δύο ΦΒ πλαισίων ενός μονοκρυσταλλικού πυριτίου (sc-Si) και ενός δισεληνοϊδιούχου χαλκού (CIS). Τα πλαίσια τοποθετήθηκαν σε ταράτσα κτηρίου του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι μετρήσεις ξεκίνησαν τον Οκτώβριο του 2009 και ολοκληρώθηκαν το Σεπτέμβριο του 2010. Τα ΦΒ πλαίσια είχαν νότιο προσανατολισμό δεδομένου ότι τοποθετήθηκαν σε τόπο του βόρειου ημισφαιρίου με γεωγραφικό πλάτος 38ο 32’ . Κατά την πειραματική διαδικασία οι μετρήσεις γίνονταν σε πολλαπλές κλίσεις κάθε φορά και για τα δύο πλαίσια . Μετρήθηκαν το ρεύμα βραχυκύκλωσης, η τάση ανοιχτοκυκλώσεως, η θερμοκρασία πλαισίου και η ηλιακή ακτινοβολία. Υπολογίστηκε ο βαθμός απόδοσης , ο συντελεστή ποιότητας και η γωνία πρόσπτωσης, ανά κλίση ΦΒ πλαισίου. Υλοποιήθηκε αλγόριθμος για τον θεωρητικό υπολογισμό της βέλτιστης γωνίας κλίσης έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης να γίνεται ελάχιστη ανά χρονική στιγμή (μέγιστης παραγόμενης ενέργειας ) και έγινε σύγκριση της με τα πειραματικά αποτελέσματα. Διαπιστώσαμε πειραματικά την εξάρτηση της παραγόμενης ισχύος από την γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας . Επιπλέον μέσω της πειραματικής διαδικασίας υπολογίστηκε η βέλτιστη κλίση πλαισίων ανά εποχή για τόπους γεωγραφικού πλάτους ίδιου με τον τόπο των πειραματικών μετρήσεων . / -

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φίλμ (και συγκεκριμένα των πλαισίων άμορφου πυριτίου - a-Si - και CIS) και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ τους. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις, στο χώρο της ταράτσας του κτιρίου του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκά πλαίσια άμορφου πυριτίου και CIS ισχύος αιχμής 32 και 75 W αντίστοιχα. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός ημερολογιακού έτους (Μάιος 2009-Απρίλιος 2010) υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης, με σκοπό να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής τους συμπεριφοράς. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του μηχανήματος PVPM 2540C το οποίο αποτυπώνει τη χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης του προς μέτρηση πλαισίου για μια χρονική στιγμή (σε χρόνο δυο δευτερολέπτων περίπου), ενώ επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, καθώς και την κλίση τοποθέτησής τους. Επίσης μελετούσαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, διότι η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά εποχή καθώς και σε μία βέλτιστη κλίση τοποθέτησης για όλο τo χρόνο για την περιοχή της Πάτρας. Επιπλέον, υπολογίσαμε με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια την ετήσια ενεργειακή απόδοση του κάθε πλαισίου για όλο το έτος και συγκρίναμε τα παραγόμενα αποτελέσματα. Τέλος, με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol, κάναμε μια μοντελοποίηση του χρησιμοποιούμενου συστήματος για να συγκρίνουμε μ’ αυτή τα πειραματικά μας αποτελέσματα. / The aim of this diploma thesis is to understand deeply the operation of thin-film (specifically amorphous silicon and CIS ) modules and through the numerical data of measurements and calculations, to make a conclusion considering how the operation in real conditions can influence their produced power. Measurements of current and voltage have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering using an amorphous silicon and a CIS photovoltaic module of 32 and 75 W peak power respectively. The measurements took place once a week during one a year (May 2009-April 2010) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some tilt angles so that we acquire enough knowledge on their energy behaviour. The measurements were taken by the “pve PVPM 2540C“ device, which plots the characteristic curve of current and voltage of a module (in space of two seconds) and we also noted down the radiation, the ambient temperature, as well as the tilt angle of the modules. Moreover, we have tested how a possible natural shading from an adjacent object influences the characteristic I-V curve, and as a result the efficiency of the module. