Des de l'aparició de les cèl·lules solars orgàniques (CSO), hi ha hagut una intensa recerca per a aconseguir fer-les tan rentables com les contaminants fonts d'energia tradicionals. Una solució prometedora és el mètode de la heterounió interdigitada, que permet obtenir dispositius amb una extensa interfície Donador-Acceptador per a una correcta dissociació d'excitons. L'avantatge que aquest mètode té sobre el de la heterounió de tipus bulk és que permet que hi hagin camins directes sense interrupció per a la recol·lecció de portadors lliures als elèctrodes. En aquesta tesi hem desenvolupat un procediment numèric complet per a simular les diferents etapes del procés de conversió fotovoltaica a les CSO. Aquest model està basat en el mètode d'elements finits, el qual ens pot aportar informació de cada magnitud en funció de la posició. Aplicant aquest model de simulació, hem realitzat un estudi sistemàtic de CSO interdigitades per a poder predir quines característiques geomètriques seran més apropiades per a optimitzar-les i com augmentar la seva eficiència. El model ha sigut validat amb resultats experimentals, obtinguts en les nostres instal·lacions utilitzant el mètode de síntesi assistit per plantilles amb alúmina anòdica nanoporosa. Finalment, el procediment també ha sigut adaptat i aplicat en d'altres tipus de dispositius i estructures per a demostrar que pot funcionar correctament en altres situacions a banda de les CSO interdigitades. Aquestes han sigut: reproduir resultats experimentals de cèl·lules solars hibrides amb un elèctrode nanostructurat de TiO2, i reproduir l'efecte plasmònic en piràmides de nanoesferes d'or. / Desde la aparición de las células solares orgánicas (CSO), ha habido una intensa búsqueda para conseguir hacerlas tan rentables como las contaminantes fuentes de energía tradicionales. Una solución prometedora es el método de la heterounió interdigitada, el cual permite obtener dispositivos con una extensa interface Donador-Aceptador para una correcta disociación de excitones. La ventaja de este método sobre el de la heterounió de tipo bulk es que permite caminos directos sin interrupción para la recolección de los portadores libres. En esta tesis hemos desarrollado un procedimiento numérico completo para simular las etapas del proceso de conversión fotovoltaica en las CSO. Este modelo está basado en el método de elementos finitos, el cual nos aporta datos de cada magnitud en función de la posición. Aplicando este modelo de simulación, hemos realizado un estudio sistemático de CSO interdigitadas para poder predecir que características geométricas serán más apropiadas para optimizarlas y aumentar su eficiencia. El modelo ha sido validado con resultados experimentales, obtenidos en nuestras instalaciones utilizando el método de síntesis asistido por plantillas con alúmina anódica nanoporosa. Finalmente, el procedimiento también ha sido aplicado a otro tipo de dispositivos y estructuras para demostrar que puede funcionar correctamente en otros casos a parte del de las CSO interdigitadas. Estos han sido: reproducir resultados experimentales de células solares hibridas con un electrodo nanoestructurado de TiO2, y reproducir el efecto plasmónico en pirámides de nanoesferas de oro. / Since the advent of organic solar cells (OSC), there has been an intense search to make them at least as profitable as traditional polluting energy sources. One promising solution is the interdigitated heterojunction approach. This method provides devices with a widespread Donor-Acceptor interface for a proper exciton dissociation. The advantage over the bulk heterojunction approach is that the interdigitated cells provide uninterrupted direct paths for charge carrier collection to the electrodes. In this thesis we have developed a complete numerical procedure to simulate the different steps of the photovoltaic conversion process in organic solar cells. This model is based on the finite element method, which can give us information of every magnitude as a function of the position. By applying this numerical simulation model, a systematic study of interdigitated OSC has been done to predict which geometrical characteristic will be better to optimize this kind of devices and how to increase their efficiency. The model has been validated with experimental results of real devices, obtained in our facilities by using the template-assisted synthesis method with nanoporous anodic alumina templates. Finally, the simulation procedure has also been adapted and applied to other devices and structures to demonstrate that it can work correctly not only for the case of interdigitated full organic solar cells. The simulation model has been applied to two situations: to reproduce experimental results of hybrid solar cells with a nanostructured TiO2 electrode, and to reproduce the plasmonic effect in gold nanospheres pyramids.

