- / -

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας, η οποία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του Πανεπιστημίου Πατρών, είναι η εξέταση του φαινομένου της υποβάθμισης των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων φωτοβολταϊκών πλαισίων πυριτίου. Στα πλαίσια αυτά πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε πλαίσια πολυκρυσταλλικού και μονοκρυσταλλικού πυριτίου με κατάλληλη πειραματική διάταξη εγκατεστημένη στην οροφή του κτιρίου του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Πραγματοποιήσαμε ημερήσιες μετρήσεις, σε ηλιόλουστες ημέρες,και για μεγάλο χρονικό διάστημα έτσι ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν περισσότερα δεδομένα κατάλληλα για επεξεργασία. Ο έλεγχος για πιθανή υποβάθμιση (PID) βασίστηκε σε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων σε διάρκεια τριών ετών και σε ανάλυση αυτών με βάση δύο συγκεκριμένα μοντέλα ερευνητών. Συγκεκριμένα στη σύγκριση τριών ετών ο έλεγχος πραγματοποιήθηκε για παραπλήσιες τιμές προσπίπτουσας ακτινοβολίας και θερμοκρασίας των πλαισίων. Οι συγκρίσεις βάσει των μοντέλων των ερευνητών πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τα πρότυπα της κάθε μεθόδου. Στο μοντέλο Kahoul συγκρίναμε τα πειραματικά μας δεδομένα σε STC συνθήκες με βάση τα δεδομένα του κατασκευαστή. Στην συνέχεια εξετάσαμε την εφαρμογή του μοντέλου Martinez-Moreno επεκτείνοντας το σε ένα μόνο πλαίσιο που λειτουργεί σε συγκεκριμένες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Υπήρξαν περιορισμοί όμως σε εξειδικευμένο τεχνολογικό υλικό και αδυναμία εύρεσης περισσότερων παλαιών μετρήσεων κατάλληλων για σύγκριση ώστε να μπορέσουμε να παρουσιάσουμε περισσότερους τρόπους ελέγχου. Τα συμπεράσματα που εξήχθησαν συνηγορούν στην άποψη, η οποία έχει εκφραστεί και από αρκετούς ερευνητές, ότι τέτοια πλαίσια όταν λειτουργούν υπό αυτές τις συνθήκες δεν υφίστανται εμφανή υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους, σε μικρό τουλάχιστον χρονικό διάστημα. / The purpose of this thesis, undertaken within the Wireless Communications Laboratory, University of Patras, is to examine the phenomenon of silicon photovoltaic module’s degradation. The experimentation field was held in the roof of the building of Electrical and Computer Engineering department. A polycrystalline and a monocrystalline solar module were used for this study. During the experiments, we tried to make daily measurements on sunny days, so we can collect as much data as possible for appropriate elaboration. Testing for possible degradation was based on a simple comparison of experimental results over three years. In addition, an evaluation of experimental results was held based on two specific researchers’ models. In particular, three years comparing control performed for similar values of incident radiation and temperature of the modules. The comparisons of models based on researchers performed according to the standards of each method. In order to apply the model Kahoul we compared our experimental data at STC conditions with the manufacturer's data. Then we examined the application of the model of MartinezMoreno, by extending it on a single module that works in well defined conditions of radiation and temperature. However, the limitations in our specialized materials technology and the weakness finding more old measurements suitable for comparison did not allow us to apply other methods of control. The conclusions drawn advocate the view, that has been expressed by several researchers, that such modules when operating under these conditions do not appear degradation of their properties, at least in short time.