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, as Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal tilt angle of the modules per season as well as per year for Patras area. Moreover, we tried to calculate with the maximum possible accuracy, the annual energy yield by the two different types of modules and compare the results. Finally, by using the computer modelling system “PV*sol”, we tried to simulate our photovoltaic system, in order to compare the measured results to the experimental.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι μέσα από την πειραματική διαδικασία και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων να μελετηθούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια τεχνολογίας λεπτών φιλμ (Thin Films Photovoltaics-TFPV) που υπάρχουν διαθέσιμα στο εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του Πανεπιστημίου Πατρών στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών και να εξαχθούν συμπεράσματα που θα οδηγήσουν στην κατανόηση της λειτουργίας τους. Η ανάλυσή τους θα διευκρινίσει την λειτουργία τους και σε πραγματικές εφαρμογές. Επιπλέον θα γίνει προσπάθεια πειραματικής εξομοίωσης συνθηκών δοκιμής στους 25οC υπό ηλιακή ακτινοβολία 1000 W/m2 τονίζοντας ότι οι κατασκευαστικές πληροφορίες σε αυτές τις συνθήκες είναι ενδεικτικές και δεν εκφράζουν την συμπεριφορά των πλαισίων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Επίσης θα παρουσιαστεί η επίδραση της τοπικής σκίασης και της αύξησης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε μέρος ή και σε ολόκληρο το πλαίσιο που προκαλείται από ανάκλαση με τη βοήθεια κατόπτρου. Ειδικότερα παρουσιάζεται η κατάσταση της ενεργειακής πραγματικότητας σήμερα, οι προβληματισμοί για το περιβάλλον, η στροφή στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και η σημαντικότητα της ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκών στα κτήρια. Επίσης παρουσιάζεται η θεωρία της ηλιακής ενέργειας και των φωτοβολταϊκών συστημάτων με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Στην συνέχεια γίνεται αναφορά στη συνδεσιμότητα των φωτοβολταϊκών με την ΔΕΗ και στις ενεργειακές ανάγκες που μπορούν να καλύψουν σε μια κτηριακή εγκατάσταση. Αναλύονται τεχνικές λεπτομέρειες και χαρακτηριστικά μεγέθη των φωτοβολταϊκών στοιχείων καθώς και η εξέλιξη της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας ξεκινώντας από το πυρίτιο και καταλήγοντας στα Λεπτά Φιλμ και σε ακόμα νεότερες τεχνολογίες. Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της τεχνολογίας των λεπτών φιλμ προσανατολισμένη στην ενσωμάτωση τους σαν δομικά υλικά σε κατασκευές (BIPV-Building Integrated Photovoltaics).Στην πειραματική διαδικασία επεξηγείται η λογική που ακολουθήθηκε, η πειραματική διάταξη και τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν. Μελετώνται επίσης οι φωτοβολταϊκές παράμετροι και αναλύονται τα πειραματικά δεδομένα. Η ανάλυση γίνεται ως προς την ακτινοβολία, την θερμοκρασία και την εποχή του έτους. Τέλος, τα αποτελέσματα της ανάλυσης, (μέσο ένος προγράμματος στην γλώσσα προγραμματισμού C++), δημιουργούν μια βάση δεδομένων προσπελάσιμη από τον χρήστη για την πρόβλεψη και εξομοίωση των πειραματικών αποτελεσμάτων σε οποιοδήποτε συνδυασμό θερμοκρασίας και ακτινοβολίας. / The purpose of this diploma thesis is to study thin film photovoltaic panels that are available in the wireless communication laboratory in the University of Patras in the department of Electrical and Computer Engineering. Through the experimental process and processing its results our goal was to extract the conclusions that would lead us to a better understanding of their function. Their analysis will determine their usability in real outdoor PV systems. A simulation of the standard test conditions that are set in 250C temperature and 1000 W/m2 radiation is made, pointing out that this information is unable to indicate the actual function of the panels in outdoor conditions. The effects of partial shadowing and increased radiation with mirror system are also presented. More specifically, the energy reality, thoughts about the environment, the global turn towards the renewable energy sources and the significance of photovoltaic integration in buildings (BIPV- Building Integrated Photovoltaics) are mentioned. The theory of solar energy and photovoltaic technology including its advantages and disadvantages is analyzed. Grid-connected PV systems, their contribution in energy production in buildings and the potential of wide application of BIPV is presented. The advantages of thin film as BIPV materials are also mentioned. The experimental parameters, the logics followed in the set up process and the instruments used are part of the complete analysis of thin film parameters in relation to radiation, temperature and time of the year that the measurements occurred. Finally with a C++, a simulation program was created to predict the behavior of the thin film panels in outdoor conditions.