En aquesta tesis doctoral s’han investigat capes primes i nanostructures de WO3 per sensat òptic de gasos. S’han realitzats els estudis de la síntesis dels materials nanoestructurats, la possible fabricació del dispositiu i les propietats per la detecció dels gasos. Han estat investigades les capes primes de WO3, amb uns grossors al voltant de les 550 nm, crescudes mitjançant RF sputtering. Aquestes capes varen ser dopades amb nanopartícules de Pt i es varen estudiar les seves propietats de sensat òptic de gas sota la influencia de H2, CO i NOx. Aquestes capes mostraren una reposta i recuperacions ràpides sota la influencia dels gasos anteriorment esmentats. Les capes no dopades de WO3 mostren una resposta òptica detectable al gas NOx, mentre que les capes dopades amb nanopartícules de Pt mostres una resposta al H2 a temperatura ambient. De manera similar, la resposta gasocromica de les nanoagulles al gas NH3 tambe va ser investigada. Les nanoagulles de WO3 decorades amb nanopartícules de Pt i Au mostren una resposta òptica quan estan exposades a NH3 gas a temperatura ambient. És la primera vegada que es reporta la resposta òptica del WO3 a temperatura ambienti es descriu en aquesta tesis. Finalment, de manera semblant a les capes primes, el temps de detecció i recuperació de les nanoagulles als gasos; és ràpid i de l’ordre de segons. En resum, la recerca realitzada en el si d’aquesta tesis, ha complert els objectius d’investigar i desenvolupar uns sensors òptics de gasos fets de WO3 i en forma de nanoestructures i capes primers. De manera exitosa, aquest material s’ha implementat per la detecció òptica de NH3, CO, NOx i H2. Basant-nos en aquests resultats, l’avaluació final és que el WO3 és un bon material com a candidat de futurs dispositius òptics per la detecció de gasos. / En esta tesis doctoral se han investigados capas delgadas i nanoestructuras de WO3 para el sensado óptico de gases. Se han relaizado estudios de las síntesis de materiales nanoestructurados, la posible fabricación del dispositivo y las propiedades para la detección de gases. Se han investigado capas delgadas de WO3 con unos grosores cercanos a 550 nm, crecidas mediante pulverización catódica de radiofrecuencia. Dichas capas fueron dopadas con nanopartículas de Pt y se estudiaron sus propiedades para el sensado óptico de gases como el H2, Co y NOx. Estas capas mostraron un respuesta y recupèración rápidas bajo la influencia de los gases mencionados anteriormente. Las capas no dopadas de WO3 mustran una respuesta óptica mediable al NOx mientras que las dopadas con Pt muestran repsuesta al H2 a temperatura ambiente. De manera similar, la respuesta gasocrómica de nanoagujas de WO3 decoardas con nanopartículas de Pt y Au muestran una respuesta óptica a temperatura ambiente cuando se exponen a NH3. Por primera vez y en esta tesis se reporta la respuesta óptica del WO3 a temperatura ambiente. Finalmente y de manera similar a las capas delgadas, los tiempos de respuesta y recuperación de las nanoagujas de WO3 es rápido y del orden de segundos. En resumen, la investigtación que se ha desarrollado en esta tesis ha cumplido los objetivos de desarrollar sensores ópticos basados en nanomateriales de WO3. Se ha implementado la detección de NH3, CO, NOx y H2. de forma exitosa. Basandonos en estos resultados podemos concluir que el WO3 representa un buen material candiudato a ser integrado en futuros dispositivos ópticos para el sensado de gases. / n this doctoral thesis, WO3 based thin films and nanostructures have been investigated for optical gas sensing. The nano structured material synthesis, device fabrication and their gas sensing properties have been studied. WO3 thin films with thicknesses around 550 nm, grown by RF sputtering have been investigated for optical gas sensing using absorbance spectroscopy. These films were doped with Pt nanoparticles and subjected to optical gas sensing under the influence of H2, CO and NOx. These films showed fast response and recovery under the influence of mentioned gases. The response and recovery time is in the range of seconds. The bare WO3 films show a measureable optical response to NOx. The films doped with Pt nanoparticles show a response to H2 at room temperature. Similarly, the gasochromic response of WO3 nanoneedles was investigated upon the exposure to NH3. The nanoneedles decorated with Au and Pt show optical response when exposed to NH3 gas at room temperature. The optical response at room temperature of these nanoneedles is presented in this doctoral thesis for the first time. Similarly to thin films, nanoneedles have also shown a fast response and recovery time in the range of seconds. In summary, this PhD research program successfully fulfilled its objectives to investigate and develop novel WO3 optical sensors based on nanostructures and thin films. During the work the author has successfully employed this material for optically sensing the mentioned gases such as NH3, CO, NOx, and H2. The evaluation of these results indicates that WO3 is a good candidate for designing future devices for optical gas sensing.