Οι φωτοπολλαπλασιαστές Πυριτίου (Silicon Photomultipliers, SiPMs) είναι ελκυστικοί υποψήφιοι για την αντικατάσταση των φωτοπολλαπλασιαστών στην πυρηνική ιατρική απεικόνιση. Οι SiPMs είναι συμπαγείς και μικρού μεγέθους, εξασφαλίζουν υψηλό κέρδος με χαμηλή τάση πόλωσης, ενώ έχουν γρήγορη απόκριση. Επιπλέον, δεν επηρεάζονται από τα ισχυρά μαγνητικά πεδία, γεγονός που επιτρέπει τη χρήση τους στο γοργά αναπτυσσόμενο πεδίο του PET-MRI. Ωστόσο, η ανάπτυξη πρωτότυπων μικρών ανιχνευτικών διατάξεων που βασίζονται στους SiPMs παρουσιάζει μεγάλες σχεδιαστικές απαιτήσεις, εφόσον είναι απαραίτητη η αποδοτική σύζευξη του σπινθηριστή και του SiPM, όπως επίσης και η βελτιστοποίηση της ενίσχυσης και ψηφιοποίησης του σήματος. Σε αυτή την εργασία εξετάστηκε η λειτουργικότητα τριών βασικών μονάδων SiPM της εταιρίας SensL κατά τη σύζευξή τους με διάφορους ανιχνευτές σπινθηρισμού, κατάλληλους για συστήματα SPECT και PET. Ως ραδιενεργές πηγές χρησιμοποιήθηκαν τα ισότοπα 99mTc, 111In και 18F. Το σύστημα ανάγνωσης-επεξεργασίας των λαμβανόμενων σημάτων απαρτίζεται από ένα κύκλωμα προενισχυτή της εταιρίας SensL, ενισχυτή και ADC τύπου ΝΙΜ καθώς και το λογισμικό MPA/WIN, το οποίο διαβάζει δεδομένα από μια κάρτα PCI. Οι παράμετροι που μετρήθηκαν είναι το σχήμα του εξερχόμενου παλμού, ο ρυθμός σκότους (Dark Count Rate, DCR), η ανιχνευτική ικανότητα, η γραμμικότητα και η ενεργειακή διακριτική ικανότητα του συστήματος για διαφορετικές τάσεις πόλωσης (Vbias) και ενέργειες φωτονίων γ. Η βέλτιστη ενεργειακή διακριτική ικανότητα για την ενέργεια των 511 keV ήταν 11%, η οποία αυξάνεται στο 23% για ενέργεια 140 keV. Η τάση πόλωσης επηρεάζει ισχυρά το πλάτος του εξερχόμενου παλμού, ενώ η διάρκεια του παλμού παρουσίασε μικρότερες διακυμάνσεις. Η σχετικά αργή χρονική απόκριση των ενισχυτών NIM περιόρισε τη δυνατότητα μετρήσεων σε όλους τους διαθέσιμους σπινθηριστές, αλλά έδωσε το κίνητρο του σχεδιασμού και της κατασκευής στο εργαστήριο νέων κατάλληλων κυκλωμάτων ενίσχυσης και ψηφιοποίησης γρήγορων παλμών. / Silicon Photomultiplier (SiPMs) detectors are attractive candidates for the replacement of Photomultipliers in nuclear imaging. They are compact, they provide high gain with low bias voltage and have fast response. In addition strong magnetic fields don’t influence them, which allows their use in the emerging field of PET-MRI. The development of small prototypes based on SiPMs has several design challenges, since it is necessary to optimize scintillator and SiPM coupling, as well as signal amplification and digitization. In this work we have investigated the performance of three basic SiPM modules constructed by SensL corporation coupled to various scintillator detectors, suitable for SPECT and PET systems. The radioactive sources that we used were 99mTc, 111In and 18F. The readout system includes the SensL preamplifier circuit, a NIM amplifier and ADC and MPA/WIN software. The parameters that have been measured are output pulse shape, dark count rate (DCR), detection efficiency, linearity and energy resolution for different bias voltages (Vbias) and energies. Best energy resolution for 511keV was 11% and was increased to 23% for 140keV. Vbias strongly affects output pulse amplitude, while time duration has smaller variations. The performance of a custom amplifier is presented and further optimizations in readout electronics are discussed.

Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου συνδυάζει χαμηλό κόστος παραγωγής, μικρό χρόνο ενεργειακής απόσβεσης και χαμηλές απαιτήσεις σε πρώτες ύλες. Ωστόσο, μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου καθιστουν την τεχνολογία αυτή λιγότερο ανταγωνιστική σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου. Για να αυξηθεί η απόδοση χρησιμοποιούνται περισσσότερα ενεργά στρώματα οδηγώντας σε φωτοβολταϊκά πολυεπαφών. Συνδυάζοντας άμορφο και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα περίπου 1.7eV και 1.1eV αντίστοιχα προκύπτει η διάταξη a-Si/μc-Si. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτενώς το φωτοβολταϊκό a-Si/μc-Si, το οποίο αναφέρεται και ως micromorph. Μελετώνται τα χαρακτηριστικά των ενεργών υλικών από τα οποία αποτελείται και οι ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας φωτοφολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου και οι διαφορές της με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Μελετάται επίσης η δομή της διάταξης a-Si/μc-Si και η έρευνα που αφορά τις τεχνικές βελτιστοποίησής της και την αύξηση της απόδοσης. Στη συνέχεια γίνεται πειραματική μελέτη για τις επιδόσεις ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου a-Si/μc-Si σε συνθήκες εξωτερικού χώρου, σε σύγκριση με φωτοβολταϊκά πλαίσια άλλων