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός προηγμένων υλικών για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις. Στα πλαίσια αυτής, επικεντρωθήκαμε στην ανάπτυξη και μελέτη μαγνητικών και ημιαγωγικών λεπτών υμενίων που βασίζονται σε οξείδια παραδοσιακών μετάλλων και ημιαγωγών. Ο μαγνητικός και οπτικός χαρακτηρισμός των υλικών αυτών υπό τη μορφή της νανοδομής του λεπτού υμενίου, αποκαλύπτουν νέες ιδιότητες με εξαιρετικά μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, έγινε καταρχήν ανάπτυξη πολυστρωματικών μαγνητικών υμενίων Ni/NiO, μονοστρωματικών ημιαγωγικών υμενίων Cu2O, CuO και NiO, όπως επίσης και μονοστρωματικών άμορφων μονωτικών υμενίων SiOx με ή και χωρίς ενσωματωμένες κβαντικές τελείες Si. Για κάθε σειρά υμενίων από τις κατηγορίες αυτές, έγινε μελέτη των μαγνητικών ή/και των οπτικών τους ιδιοτήτων. Τα υμένια Ni/NiO αναπτύχθηκαν σε διαφορετικά υποστρώματα με τη χρήση μιας μόνο κεφαλής magnetron sputtering και της μεθόδου της φυσικής οξείδωσης. Η διαστρωμάτωση του υλικού και η επαναληψιμότητα της μεθόδου αποδείχθηκαν εξαιρετικής ποιότητας. Για υμένια Ni/NiO με διαφορετικό πάχος στρώματος Ni έγινε εκτεταμένη μελέτη της εξάρτησης της μαγνήτισης και της ανισοτροπίας από τη θερμοκρασία. Βρέθηκε ότι τα υμένια με λεπτά στρώματα Ni εμφανίζουν τάση για κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, η οποία προέρχεται από την υπολογίσιμη θετική ανισοτροπία επιφανείας που επιδεικνύουν αυτά. Τα ημιαγωγικά υμένια οξειδίων του Cu και του Νi αναπτύχθηκαν μετά από οξείδωση υμενίων των αντίστοιχων μεταβατικών μετάλλων. Τα άμορφα μονωτικά υμένια SiOx αναπτύχθηκαν με τη τεχνική της “reactive” ιοντοβολής. Στη συνέχεια, μέρος αυτών οξειδώθηκε πλήρως μετά από θέρμανση σε θερμοκρασία 950 οC και σε περιβάλλον αέρα, ενώ κάποια άλλα υποβλήθηκαν σε θερμική αποσύνθεση μετά από θέρμανση σε συνθήκες κενού στους 1000 οC. Με τη διαδικασία της θερμικής αποσύνθεσης, όπως αποδεικνύουν και οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, σχηματίζονται νανοκρύσταλλοι Si ενσωματωμένοι σε άμορφη μήτρα οξειδίου του Si. Για τα υμένια των οξειδίων του Cu και του Ni μελετήθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας UV-VIS τα φαινόμενα κβαντικού περιορισμού που παρουσιάζουν αυτά. Βρέθηκε ότι σε κάθε περίπτωση εμφανίζεται μετατόπιση της ακμής απορρόφησης προς μεγαλύτερες ενέργειες, καθώς το πάχος του υμενίου μειώνεται και γίνεται συγκρίσιμο με την εξιτονική ακτίνα Bohr του αντίστοιχου υλικού. Τα υμένια SiOx βρέθηκε ότι μετά από τη διαδικασία της θερμικής τους αποσύνθεσης παρουσιάζουν φωτοφωταύγεια, η οποία προέρχεται από τις εξιτονικές επανασυνδέσεις στις κβαντικές τελείες Si που εμπεριέχονται σ’ αυτά. Από την εργασία στα πλαίσια αυτής της Διατριβής, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να μεταβάλλουμε τις ιδιότητες παραδοσιακών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα μέταλλα, οι κλασσικοί ημιαγωγοί και τα οξείδια αυτών, όταν αυτά αναπτύσσονται υπό τη μορφή νανοδομών. Οι νανοδομές αυτές μπορεί να εμφανίζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις με καινούργιες αλλά κι εντελώς ελεγχόμενες ιδιότητες. / The objective of this Thesis is the growth and the characterization of high tech materials which can be possible candidates for future applications in nanodevices. In the framework of the Thesis, we were mainly focused on the production and the study of magnetic and semiconducting thin films, which are based on oxides of metals and of conventional semiconductors. The magnetic and optical characterizations reveal that these materials, in the form of thin films exhibit new properties with exceptionally large technological interest. In more detail, magnetic Ni/NiO multilayers, semiconducting Cu2O, CuO and NiO thin films, as well as insulating amorphous SiOx thin films with or without embedded Si quantum dots, were produced. The magnetic and/or optical properties of each