En aquesta tesi doctoral s’ha dut a terme recerca en mètodes de fabricació d’estructures micromètriques i nanomètriques de SU-8. La recerca ha partit de la base d’una anàlisi dels treballs anteriors en estructuració de SU-8 i ha tingut com a principal objectiu el d’obtenir noves estructures per a aplicació en biotecnologia. Un dels resultats més importants de la recerca ha estat la proposta d’una tècnica híbrida que combina fotolitografia i litografia per pressió per obtenir superfícies de SU-8 amb estructura jerarquitzada. Les investigacions també han portat a proposar un mecanisme de sensat basat en la fotoluminescència del SU-8. Els experiments demostren que la fotoluminescència es redueix a cada pas de modificació de la química de superfície. Aquesta característica es produeix de forma repetible també quan s’adhereix un antigen (IgG) a una superfície de SU-8 modificada amb l’anticòs corresponent (aIgG). Gràcies a aquest efecte, s’ha proposat un inmunosensor basat en la reducció de fotoluminescència i se n’ha avaluat la seva sensibilitat. El resultat més rellevant demostra que estructures jeràrquicament organitzades mostren una reducció de fotoluminescència major i per tant una millor sensibilitat. / En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo investigación sobre métodos de fabricación de estructuras micrométricas y nanométricas de SU-8. La investigación ha partido de la base de un análisis de los trabajos anteriores en estructuración de SU-8 y ha tenido como principal objetivo el de obtener nuevas estructuras para la aplicación en biotecnología. Uno de los resultados más relevantes de la investigación ha sido la propuesta de una técnica híbrida que combina fotolitografía con litografía por presión para obtener superficies de SU-8 con una estructura jerarquizada. Las investigaciones también han llevado a proponer un mecanismo de sentado basado en la fotoluminiscencia del SU-8. Los experimentos demuestran que la fotoluminiscencia se reduce a cada paso de modificación de la química de superficie. Esta característica se produce de forma repetible también cuando se adhiere un antigen (IgG) a una superficie de SU-8 modificada con el anticuerpo correspondiente (aIgG). Gracia a este efecto se ha propuesto un inmunosensor basado en la reducción de fotoluminiscencia i se ha evaluado su sensibilidad. El resultado más relevante demuestra que las estructuras jerárquicamente organizadas muestran una reducción de fotoluminiscencia mayor, y por tanto una mejor sensibilidad / n this Ph. D. Dissertation research on lithographic methods for the fabrication of micrometric and nanometric SU-8 structures has been carried out. The research has been based on a survey of existing techniques to structure the SU-8 with the main objective of obtaining novel structures for biotechnology applications. One of the main results of the research has been the proposal of an hybrid technique that combines photolithography and soft lithography to obtain hierarchically structured SU-8 surfaces. The investigations have also led to the proposal of a sensing mechanism based on the photoluminescence of SU-8. The experiments show that photoluminescence is reduced with every step of surface chemistry modification. This is a repeatable feature that is observed also upon attachment of an antigen (IgG) onto a SU-8 surface grafted with antibody (aIgG). Thanks to this effect, an immunosensor based on the reduction of photoluminescence has been proposed and its sensitivity has been evaluated. The results show that the hierarchically patterned structures offer a higher photoluminescence reduction and thus a better sensitivity.

El objetivo de esta tesis es el estudio de la dinámica de los láseres de semiconductor (LS) con realimentación óptica, tanto desde el punto de vista experimental como numérico. La reflexión de la luz emitida por el láser, debida a la presencia de un espejo externo, es capaz de inducir una dinámica caótica en su intensidad de salida. Concretamente, cuando el láser es bombeado cerca de su corriente umbral, puede entrar en el régimen de fluctuaciones de baja frecuencia (LFF), caracterizado por repentinas caídas de su intensidad a tiempos irregulares. El comportamiento pulsado, y caótico, en este régimen es de especial interés desde el punto de vista de la dinámica de sistemas no-lineales, pero también por sus aplicaciones en comunicaciones ópticas.Si queremos resumir los resultados de esta tesis ordenados cronológicamente,debemos empezar hablando de ruido. El efecto de el ruido en un sistema no-lineal puede ser de gran ayuda en la obtención de una respuesta más regular, efectos como la resonancia coherente o la resonancia estocástica han dado buena prueba de ello. Con el objetivo de observar ambos fenómenos en el comportamiento pulsado de un láser en régimen de LFF, se realizan simulaciones numéricas a partir del modelo de Lang-Kobayashi (LK), que describe la evolución del campo eléctrico y los portadores en un LS. Los resultados obtenidos demuestran que añadiendo cierta cantidad de ruido externo a través de la corriente de bombeo, los pulsos observados en la intensidad de salida se vuelven más regulares, que es la característica típica de la resonancia de coherencia (RC). Si la corriente de bombeo está modulada con una señal periódica de cierta frecuencia, se puede observar cómo el ruido externo ayuda al sistema a seguir dicha frecuencia, lo que se refleja en la intensidad de salida con unas caídas no sólo más regulares, sino también a la frecuencia de forzamiento. Este fenómeno, observado en diversos sistemas no-lineales, se conoce como resonancia estocástica (SR). Los estudios realizados permiten observar que no sólo la amplitud del ruido es importante, sino también su tiempo de correlación, debiéndose ajustar ambos parámetros para poder observar dichas resonancias. En relación con el efecto del ruido en estos sistemas, se estudia (experimental y numéricamente) el caso de un láser en LFF cuando es modulado con dos frecuencias, observando resonancia a frecuencias no presentes en el sistema. Estos resultados son la primera evidencia experimental de este fenómeno, bautizado como resonancia fantasma (GR), el cual sólo habia sido predicho teóricamente hasta el momento.Paralelamente, se analizan los efectos del acoplamiento de dos sistemas caóticos, en nuestro caso dos láseres en régimen de LFF. Los resultados demostran que el acoplamiento puede incrementar la respuesta de un sistema no lineal a un señal periódica externa.Se profundiza también en el estudio del comportamiento multimodo de los láseres de semiconductor con realimentación óptica. Se presentan resultados experimentales y numéricos del comportamiento de los modos longitudinales en el régimen de LFF, observándose como, cuando la intensidad total cae, se activan modos laterales que hasta el momento permanecian apagados. Finalmente, y continuando con el estudio de la dinámica multimodo, se analiza la sincronización de dos láseres multimodo mediante una extensión del modelo de LK, observándose sincronización generalizada y anticipada, tanto de la intensidad total, como entre los modos longitudinales de cada láser. Estos resultados sugieren la utilización de este tipo de láseres para la transmisión de mensajes multiplexados.