τεχνολογιών πυριτίου, ενός μονοκρυσταλλικού και ενός άμορφου. Το πλαίσιο a-Si/μc-Si της εταιρείας Heliosphera που μελετήθηκε έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του σε πρότυπες συνθήκες βρέθηκε ίση με 8.14% με μια μείωση 8.5% από την αρχική απόδοση. Μελετήθηκε η εξάρτηση της επίδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης, τη θερμοκρασία και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η μείωση της απόδοσης του πλαισίου a-Si/μc-Si με την αύξηση της αέριας μάζας, κάτι που παρατηρήθηκε και για το πλαίσιο αμόρφου πυριτίου. Η μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες εξωτερικού χώρου θα οδηγήσει στην κατανόηση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών και στη σημασία των κλιματολογικών συνθηκών ενός τόπου στην επιλογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων για κάποια εγκατάσταση. / Thin film silicon photovoltaic technology combines low production cost, short energy payback time and low demands of raw materials. However, drawbacks as low efficiency and light induced degradation make this technology less competitive in regard to crystalline silicon solar cells. In order to increase the efficiency, more active layers are used leading to multijuction photo voltaics. Combining amorphous and microcrystalline silicon with energy bandgap of 1.7eV and 1.1eV correspondingly, results in the device a-Si/μc-Si.. In this work a-Si/μc-Si, which is also referred as micromorph, is thoroughly presented. The characteristics of its active materials and the properties required for device quality layers are studied. The specific properties of thin film silicon photovoltaics are presented along with the differences with other technologies. The structure of the a-Si/μc-Si device and the research for its optimization techniques and efficiency increase are also studied. An experimental study takes place for the performance of an a-Si/μc-Si photovoltaic module in outdoor conditions, in comparison with other silicon photovoltaic technologies, as monocrystalline and amorphous silicon. The module a-Si/μc-Si of the company “Heliosphera” that was studied has undertaken the prospective light induced degragation and its efficiency in standard conditions was 8.14% with a reduction of 8.5% from the initial efficiency. The performance of the photovoltaic modules was studied under the effect of shifts in the angle of incidence, temperature changes and changes in the solar irradiation intensity. The reduction in the efficiency of the a-Si/μc-Si module with the increase of the air mass was experimentally confirmed and was also verified for the amorphous silicon module. The study of photovoltaic modules in outdoor conditions will lead in better understanding the differences among various technologies and the effect of the climate conditions of a location on the choice of the photovoltaic modules for an installation.

Τα λύματα είναι επικίνδυνα για το πληθυσμό και το περιβάλλον γι’αυτό είναι απαραίτητη η επεξεργασία τους πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες. Η συγκέντρωση του φωσφόρου και του αζώτου αυξάνεται σημαντικά στα λύματα τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα θρεπτικά συστατικά ευθύνονται άμεσα για τον ευτροφισμό. Αυτό που χρειάζεται δεν είναι μόνο η ελαχιστοποίηση του φωσφόρου αλλά και η ανακύκλωση του. Μια νέα μέθοδος απομάκρυνσης του φωσφόρου ως ανακυκλώσιμο προϊόν είναι η κρυσταλλοποίηση του στρουβίτη. Τα πλεονεκτήματα αυτής της ανάκτησης είναι η ταυτόχρονη και αποδοτική μείωση του P και του N, η χρήση του στρουβίτη ως βραδέως αποδεσμευόμενου λιπάσματος, η εξοικονόμηση πρώτων υλών και η εφαρμογή για την σταθεροποίηση αμμωδών η χαλαρά συνδεδεμένων εδαφών. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη κινητικής της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου, η διερεύνηση του ετερογενούς σχηματισμού στρουβίτη σε υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και κάποιες δοκιμές συσσωμάτωσης άμμου, σίλικας και ανθρακικού ασβεστίου σε κλίνες. Μελετήθηκε η κινητική της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου σε συνθήκες pH κοντά στο 9.0 χωρίς υπόστρωμα, με υπόστρωμα, και σε σταθερό υπερκορεσμό παρουσία υποστρώματος. Το υπόστρωμα το οποίο χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα ήταν σε όλες τις περιπτώσεις σίλικα. Στην παρούσα μελέτη τα υπέρκορα διαλύματα περιλάμβαναν μόνον ισομοριακές συγκεντρώσεις των ιόντων MgP 2+ P, POB4PB 3- P και NHB4PB + P τα οποία και αντιστοιχούν στο καταβυθιζόμενο στερεό. Στους 25P ο PC και σε ποσότητες υποστρώματος 0.05, 0.1, 0.2 g καταβυθίζονται λευκοί ορθορομβικοί κρύσταλλοι στρουβίτη. Βρέθηκε ότι οι χρόνοι επαγωγής οι οποίοι προηγούνται του