of the aforementioned thin film categories were studied and their impact on possible future applications was examined. The Ni/NiO multilayers were produced on various substrates with the aid of a single magnetron sputtering head and the natural oxidation process. The produced multilayers were of excellent layering and interface quality. An extended study of both the magnetization and the anisotropy as a function of the temperature and the varying Ni layer thickness was performed. It is found from the magnetic investigations, that the multilayers with thin Ni layers exhibit a trend for perpendicular magnetic anisotropy, which is attributed to the considerable positive surface anisotropy of the Ni/NiO interfaces. The semiconducting copper and nickel oxide thin films were produced via the oxidation of the corresponding metallic films. The amorphous SiOx films were fabricated via the reactive sputtering method. Part of the as deposited films was fully oxidized at 950 oC under the ambient air environment, whereas another part was thermally decomposed under vacuum conditions at 1000 oC. Electron microscopy investigations reveal that upon the thermal decomposition process of the films, embedded Si nanocrystals are formed in the amorphous matrix of the Si oxide. The Cu and Ni oxide films exhibited quantum confinement effects, which were studied via the UV-VIS spectroscopy. The recorded spectra reveal that the absorption edge shifts towards higher energies, as the layer thickness is reduced and becomes comparable with the excitonic Bohr radius of the material. The Si oxide thin films, after the thermal decomposition treatment are found to exhibit photoluminescence at the region between 1.3 and 1.5 eV which is originated to the excitonic recombination in the embedded Si quantum dots. Finally, it is deduced that conventional materials like metals, semiconductors and the oxides of them, can exhibit new properties when they are prepared in the form of nanostructure. These nanostructures can attract a lot of interest for possible applications in nanodevices with new but completely controllable properties.

The present work is a theoretical ab initio study of silicon (mainly) and silicon-based or “silicon-like” Nanocrystals and nanostructures, such as core/shell quantum dots and ultra-thin nanowires of Si, Ge, and Sn. The main focus is on the quantum confinement of Si quantum dots and the description of their structural, cohesive, electronic, and optical properties in terms of size, growth pattern and surface conditions. An important outcome of such study, besides the very satisfactory agreement with experimental measurements for nanocrystals (up to 32 Å in diameter), is the judicious extrapolation of the nanoscale results all the way to infinite silicon crystal, and the successful comparison with experiment (for both the energy gap and the cohesive energy of crystalline silicon). This is an additional verification for the essential correctness of our approach. Our present results, which are based on earlier findings of prof. Zdetsis’ group for spherical Si quantum dots, are in full agreement with those results and predictions. We have expanded our study to selective cases of pure C, Ge, Sn and their mixed nanocrystals and nanowires. Thus, the classes of systems studied here include: a) Silicon quantum dots terminated by hydrogen of three different growth models (spherical, elongated, and reconstructed) without and with oxygen “contamination” of four different modes (double bonds, bridging single bonds, hydroxyl formation and mixed modes). b) Analogous quantum dots, pure and mixed (core/shell) of C, Si, Ge, and Sn. c) Ultrafine silicon and germanium nanowires of various growth patterns. The majority of this work is based in density functional theory (DFT), both ground state and time-depended, using in most cases the hybrid functional of Becke, Lee, Parr and Yang (B3LYP), and in several places the PBE and PBE0 functionals. A limited number of calculations was performed with post SCF methods, such as many-body perturbation theory (MP2) or Coupled cluster CCSD(T), for comparison. For the study of Si and Ge nanowires we have also used properly selected (and tested) semiempirical methods and calculations. These theoretical methods