Transparent electrodes (TEs) are the essential elements of many optoelectronic devices such as solar cells, touch screens, organic LEDs, and LCDs. Consequently demand for TEs is growing very steeply and the market value presently stands at 8 billion USDs. The state-of-art indium tin oxide (ITO) has an excellent trade-off between optical transparency and electrical sheet resistance but suffers from several drawbacks, mainly the increasing cost due to indium shortage, and inadequate flexibility due to poor mechanical ductility. This thesis presents the development of a new class of TEs based on ultrathin metal films (UTMFs). The work started from understanding the fundamental aspects of UTMF growth and properties, and then focused on different UTMF based geometries, composition, and combination for potential applications in different optoelectronic applications. Single component ultrathin Ni and Cr films were shown to possess significantly high transparency in the ultraviolet (175–400 nm) and mid-infrared (2.5–25 μm) regions making them viable TE for devices such as UV photodiodes, and IR pyroelectric detectors. The natural oxidation process, which is a major concern for metal films, has been exploited to achieve stable metallic films by inducing a protective oxide layer. In another proposed novel design, incorporating an ad hoc conductive grid, the sheet resistance of UTMFs can be reduced by more than two orders of magnitude with negligible loss in transparency, which in turn eliminates the inverse trade-off relationship between optical transparency and electrical conductivity of continuous metal based TEs. A TE structure based on the ultrathin conductive Cu films with an application specific functionalized capping layer of Ti or Ni layer has been demonstrated. The properties of the TE can be tuned accordingly and show excellent stability against temperature, and oxidation. The suitability of Ag-Cu alloy films as TE as an alternative to ITO has been also investigated. The optical spectrum of such alloy films follows the average optical behavior of single component Cu and Ag layers, thus resulting in a much flatter optical response in the visible region. UTMFs combined with Al doped ZnO (AZO), which is possible ITO replacement, has also been demonstrated to show the possibility of hybridizing the two technologies. A bilayer Ag/AZO has been developed which can overcome the high reflection of metals and retain their good electrical behavior, while maintaining a minimum total film thickness. In another structure, UTMF capping layer were used to improve the stability of AZO. It was found that an ultrathin oxidized Ni capping layer with a thickness at percolation threshold greatly enhances the stability of AZO layer in harsh environment without affecting the electro-optical properties / Los electrodos transparentes (TEs) son elementos básicos de muchos dispositivos optoelectrónicos, tales como células solares, pantallas táctiles, LEDs orgánicos i LCDs. En consecuencia, la demanda de éstos TEs está creciendo paulatinamente y con un valor de mercado actual de 8 billones de dólares (USD). El estado del arte del óxido de estaño dopado con Indio (ITO) ofrece un excelente compromiso entre transparencia óptica y resistencia eléctrica de hoja pero también tiene inconvenientes, principalmente de precio debido a la escasez del Indio, así como de una inadecuada flexibilidad debida a una baja ductilidad mecánica. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva clase de TEs basados en capas ultradelgadas de metales (UTMFs). El trabajo empieza des de la comprensión de los aspectos fundamentales relacionados con el crecimiento de los UTMF y sus propiedades, para luego focalizarse en diferentes geometrías, composición y combinaciones para diferentes aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. Las capas ultradelgadas monocomponentes de Ni y de Cr han mostrado tener significativamente alta transparencia en el rango ultravioleta (175-380nm) y en el Infrarrojo mediano (2.5-25um), haciéndolos, por tanto, TE viables para dispositivos tales como fotodiodos de UV y detectores piroeléctricos del IR. El proceso natural de oxidación, el cual es un problema central para las capas metálicas, ha sido aprovechado para conseguir capas metálicas estables gracias a una capa protectora de óxido. En otro novedoso diseño, gracias a la incorporación ad hoc de una malla conductora, la resistencia eléctrica de hoja de los UTMFs puede ser disminuida hasta dos órdenes de magnitud y con una pérdida de transmisión despreciable, y por lo tanto, elimina el compromiso limitante entre transparencia óptica y conductividad eléctrica de los TE basados en capas metálicas continuas. Una estructura de los TEs, basada en una capa conductora ultradelgada de Cu, la cual puede ser funcionalizada para aplicaciones específicas con capas protectoras de Ti o Ni, ha sido demostrada. Las propiedades del TE pueden ser modificadas bajo control y muestran una excelente estabilidad a la temperatura y la oxidación. La idoneidad de la