σχηματισμού των υπερκρίσιμων πυρήνων αυξάνονται απότομα με την μείωση του υπερκορεσμού των διαλυμάτων. Στα πειράματα pH≈9.0 κατά την διάρκεια της καταβύθισης, παρουσία σίλικας οι συγκεντρώσεις μαγνησίου και φωσφορικών ελαττώνονταν ενώ στα πειράματα σταθερού υπερκορεσμού παρέμεναν σχεδόν σταθερές με αποτέλεσμα την συνεχή ανάκτηση φωσφόρου πάνω στο υπόστρωμα. Από την ανάλυση των φασμάτων για τα στερεά που σχηματίσθηκαν σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού διασπιστώθηκε ότι σχηματίσθηκε αποκλειστικά στρουβίτης. Και στις τρεις σειρές πειραμάτων προσδιορίσθηκε ο αριθμός των δομικών μονάδων που αποτελούν τον κρίσιμο πυρήνα στο στάδιο της πυρηνογένεσης. Χωρίς υπόστρωμα βρέθηκε 10.0 ενώ με υπόστρωμα βρέθηκε 7.0. Αυτό οφείλεται στο ότι η παρουσία υποστρώματος βοηθά στο σχηματισμό των κρίσιμων πυρήνων του κρυστάλλου. Επίσης βρέθηκε ότι η εξάρτηση του ρυθμού σχηματισμού στρουβίτη από την ποσότητα του υποστρώματος δεν συνηγορεί στην υπόθεση της δευτερογενούς πυρηνογενέσεως λόγω της μείωσης του ρυθμού αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος. Το αποτέλεσμα αυτό σε συνδυασμό με την αύξηση των χρόνων επαγωγής αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος, οδηγεί στην εύλογη υπόθεση περί επιβραδυντικής δράσης του υποστρώματος λόγω μόλυνσης η οποία πιθανόν να απελευθερώνεται στο διάλυμα. Σε χαμηλότερους βαθμούς υπερκορεσμού, θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση της ποσότητας του υποστρώματος στον χρόνο επαγωγής ο οποίος απαιτείται για τον σχηματισμό του υπερκρίσιμου πυρήνα στρουβίτη. Στις συνθήκες αυτές η ανάπτυξη του στρουβίτη γίνεται επιλεκτικά στο υπόστρωμα της σίλικα. Τώρα όσο αφορά τα πειράματα με τις κλίνες από ανοξείδωτο χάλυβα είχαμε μόνο τη δημιουργία στρουβίτη στην κλίνη που περιείχε άμμο. Στις κλίνες από πλαστικό τα πειράματα έδειξαν ότι ναι μεν γίνεται εναπόθεση πρισματικών κρυσταλλιτών στρουβίτη στους κόκκους όλων των υποστρωμάτων αλλά οι ποσότητες οι οποίες σχηματίσθηκαν ήσαν πολύ μικρές σε βαθμό ώστε να μη είναι δυνατή η ταυτοποίηση των σχηματιζόμενων κρυσταλλικών στερεών με φυσικοχημικές μεθόδους όπως η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ. / It is known that waste water are dangerous also for population and environment. That is the reason why their treatment considers being necessary before their disposal to water bodies. In recent years, concentrations of nitrogen and phosphorous in waste water increased significantly. Large quantities of these nutrients present in waste water is one of the main causes of eutrophication. The solution to this problem could not only be the reduction of phosphorous concentration in wastewater but also it’s recycle. A new method for phosphorous removal as a recyclable product is the strouvite’s crystallization. Some of the advantages of strouvite’s recovery are: the simultaneous and effective reduction of phosphorous and nitrogen, the use of strouvite as a slow-release fertilizer, the saving of raw materials in the fertilizer industry and it’s application for stabilization of sand or corrosive soil. This review studies, the kinetics of the spontaneous precipitation of struvite in aqueous solution of synthetic waste water, the examination of heterogeneous formation of struvite in substrate of SiOB2B and some tests of incorporation of sand, silica and CaCOB3B in beds. Τhe kinetics of spontaneous precipitation of struvite in a water solution of synthetic waste water was also investigated in pH ~ 9.0 without substrate, with substrate and in constant super saturation with presence of substrate. The substrate that was used in all experiments was silica. In present essay the supersaturated solutions contained only stoichiometric concentrations of MgP 2+ P, POB4PB 3- P and NHB4PB + P ions, with corresponding to the sinked solid body. At 25P ο PC temperature and 0.05, 0.1, 0.2 g of substrate, white orthorhombic crystalline struvite were precipitated spontaneously. It was found that induction times preceding to the formation of the critical cells rise dramatically with the reduction of supersaturation of the solutions. In experiments that took place with the presence of silica, where pH≈9.0, during precipitation, the concentrations of MgP 2+ P, POB4PB 3- P ions reduced while in experiments of steady supersaturation concentrations were almost unchanged resulting to continuous recovery of phosphorous on the substrate. From spectra analysis of the formed solids in conditions of steady supersaturation was found that the only product was strouvite. In all three series of experiments was specified the number of the structural units consisting the critical cell in the stage of cell formation. In experiments