and techniques are reviewed in considerable detail in the first three chapters (Part I) of the present thesis. The results of the calculations are discussed in Part II, divided in three Chapters (4-6). Chapter 4 is devoted to the structural, electronic, cohesive and elastic properties of ultrafine hydrogenated silicon and germanium nanowires. Chapter 5 describes the influence of the growth patterns and surface conditions on structural, cohesive, and electronic properties of silicon nanocrystals, as well as their size dependence all the way to infinity. This (very successful) size dependence, in full accord with quantum confinement, is also compared with the (poor) predictions of the BOLS correlation scheme. Finally, Chapter 6 deals with carbon, silicon, germanium, tin and their mixed core/shell quantum dots. / --

Στην εργασία αυτή μελετάμε μια σειρά από αντιπροσωπευτικά νανοφασικά συστήματα πυριτίου, στο πλαίσιο κοινών ιδιοτήτων και αρχών που θα βοηθήσουν σε μελλοντικές εφαρμογές σχεδιασμού μοριακών υλικών βασισμένων σε αυτά τα συστήματα. Οι κατηγορίες των συστημάτων με τα οποία ασχολούμαστε είναι (α) υδρογονωμένα και μη-υδρογονωμένα νανοσυσσωματώματα και νανοκρυσταλλικά συστήματα πυριτίου με ή χωρίς ενσωματωμένα μέταλλα μετάπτωσης, που αποτελούν χαρακτηριστικά μοντέλα ενδοεπιφάνειας μετάλλου−ημιαγωγού, (β) υπέρλεπτα υδρογονωμένα νανοσύρματα πυριτίου και (γ) οργανομεταλλικά πολλαπλών στρώσεων (multidecker-sandwiches) πυριτίου−άνθρακα. Εκτός από τη μελέτη των δομικών, ηλεκτρονικών, οπτικών, δονητικών και μαγνητικών ιδιοτήτων των συστημάτων, εστιάζουμε στην αναζήτηση μηχανισμών σταθεροποίησης και την εύρεση και καθορισμό κανόνων που μπορούν να λειτουργήσουν ως «εργαλεία μοριακού σχεδιασμού» με τη γενικότερη δυνατή ισχύ. Τα συσσωματώματα πυριτίου σταθεροποιούνται μέσου των μετάλλων μετάπτωσης σε δομές κλωβού και χαρακτηρίζονται συχνά από υψηλή συμμετρία και μεγάλα ενεργειακά χάσματα, ιδιότητες επιθυμητές για εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική και νανοηλεκτρονική. Στη μελέτη των νανοσυρμάτων πυριτίου συγκρίνουμε την σταθερότητα μεταξύ νανοσυρμάτων με διαφορετικές επιφανειακές δομές ενώ διατυπώνουμε κανόνα «μαγικότητας» νανοσυρμάτων με τον οποίο ερμηνεύουμε την σταθερότητά τους και την συνδέουμε με την ελαστικότητα και την κατανομή υδρογόνου στην επιφάνεια τους. Τέλος, βασιζόμενοι στην ισολοβική αρχή the boron connection, σχεδιάζουμε και μελετάμε μια νέα κατηγορία νανοδομών τύπου multidecker sandwiches οργανοπυριτίου. Στη διάρκεια εκπόνησης αυτής της διατριβής δημοσιεύτηκαν συνολικά 19 εργασίες σε διεθνή περιοδικά και σε πρακτικά συνεδρίων. / In this work we study a series of representative nanoscale systems based on silicon, in the context of common properties and principles which will assist in future applications in designing molecular materials based on these systems. The categories of the systems which we work on are (a) hydrogenated and non-hydrogenated silicon nanoclusters and nanocrystallic systems with or without embedded transition metals, which constitute models of metal−semiconductor interfaces, (b) ultrathin hydrogenated silicon nanowires and (c) organometallic silicon−carbon multidecker-sandwiches. In addition to the study of structural, electronic, optical, vibrational and magnetic properties of these systems, we focus on a search for stabilizing mechanisms and in finding and defining rules that can function as “molecular designing tools” with the broadest possible validity. The silicon nanoclusters are stabilized to cage-like structures by the insertion of transition metals and are characterized by high symmetry and large energy gaps, desirable properties for applications in optoelectronics and nanoelectronics. In the study of silicon nanowires we compare the stability between nanowires with different surface structures while we formulate “magicity” rules for nanowires with which we interpret their stability and associate it with their elasticity and the distribution of the surface hydrogen. Finally, based on the isolobal principle the boron connection, we design and study a new class of organometallic multidecker-sandwich type nanostructures. During the elaboration of this dissertation we published overall 19 papers in international scientific journals and conferences’ proceedings.