aleación Ag-Cu como capa alternativa al ITO para los TE ha sido también investigada. El espectro óptico de esta aleación sigue el comportamiento óptico medio de las capas monocomponentes de Ag y Cu, y por lo tanto se obtiene una respuesta óptica mucho mas plana en la región del espectro visible. Los UTMFs en combinación con ZnO dopado con Al (AZO), el cual es una opción factible como sustituto del ITO, ha demostrado la posibilidad de hibridar ambas tecnologías. Una bicapa de Ag/AZO ha sido desarrollada, la cual evita el problema de la alta reflexión de los metales y mantiene a su vez sus buenas propiedades eléctricas con un espesor total de capa mínimo. En otra estructura, la capa protectora de los UTMF ha sido utilizada para mejorar la estabilidad del AZO. Se ha visto que una capa protectora ultra-delgada y oxidada de Ni con un espesor igual a su límite de percolación, mejora notablemente la estabilidad de las capas de AZO, manteniendo sus propiedades electro-ópticas, incluso en condiciones severas

Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon-electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent. / En el presente siglo, algunas de las prioridades son la escasez de la energía y la contaminación. Este trabajo describirá brevemente estos problemas y propondrá un plan de acción que combina el ahorro energético con diferentes fuentes sostenibles de energía. Dentro de estas fuentes de energía renovables, la energía solar es la más abundante. Con el objetivo de hacer la tecnología solar más sostenible y eficiente económicamente nos concentramos en aumentar las características ópticas en celdas solares de película delgada. Dentro de esta categoría, las celdas solares orgánicas son una buena opción porque su desarrollo requiere bajas cantidades de materiales y su fabricación es de baja energía embebida. Adicionalmente, esta tecnología puede ser liviana, transparente, flexible mecánicamente y modular para ser aplicada e integrada en varias soluciones arquitectónicas y de electrónica de consumo. Luego de estudiar los procesos físicos en tales dispositivos y de determinar las metodologías para aumentar ópticamente sus desempeños, mostraremos algunos ejemplos donde teórica y experimentalmente se colecta la radiación solar mediante antenas ópticas. Se reporta por primera vez, una antena de nanogap que acopla eficientemente la luz en la capa activa de la celda solar. Finalmente, se desarrolla el concepto de tecnología fotovoltaica integrada en edificaciones tras introducir algunos ejemplos de fachadas solares. Basados en nuestra investigación, fue posible diseñar y fabricar una celda solar orgánica transparente cuya transparencia en el rango visible estuvo por encima del 20% y una eficiencia de conversión foton-electron aumentada ópticamente que resulto notoriamente similar a la celda solar orgánica opaca equivalente. / La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions architecturales s’adaptant à des produits électroniques pour le grand publique. Suivra la théorie sous jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée, similaire à une cellule équivalente opaque. / La difficile reperibilità di risorse energetiche e l’inquinamento sono alcuni dei problemi più importanti di questo secolo. In questo lavoro saranno presentati brevemente questi temi proponendo un piano d’azione che abbini il risparmio energetico alle differenti fonti di energia rinnovabili. Nell’insieme delle fonti energetiche rinnovabili l’energia solare è senz’altro la più abbondante. Con l’obbiettivo di rendere lo sfruttamento di tale energia più sostenibile ed economicamente vantaggioso, ci premuriamo di migliorare le caratteristiche ottiche di celle fotovoltaiche a film sottile. In questa categoria utilizziamo, tra le diverse opzioni, le celle solari organiche in quanto la loro fabbricazione richiede una quantità di materiale minimo e un basso consumo energetico. Inoltre questi tipi di dispositivi possono essere leggeri, trasparenti, flessibili e conformabili alle superfici su cui sono applicati. Questa è una tecnologia che potrebbe essere implementata e integrata in varie soluzioni architettoniche o nell’ elettronica di consumo. Dopo aver presentato i principi fisici di tali dispositivi e determinato le metodologie ottiche per aumentarne le prestazioni, vengono illustrati alcuni esempi dove, teoricamente e sperimentalmente, riusciamo a intercettare la radiazione solare con antenne ottiche. Riportiamo, per la prima volta in letteratura, un’antenna ottica con nano-gap che accoppia efficacemente la luce solare nel nostro materiale attivo a film sottile. Nell’ultima parte sviluppiamo il concetto di tecnologia solare integrata negli edifici, introducendo alcuni esempi di facciate solari. Basando il design sulla nostra ricerca, è possibile realizzare una cella solare fotovoltaica organica trasparente, con una trasparenza superiore del 20% e un’ efficienza di conversione fotone-elettrone migliorata grazie all’ottica, che risulta molto vicina all’ equivalente cella fotovoltaica organica non trasparente.