without substrate was found 10.0 while in experiments with substrate was found 7.0. This can be easily explained, as it is known that the presence of substrate helps in the formation of critical cells of the crystals. As far as it concerns the experiments with bed from stainless steel, struvite was formed only in bed, which contained sand. In beds made of plastic, experiments showed that we have deposition of strouvite crystals in all substrate, but produced quantities were so small that the identification of solid crystals with physico chemical methods such us X-ray diffraction patterns (XRD), was not possible. It was found that the relationship between formation rate of struvite and the quantity of substrate, does not stand up for the hypothesis of secondary cell formation, because of the reduction of the rate, increasing the quantity of the substrate. Above result, in combination with rise of the induction time, and the quantity of the substrate, leads to the hypothesis for retardant act of the substrate, because of contamination. In smaller grade of supersaturation it was not observed significant influence of the quantity of the substrate, to the induction time. In that condition, the upgrowth of struvite is selectively to the silica substrate.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η κατασκευαστική δομή και η λειτουργική συμπεριφορά ημιαγωγικών στοιχείων από καρβίδιο πυριτίου (SiC). Συγκεκριμένα, σε μια πρώτη φάση πραγματοποιείται διεξοδική βιβλιογραφική μελέτη των άρθρων που σχετίζονται με το ημιαγωγικό στοιχείο ισχύος SiC JFET και ειδικότερα η διερεύνηση των ιδιοτήτων του εκείνων που το καθιστούν ανώτερο σε σχέση με άλλα ημιαγωγικά στοιχεία ισχύος από πυρίτιο (Si) ή από SiC, για διακοπτικές εφαρμογές μεγάλης ισχύος και θερμοκρασιών, σύμφωνα με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις. Σε μια δεύτερη φάση, η διπλωματική εργασία αυτή πραγματεύεται την κατασκευή δύο μετατροπέων ανύψωσης τάσης τύπου boost: ο ένας κατασκευάζεται για βέλτιστη λειτουργία με συμβατικά ημιαγωγικά στοιχεία από πυρίτιο (Si MOSFET και Si pn δίοδος), ενώ ο δεύτερος είναι πανομοιότυπος με τον πρώτο με την ουσιαστική διαφορά ότι τα ημιαγωγικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι από καρβίδιο πυριτίου. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται ένα SiC JFET και μία SiC δίοδος Schottky. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αρχικά γίνεται μια μικρή εισαγωγή στις ιδιότητες του SiC ως υλικού προς χρήση για κατασκευή ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και συγκρίνεται με το Si. Επίσης εξάγονται οι λόγοι εκείνοι που, σύμφωνα με τη βιβλιογραφική μελέτη, καθιστούν το JFET ισχύος ως το καταλληλότερο για να κατασκευαστεί από SiC. Στη συνέχεια γίνεται εμβάθυνση στη λειτουργική συμπεριφορά του SiC JFET, δηλαδή μελετώνται τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την αγωγή, την αποκοπή και τη μεταβατική του λειτουργία, όπως και η σημασία άλλων ιδιαιτεροτήτων της δομής του που επιδρούν σε αυτήν. Ακολούθως, αποτυπώνονται και μελετώνται 3 βασικές δομές SiC JFET, αναφέρονται τα χαρακτηριστικά τους και επισημαίνονται οι διαφορές τους. Έπειτα, γίνεται αναφορά στην ιδιαιτερότητα των SiC JFET να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγής όταν δεν παλμοδοτούνται (normally-on), όπως και στους διακόπτες συνδεσμολογίας σε σειρά (cascode). Στη συνέχεια, καταγράφονται εφαρμογές ισχύος στις οποίες τα SiC JFET βρίσκουν χρήση. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή των δύο μετατροπέων boost. Πιο συγκεκριμένα τίθενται οι συνθήκες λειτουργίας που καλούνται να εκπληρώσουν, διαστασιολογούνται τα παθητικά στοιχεία τους και σχεδιάζονται τα κυκλώματα ελέγχου και παλμοδότησης της πύλης. Τέλος, γίνονται μετρήσεις στους δύο μετατροπείς και λαμβάνονται αποτελέσματα που αφορούν τις απώλειες και το βαθμό απόδοσης, απ’ τα οποία εξάγονται χαρακτηριστικές καμπύλες για τον κάθε μετατροπέα. / In this diploma thesis, a bibliographical study of the Silicon Carbide (SiC) power JFET's operational behaviour is conducted. The SiC JFET exhibits such operational properties that help to establish it as an advanced power device, in comparison to other Silicon (Si) and SiC power devices. The SiC JFET is a favorable option for high voltage, high power and high temperature switching applications. Once the bibliographical part is conducted, the design and implementation of a 500 W dc/dc boost converter is discussed and analyzed, that employs a SiC VJFET and a SiC Schottky Barrier Diode (SBD. This converter is compared with an identical, more conventional boost converter that uses a Si MOSFET and a Si pn diode, in terms of efficiency and voltage step-up ratio.

Ένας συναρπαστικός τομέας της σύγχρονης έρευνας είναι αυτός των νάνο-συνθέτων υλικών. Το πεδίο αυτό περιλαμβάνει τη μελέτη πολυφασικών υλικών, στα οποία μία ή περισσότερες από τις χωρικές διαστάσεις κάποιας φάσης βρίσκεται στην περιοχή των νανομέτρων (1 nm = 10-9 m = 10 ). Αυτό που ξεχωρίζει τα νανοσύνθετα από τα άλλα συμβατά σύνθετα υλικά είναι η ικανότητα τους να συνδυάζουν ιδιότητες, οι οποίες είναι απαγορευτικές για τα παραδοσιακά υλικά, αλλά και η μεγάλη λειτουργικότητα που παρουσιάζουν. Η εισαγωγή των νάνο-σύνθετων υλικών και οι πολλές επιστημονικές μελέτες που έγιναν τα τελευταία χρόνια στόχευαν και προσδοκούσαν σε μία δραματική βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων, πράγμα που πολλές φορές δεν επαληθεύθηκε. Τα νάνο-σύνθετα πολυμερικής μήτρας των οποίων η θερμομηχανική συμπεριφορά μελετήθηκε περισσότερο είναι τα συστήματα που περιέχουν ως εγκλείσματα νάνο-σωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes), νάνο-σωματίδια αλούμινας και στρωματικά άλατα πυριτίου (layered silicates). Στις μέρες μας υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της διηλεκτρικής συμπεριφοράς και αγωγιμότητας των νάνο-σύνθετων πολυμερικής μήτρας - ανόργανων νάνο-εγκλεισμάτων. Στην παρούσα εργασία εξετάσθηκε η διηλεκτρική απόκριση των συστημάτων: (α) πολυμερικής μήτρας (polyurethane rubber, PU) και νάνο-σωματιδίων αλούμινας (alumina- boehmite), (β) πολυμερικής μήτρας (PU ή Natural Rubber, NR ή PU/NR) με στρωματικά άλατα πυριτίου (layered silicates), με παραμέτρους την περιεκτικότητα σε νανοεγκλείσματα, τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διηλεκτρική φασματοσκοπία (Broadband Dielectric Spectroscopy) έχει αποδειχθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα της μοριακής κινητικότητας, των αλλαγών φάσεων, τους μηχανισμούς αγωγιμότητας και τα διεπιφανειακά φαινόμενα στα πολυμερή και τα σύνθετα πολυμερικά συστήματα. Η διηλεκτρική απόκριση των νάνο-συνθέτων εξετάστηκε με τη βοήθεια της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (BDS) στο εύρος συχνοτήτων 10-1-10 6 Hz και στο εύρος θερμοκρασιών από -100οC έως +70οC. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τέσσερις διακριτοί τρόποι χαλάρωσης καταγράφηκαν στα φάσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν και αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (IP) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην υαλώδη μετάβαση (α-mode) των πολυμερών NR και PU, στην κίνηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-mode) των αλυσίδων του PU και σε τοπικές κινήσεις εύκαμπτων τμημάτων των αλυσίδων του PU (γ–mode). Στο σύστημα πολυουρεθάνης (PU)–νάνο-σωματιδίων αλούμινας ερευνήθηκε η επίδραση του μέσου μεγέθους των σωματιδίων στην ηλεκτρική απόκριση των υλικών. Από τα αποτελέσματα φαίνεται πως η μείωση του μέσου μεγέθους των νάνο-εγκλεισμάτων οδηγεί σε αύξηση της διεπιφάνειας και των αντίστοιχων φαινομένων που τη συνοδεύει. Τέλος, από τη θερμοκρασιακή εξάρτηση της θέσεως των κορυφών διηλεκτρικών απωλειών, κάθε διεργασίας, προσδιορίστηκαν οι αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης. / The impact of nano-materials and nano-structured materials is well known in our days. Nano-composites consists an exciting modern field of scientific research. Nano-composites are multiphase materials where at least one of the dimensions of the reinforcing phase is in nano-scale. The main difference of nano-composites with compatible composites is their ability to achieve superior performance at a very low concentration of the filler. The majority of the active or potential applications of nano-systems is based on their thermo-mechanical behaviour, flame resistance and electrical properties. Under this point of view nano-composites exhibit properties or functions, which seem to be prohibited for traditional materials. Recently, there is an increased interest in studying the dielectric behaviour of polymer matrix – inorganic nano-filler composites. Polymer matrix nano-composites are expected to be useful in replacing conventional insulating materials providing tailored performance, by simply controlling the type and the concentration of nano-inclusions. In the present study is investigated the dielectric behaviour of composites consisted of a polymer matrix and inorganic nano-filler. Natural rubber (NR) and polyurethane rubber (PU) as well as their blend are used as matrices. Nano-composites were prepared by adding synthetic layered silicates (LS) via the latex compounding route. Further, the dielectric response of polyurethane rubber – alumina particles nano-composites, varying the mean particle diameter, is also examined. The dielectric properties of all systems are studied with parameters the temperature and the frequency of the applied field. Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) has been proved to be a powerful tool for the investigation of molecular mobility, phase changes, conductivity mechanisms and interfacial effects in polymers and complex systems. The dielectric response of nano-composites was examined by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) in the frequency range10-1-106 Hz and temperature interval from -100 o C to +70 o C. Experimental results include relaxation phenomena arising from both the polymeric matrix and the filler. Four distinct relaxation modes were recorded in the spectra of all systems containing PU. They were attributed to interfacial polarization, glass transition (α-relaxation), motion of polar side groups and probably motions of the (CH2)n sequence of the PU chain (β and γ-relaxation). NR is a non polar polymer and thus only its glass/rubber transition is recorded in the low temperature range. Interfacial polarization is present in all composites systems. The dielectric response of polyurethane/boehmite alumina nano-composites was examined with an additional parameter, the size of the mean boehmite particle diameter. In order of ascending relaxation rate the following modes were recorded: interfacial polarization, glass/rubber transition (α-mode), motion of polar side groups (β-mode) and re-arrangements of small parts of the PU chain (γ-mode). The intensity and the position of these relaxations appear to vary with the size of the nano-filler. Finally, the activation energies of all the recorded processes were determined via the loss peak dependence on temperature.