This Ph.D. thesis addresses remote sensing of the atmosphere by means of lidar and S-band clear-air weather radar, and related data signal processing. Active remote sensing by means of these instruments offers unprecedented capabilities of spatial and temporal resolutions for vertical atmospheric profiling and the retrieval of key optical and physical atmospheric products in an increasing environmental regulatory framework. The first goal is this Ph.D. concerns the estimation of error bounds in the inversion of the profile of the atmospheric backscatter coefficient from elastic lidar signals (i.e., without wavelength shift in reception when interacting with atmospheric scatterers) by means of the two-component inversion algorithm (the so-called Klett-Fernald-Sasano¿s algorithm). This objective departs from previous works at the Remote Sensing Lab. (RSLab) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) and derives first-order error-propagated bounds (approximate) and total-increment bounds (exact). As distinctive feature in the state of the art, the error bounds merge into a single body both systematic (i.e., user-calibration inputs) and random error sources (finite signal-to-noise ratio, SNR) yielding an explicit mathematical form. The second goal, central to this Ph.D., tackles retrieval of the Atmospheric Boundary Layer Height (ABLH) from elastic lidar and S-band Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) radar observations by using adaptive techniques based on the Extended Kalman Filter (EKF). The filter is based on morphological modelling of the Mixing-Layer-to-Free-Troposphere transition and continuous estimation of the noise covariance information. In the lidar-EKF realization the proposed technique is shown to outperform classic ABLH estimators such as those based on derivative techniques, thresholded decision, or the variance centroid method. The EKF formulation is applied to both ceilometer and UPC lidar records in high- and low-SNR scenes. The lidar-EKF approach is re-formulated and successfully extended to S-band radar scenes (Bragg¿s scattering) in presence of interferent noise sources (Rayleigh scattering from e.g., insects and birds). In this context, the FMCW feature enables the range-resolved capability. EKF-lidar and EKF-radar ABLH estimates are cross-examined from field campaign results. Finally, the third goal deals with exploitation of the existing UPC lidar station: In a first introductory part, a modified algorithm for enhancing the dynamic range of elastic lidar channels by ¿gluing¿ analog and photon-counting data records is formulated. In a second part, two case examples (including application of the gluing algorithm) are presented to illustrate the capabilities of the UPC lidar in networked atmospheric observation of two recent volcano eruption events as part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). The latter is part of GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) framework. / La tesis doctoral aborda la teledetecció atmosfèrica amb tècniques lidar i radar (banda S) i llur tractament del senyal. La teledetecció activa amb aquests instruments ofereix resolucions espacials i temporals sense precedents en la perfilometria vertical de l'atmosfera i recuperació de productes de dades òptics i físics atmosfèrics en un marc de creixent regulació mediambiental. El primer objectiu d'aquesta tesi concerneix l'estimació de cotes d'error en la inversió del perfil del coeficient de retrodispersió atmosfèrica a partir de senyals lidar de tipus elàstic (és a dir, sense desplaçament de la longitud d'ona en recepció al interactuar amb els dispersors atmosfèrics) mitjançant l'algorisme d'inversió de dues components de Klett-Fernald-Sasano. Aquest objectiu parteix de treballs previs en el Remote Sensing Lab. (RSLab) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i permet obtenir cotes de primer ordre (aproximades) basades en propagació d'errors i cotes (exactes) basades en el increment total de l'error. Característica diferencial en front l'estat de l'art és l'assimilació d'errors sistemàtics (per exemple, entrades de cal.libració d'usuari) i aleatoris (relació senyal-soroll, SNR, finita) en forma matemàtica explícita. El segon objectiu, central de la tesis, aborda l'estimació de l'altura de la capa límit atmosfèrica (ABLH) a partir de senyal lidar elàstics i d'observacions radar en banda S (ona continua amb modulació en freqüència, FMCW) utilitzant tècniques adaptatives basades en filtrat estès de Kalman (EKF). El filtre es basa en modelat morfològic de la transició atmosfèrica entre la capa de mescla i la troposfera lliure i en l'estimació continua de la informació de covariança del soroll. En el prototipus lidar-EKF la tècnica proposada millora clarament les tècniques clàssiques d'estimació de la ABLH como són les basades en mètodes derivatius, decisió de llindar, o el mètode de la variança-centroide. La formulació EKF s'aplica tant a mesures procedents de ceilòmetres lidar como de la pròpia estació lidar UPC en escenes d'alta i baixa SNR. Addicionalment, l'enfoc lidar-EKF es reformula i s'estén amb èxit a escenes radar en banda S (dispersió Bragg) en presència de fonts de soroll interferent (dispersió Rayleigh de, per exemple, insectes i ocells). En aquest context, la característica FMCW permet la capacitat de resolució en distància. L'estimació de la ABLH amb els prototipus lidar-EKF i radar-EKF s'intercompara en campanyes de mesura. Finalment, el tercer objectiu atén a l'explotació de l'estació lidar UPC existent: En una primera part introductòria, es formula un algorisme modificat de "gluing" per a la millora del marge dinàmic de canals lidar elàstics mitjançant combinació (o "enganxat") de senyals lidar adquirits analògicament i amb foto-comptatge. En una segona part, es presenten dos exemples (incloent l'aplicació de l'algorisme de "gluing") que il.lustren les capacitats del lidar de la UPC en l'observació atmosfèrica de dos recents erupcions volcàniques des de la xarxa d'observació EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). Aquesta última és part de GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems).

Historical decorated glass and glazed ceramics are studied with the object to determine the technology of production and to relate it with the optical properties (colour, shine, opacity). Four different case of study are investigated: production technology and replication of lead antimonate yellow glass from New Kingdom Egypt and the Roman Empire, technology of production of polychrome lustre, analyses of Syrian lustre pottery (12th–14th centuries AD) and study of color and dichroism of silver stained glasses. These different coloured glazes or glasses have in common to be produced by the presence of micro or nanoparticles embedded into the glaze which give their special optical effect. Chemical and microstructural analyses are performed using a selection of complementary Microscopic and Spectroscopic techniques that are the most adequate for the analyses of each decoration. Physical optical properties are also modeled and measured by means of UV-Vis spectroscopy. The composition and structure of the different phases formed during the processing of the decorations in historical times is obtained with the object to learn about their stability and processing conditions and to relate them to their optical properties

The purpose of this PhD thesis was to design, implement and validate a low cost compact system based on the double-pass I technique in order to evaluate the viability of its use in the future in optical instrumentation to obtain optical quality and light diffusior estimations. First of all we measured the optical quality of an electro-optical liquid lens to prove its usefulness in the measurement of the eye's optical quality. We built a simple single-pass setup composed by a laser diode (LD), an electro-opticalliquid lens (EOLL) and a CCD as recording device. The results obtained in this study show the validity of this type of lenses for corrections of spherical refractive errors. In second place we studied the correction of spherical refractive errors in double-pass configurations by means of the electro­ optical liquid lens (EOLL). We measured the optical performance of the spherical corrector in terms of optical power, pupil size and optical quality verifying that they all fit the requirements to be applied to double-pass systems. We also evaluated the performance of the proposed method in patients by comparison with a conventional double-pass system using a Badal optometer (OQAS instrument) and we conclude that the EOLL is suitable to be used in a double-pass system for a spherical correction. In third place we implemented and validated a superluminiscent led (SLED) as light source in the double-pass system . The study showed that the SLED used during the experimentation did not have sufficiently low coherence to break the speckle noise on its own, but showed a good performance when being combined with other methods for speckle reduction. In fourth place we implemented and validated a CMOS camera as recorder device in the double-pass system. We studied the performance of a CMOS camera by comparison with the results obtained with a CCD. The study showed a high correlation between the results obtained with the CCD and CMOS camera, demonstrating in this manner suitability of this type of sensors (CMOS) for application in the field of visual optics. Taking into account the results on the light source, the spherical refractive error corrector, and the recording device, the final configuration of the system includes a SLD light source, a corrector based on EOLLs and a CMOS camera. The experimental double-pass system has been compared with a commercially available double-pass system (OQAS). All the tests showed the good agreement between both systems, which suggest that the system here presented may be used for estimations of the ocular optical quality and scattering measurements. We conclude that the proposed experimental setup, including as innovations the CMOS camera and the EOLL spherical corrector, improves in terms of size and cost a conventional system with a performance comparable to that observes in commercially available devices. / Esta tesis doctoral ha tenido como objetivo fundamental el diseño, implementación y validación de un sistema compacto y de bajo coste basado en la técnica del doble paso que nos permita obtener estimaciones de calidad óptica en general y de luz difusa en particular, dirigido a una posible futura utilización en la práctica clínica. Para ello se ha partido del esquema de doble paso utilizado en el instrumento oftalmológico OQAS y se ha estudiado y validado posibles mejoras, tanto en grado de integración como en coste, que han garantizado las mismas o superiores prestaciones. En primer lugar se procedió a la validación de una lente electro-óptica como sistema de corrección de la refracción esférica, este dispositivo sustituye al tradicional sistema Badal compuesto por dos lentes cuya distancia relativa puede variarse, lo cual permite la corrección de la refracción esférica. Se analizó y demostró la validez de este nuevo tipo de lentes electro-ópticas para la corrección de refracción esférica. En segundo lugar se procedió al diseño y la implementación de un sistema de doble paso utilizando la lente electro-óptica para la compensaci6n de refracción esférica. Una vez se comprobó que la lente electro-óptica reunía los requisitos de calidad óptica, se procedió a implementar el sistema de doble paso que incorpora dicha lente en substitución del sistema Badal. Se verificó y demostró que el sistema con la lente electro-óptica tiene