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η θεωρητική μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων χρησιμοποιούμενων σε διαστημικές εφαρμογές, περιγράφοντας την τεχνολογία και τη λειτουργία τους, καθώς και την ιστορική εξέλιξη τους τις τελευταίες δεκαετίες από το 1950 έως σήμερα. Στα πλαίσια αυτά περιγράφονται οι ηλιακές συστοιχίες για διαστημικές εφαρμογές, οι συνηθισμένοι τύποι ημιαγωγικών υλικών για τα πλαίσια, όπως το πυρίτιο Si και το αρσενιούχο γάλλιο GaAs και οι απαιτήσεις των. Αρχικά, μελετάται ποιες παράμετροι επηρεάζουν την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυττάρων στο διάστημα και επιπλέον οι επιπτώσεις της διαστημικής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας στην λειτουργία των πλαισίων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα προηγμένα ηλιακά κύτταρα πυριτίου Si και τα υψηλής απόδοσης άμορφου πυριτίου που παρουσιάζουν βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση του πλαισίου. Οι βέλτιστες παράμετροι των δομών για τις διαστημικές εφαρμογές, φαίνεται πλέον να επιτυγχάνονται με τα ευρέως χρησιμοποιούμενα ηλιακά κύτταρα πολυεπαφών multijunction MJ, που είναι κύτταρα ιδιαιτέρου τρόπου σχεδιασμού. Οι παράμετροι επηρεασμού της απόδοσης τους αναλύονται καθώς και οι επιπτώσεις των εξωτερικών συνθηκών. Μεγάλης σημασίας θεωρείται ο σχεδιασμός της ηλιακής συστοιχίας στο διάστημα και οι απαιτήσεις σχεδίασης για αξιόπιστη απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής. Στη μελέτη αυτή αναλύουμε και τις δομές εκείνες που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση των διαστημικών ηλιακών κυττάρων. Οι πιο ελπιδοφόρες και πιο πολλά υποσχόμενες δομές είναι αυτές των μεταμορφικών «metamorphic» και ανεστραμμένων μεταμορφικών «inverted-metamorphic» ηλιακών κυττάρων σε σχέση με τα κλασικά "latticed matched" ηλιακά κύτταρα και αυτες οι δομές θα συνεχίσουν να βρίσκονται στο επίκεντρο για τις επόμενες δεκαετίες. Επιπλέον προϊόν της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου m-Si ισχύος αιχμής 80 W σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας στη γη, υπό την επίδραση διαφόρων εξωτερικών παραγόντων, όπως προσπίπτουσα ακτινοβολία, θερμοκρασία και γωνία κλίσης. Με στόχο την εκτίμηση της ενεργειακής απόδοσης και της ανίχνευσης της βέλτιστης τιμής αυτής πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με την βοήθεια του PVPM στη διάρκεια του έτους 2009 – 2010. Συγκεκριμένα περιλαμβάνονται δυο περίοδοι μετρήσεων: α) Απρίλιος 2009 έως Ιούλιος 2009, όπου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ανά μια ώρα για όλες τις γωνίες κλίσης 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80ο (μια ημέρα κάθε εβδομάδα) με την βοήθεια της ρυμθιζόνεμης βάσης και β) Αύγουστος 2009 έως Μάρτιος 2010, όπου πραγματοποιήθηκαν ολοήμερες μετρήσεις ανά 5 λεπτά, κάθε εβδομάδα με την βοήθεια φορητού υπολογιστή σε συγκεκριμένη κλίση 38ο, που αντιστοιχεί στο γεωγραφικό πλάτος της περιοχής της Πάτρας. Όλα αυτά οδηγούν σε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής συμπεριφοράς και απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου μας καθώς και των συνθηκών που οδηγούν σε βέλτιστες φωτοβολταϊκές ιδιότητες Η ετήσια αποδιδόμενη ενέργεια υπολογίστηκε ελαφρώς υψηλότερη από μετρήσεις γενικά αναφερόμενες από το ΚΑΠΕ. Αυτό θεωρούμε ότι οφείλεται στο γεγονός ότι η διάταξη μας δεν κατέγραφε μετρήσεις καθ όλη τη διάρκεια του έτους με αποτέλεσμα να μην είναι ακριβής η διάρκεια της ημέρας και η τιμή της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Μέσω του PVsyst προγράμματος προσπαθήσαμε να προσομοιώσουμε την ενεργειακή απόδοση του πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου υπολογιστικά τόσο με τα πειραματικά μετεωρολογικά δεδομένα όσο και με τα μετεωρολογικά δεδομένα μέσω του προγράμματος Meteonorm και να την συγκρίνουμε με την πειραματική και επιπλέον να βρούμε την βέλτιστη απόδοση του ανάλογα με την κλίση και τον προσανατολισμό του. Η εξομοίωση με δεδομένα του προγράμματος Meteonorm 6.1 έδωσε τη διαφορά της αποδιδόμενης ενέργειας κάθε περίπτωσης, μεταξύ αυτής και της προηγούμενης μεθόδου. / The purpose of this thesis, is the theoretical study of solar modules used in space applications, together with the description of their technology and operation, and the historical development in recent decades from 1950 to today. In this context we analyzed the solar arrays for space applications, the requirements of materials for solar cells and the common types of semiconductor materials for modules, such as silicon Si and gallium arsenide GaAs. Initially, we studied what external factors affect the performance of solar cells in space and also the effects of space radiation and temperature. Further, we described the advanced silicon solar cells and the high-efficiency amorphous silicon solar cells, that improve the energy efficiency significant. For the optimal solution for space applications, we then analyzed thoroughly the most widely used in space multijunction MJ solar cells and their design, the performance parameters and the effects of external factors. To summarize the theoretical study, we studied the design of