prestaciones similares o mejores que el clásico sistema de doble paso. En tercer lugar se implementó y validó el sistema de iluminación basado en una fuente LED superluminiscente (SLED). Se incorporó como fuente de luz al sistema de doble paso un SLED y se analizó el grado de ruido speckle en las imágenes obtenidas. El estudio determinó que el SLED utilizado no tenía la suficiente baja coherencia como para romper el ruido speckle por sí mismo, pero si mostró un buen rendimiento cuando se combina con otros métodos para la reducción del speckle. En cuarto lugar se procedió a implementar y validar el sistema de registro basado en una tecnología CMOS. Se incorporó una cámara CMOS como nuevo dispositivo de registro al sistema de doble paso. El estudio realizado puso de manifiesto una alta correlación existente entre los resultados obtenidos con la cámara CMOS y la CCD, de manera que quedó demostrado la idoneidad de este tipo de sensores (CMOS) para la aplicación en montajes experimentales de óptica visual y para la implementación de instrumentación asociada a este campo. Ya por último se procedió a la validación del sistema de doble paso resultante. En función de los resultados obtenidos se implementó el sistema de doble paso definitivo siguiendo criterios de simplicidad y coste, este sistema incorpora un compensador de refracción esférica basado en una lente electro-óptica, un diodo laser y una cámara CMOS. Para la validación de los resultados obtenidos y como equipo comercial de referencia se utilizó el instrumento clínico OQAS. Los resultados obtenidos en el estudio demostraron una alta correlación entre el sistema experimental y el instrumento OQAS. Así pues y a la vista de los resultados obtenidos se concluye que a partir de los diferentes estudios realizados en esta tesis doctoral se ha demostrado que el sistema de doble paso presentado basado en una lente electro-óptica, un diodo laser y una cámara CMOS mejora en cuanto a dimensiones y coste el de un sistema convencional.

The increasing need for range-resolved aerosol and water-vapour atmospheric observation networks worldwide has given rise to multi-spectral LIDARs (Light Detection and Ranging, a synonym of laser radar) as advanced remote sensing sensors. This Ph.D. presents the design, integration and analysis of the new 6-channel multispectral elastic/Raman LIDAR for aerosol and water-vapour content monitoring developed at the Remote Sensing Lab. (RSLAB) of the Universitat Polit ecnica de Catalunya (UPC). It is well known that the combination of at least three elastic and two Raman nitrogen channels are su cient to enable retrieval of the optical and microphysical properties of aerosols with a key impact on climate change variables. The UPC lidar is part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) -GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network), a ground-based continental network including more than 28 stations. Currently, only 8 of the 28 EARLINET stations are of such advanced type. This Ph.D. speci cally focuses on: (1) Concept link-budget instrument design and overlap factor assessment. The former includes opto-atmospheric parameter modelling and assessment of backscattered power and SNR levels, and maximum system range for the di erent reception channels (3 elastic, and 2 aerosol and 1 water-vapour Raman channels, ultraviolet to near-infrared bands). The latter studies the laser-telescope crossover function (or overlap function) by means of a novel raytracing Gaussian model. The problem of overlap function computation and its near-range sensitivity for medium size aperture (f=10, f=11) bi-axial tropospheric lidar systems using both detector and ber-optics coupling alternatives at the telescope focal-plane is analysed using this new ray-tracing approach, which provides a much simpler solution than analyticalbased methods. Sensitivity to laser divergence, eld-lens and detector/ ber positions, and ber's numerical aperture is considered. (2) Design and opto-mechanical implementation of the 6-channel polychromator (i.e., the spectrally selective unit in reception). Design trade-o s concerning light collimation, end-to-end transmissivity, net channel responsivity, and homogeneous spatial light distribution onto the detectors' active area discussed. (3) System integration and validation. This third part is two fold: On one hand, fi rst-order backscatter-coe cient error bounds (a level-1 data product) for the two-component elastic lidar inversion algorithm are estimated for both random (observation noise) and systematic error sources (user's uncertainty in the backscatter-coe cient calibration, and user's uncertainty in the aerosol extinction-to-backscatter lidar ratio). On the other hand, the multispectral lidar so far integrated is described at both hardware and control software level. Statistical validation results for the new UPC lidar (today in routine operation) in the framework of SPALI-2010 intercomparison campaign are presented as part of EARLINET quality assurance / optimisation of instruments' program. The methodology developed in the rst part of this Ph.D. has successfully been applied to the speci cation case study of the IFAE/UAB lidar system, which will be installed and operated at the Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory. Finally, specs for automated unmanned unattended lidar operation with service times close to 365/24 are presented at the end of this Ph.D. in response to the increasing demand for larger observation times and availability periods of lidar stations.