the solar array in space and the design requirements for reliable performance and longevity. Finally, there are many ways we can improve the performance of space solar cells. The most promising methods are those of metamorphic «metamorphic» and reverse metamorphic «inverted-metamorphic» solar cells compared to the classic "latticed matched" solar cells and will continue to be in the forefront for decades to come. Additional to the subject of this thesis, is the experimental study of the behavior of a photovoltaic monocrystalline silicon module m-Si 80 W peak power at real operation conditions under the influence of various external factors such as incident radiation, temperature and tilt. In order to estimate the energy efficiency we took measurements with the help of PVPM in the year 2009 - 2010. Specifically, it consists of two measurement periods: a) April 2009 to July 2009, when measurements were taken every hour for all angles 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 every week with the help of special structure and b) August 2009 to March 2010, when measurements were made all day, every five minutes, each week with a notebook in a particular inclination 38ο, corresponding to the latitude of the region of Patras. All these help us to gain a comprehensive idea of their behavior and performance of our photovoltaic modules. We also observed variation in the results in comparison with CRES databases due to the fact that we could not continuously conduct every day of the year. Using PVsyst we tried to verify our experimental results and find the best solutions for the tilt and orientation of the PV modules. With the program PVsyst we tried to simulate the performance of monocrystalline silicon solar cell using computational frameworks and to compare them with the experimental results. Finally it was also simulated with the data given from the database of the program Meteronorm 6.1 so as to compare both methods.

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. / --

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία φωτοβολταϊκού πλαισίου μονοκρυσταλλικού πυριτίου και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα των μετρήσεων και των υπολογισμών, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ του. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ρεύματος και τάσης, στο χώρο του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκό πλαίσιο μονοκρυσταλλικού πυριτίου ισχύος αιχμής 80 W. Οι μετρήσεις γίνονταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός έτους περίπου (2008-2009) και στόχος ήταν να διεξαχθούν μετρήσεις υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης ώστε να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής του συμπεριφοράς. Στη διάρκεια των μετρήσεων αλλάζαμε την τιμή ενός μεταβλητού φορτίου, για να πάρουμε τη χαρακτηριστική ρεύματος τάσης του συγκεκριμένου πλαισίου και επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, του κυττάρου και της πίσω όψης του, καθώς και της κλίσης τοποθέτησης. Ακόμα ελέγχαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν φυσική σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, μίας και η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης του πλαισίου ανά εποχή και είδαμε πως η ακτινοβολία επιδρά θετικά στην απόδοση του σε αντίθεση με τη θερμοκρασία του κυττάρου που τη μειώνει όταν αυτή αυξάνεται. Τέλος, έγινε μια σύγκριση των τιμών που δίνει ο κατασκευαστής σε εργαστηριακό περιβάλλον με τις τιμές των μετρήσεων για να διαπιστώσουμε τις απώλειες που έχουμε όταν το μονοκρυσταλλικό πλαίσιο λειτουργεί σε πραγματικές συνθήκες. / The aim of this diploma thesis is to take a better look at the operation of a monocrystalline silicon photovoltaic module and through the numerical data of measurements and the calculations, to come to a conclusion about how the operation in real conditions can influence his produced power. Measurements of current and tendency have been made in the area of the department of Electrical and Computer Engineering using a monocrystalline silicon photovoltaic module of peak power 80 W. The measurements took place once a week for about a year (2008-2009) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some angles of bent so that we acquire a completed picture of its energy behavior. During the measurements we changed a variable load, in order to form the characteristic curve of current and tendency of the module and we also noted down the radiation, the environmental, the cell and the back side temperature of the module, as well as the bent of placement. Moreover, we checked 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, since Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal bent of placement per season for the module and we saw that the radiation affects positively its efficiency contrary to the cell temperature that decreases the efficiency when increased. Finally, we compare the electrical specifications in laboratorial environment that the constructor gives, with the measurements in order to realise the losses that we have when the monocrystalline module functions in real conditions.