Η διπλωματική μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης παρουσιάζει μελέτη σε φωτοευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Στο θεωρητικό μέρος παρουσιάζεται βιβλιογραφική ανασκόπηση των φωτοβολταϊκών κυττάρων και γίνεται εμβάθυνση στον μηχανισμό λειτουργίας των φωτοευαισθητοποιημένων ηλιακών κυττάρων με χρωστική ουσία (Dye-sensitized Solar Cells, DSSC). Αναλύονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση του ηλιακού κυττάρου: υποστρώματα από Indium-Tin Oxide (ITO), υμένιο από νανο-κρυσταλλικό διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), οργανικές χρωστικές ουσίες, υγρός/στερεός ηλεκτρολύτης ιωδίου και αντιηλεκτρόδιο. Επιπλέον, περιγράφονται πειραματικές διατάξεις από ελληνικά και διεθνή εργαστήρια τα οποία παρουσιάζουν τις νέες εξελίξεις στον τομέα των φωτοευαίσθητων φωτοβολταϊκών. Στο πειραματικό μέρος περιγράφεται η διαδικασία σύνθεσης φωτοευαίσθητων ηλιακών κυττάρων στο εργαστήριο. Γίνεται μελέτη των επιμέρους υλικών και σύνθεση νέων ηλιακών κυττάρων, έτσι ώστε να επιτευχθεί αύξηση της απόδοσης και της σταθερότητας των υποστρωμάτων τους. Σύμφωνα με την θεωρία Shockley–Queisser, η μέγιστη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου φτάνει το 30% και με επόμενες παρόμοιες μεθόδους υπολογίσθηκε ότι μπορεί να φτάσει το 68%. Παρουσιάζονται επιπλέον, πειραματικές διατάξεις με εφαρμογή χαμηλοδιάστατου ημιαγωγού, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης και ταυτόχρονα την μείωση του υλικού και του κόστους του φωτοβολταϊκού. Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός των επιμέρους υλικών έγινε με την χρήση τεχνικών οργάνων, όπως: XRD, UV, PL, SEM. Η μέτρηση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων πραγματοποιήθηκε σε εσωτερικό σκοτεινό χώρο με προσομοίωση του ηλιακού φωτός με την χρήση του ηλεκτρομέτρου και υπολογίστηκαν οι αποδόσεις των φωτοβολταϊκών κυττάρων. / The present master thesis presents a study on photo-sensitized solar cells, which convert solar radiation into electricity. The theoretical part includes a literature of relevant works on solar cells and a description of the operation mechanism of photo-sensitized solar cells using pigment (Dye-sensitized solar cells, DSSC). The materials used for the fabrication of solar cell were Indium-Tin Oxide (ITO) for the substrate, thin film from nanoparticles of titanium dioxide (TiO2), organic pigments, liquid/solid iodide electrolyte and counter electrode. In addition, testing devices and cell fabrication procedures, from national and international laboratories covering the developments in the field of photosensitive solar cells, are also included. In the experimental part, the procedure for the synthesis of photo-sensitized solar cells is extensively described. The used materials and the synthesis mode to achieve new cell types with increased efficiencies and substrate stability are presented. According to Shockley-Queisser theory, the theoretically maximum efficiency of solar cell is up to 30%, which in other methods it has been extended to 68%. In the same part, experimental procedures for other semiconductor application are additionally presented, aiming to a reduction in material and cost. The study and the characterization of the used materials were performed by using suitable equipment as XRD, UV, PL and SEM. The solar cell efficiency was measured in a dark room using electrometer and the efficiency were obtained.

Στην περιγραφόμενη διπλωματική εργασία μελετώνται τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα και γίνεται η μελέτη για την τροφοδότηση μιας αγροικίας στην περιοχή της Πάτρας. Τέτοια συστήματα αποτελούνται από φωτοβολταϊκά πλαίσια, συσσωρευτές και ηλεκτρονικές διατάξεις. Τα πλαίσια είναι αυτά που συλλέγουν την ηλιακή ακτινοβολία και μέσω ενός μηχανισμού, που λέγεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο, την μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι συσσωρευτές αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις, δηλαδή ο μετατροπέας τάσης και ο ελεγκτής φόρτισης, ευθύνονται για την μετατροπή της συνεχούς ισχύος σε εναλλασσόμενη καθώς, επίσης, και για την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Αφού γίνει παρουσίαση όλης της θεωρίας και των μαθηματικών τύπων που απαιτούνται, γίνεται εφαρμογή τους μέσω του σχεδιασμού του κατάλληλου φωτοβολταϊκού συστήματος για την τροφοδότηση της αγροικίας. / The subject of this diploma thesis is the study of stand-alone photovoltaic systems. Such systems include photovoltaic modules, batteries, inverters and charge controllers as well. The photovoltaic modules collect solar energy and transform it into electrical energy via a mechanism that is called photovoltaic effect. Batteries storage electrical energy and are used when the electrical demand is greater than the energy generated by the modules. Inverters are used to convert DC power into AC power and charge controllers connect or disconnect the batteries from the system, as needed. After presenting the theory data required, a stand-alone photovoltaic system is designed so as to supply a country house.

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.

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.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement de nouvelles applications des matériaux III-Nitrure en général, et de l’alliage InGaN en particulier, pour la réalisation de cellules solaires à base de multi-jonction. Les nombreux avantages du matériau InGaN, à savoir son coefficient d’absorption élevé (105 cm−1), sa résistance thermique élevée, et sa tolérance aux radiations ainsi que sa bande interdite couvrant presque tout le spectre solaire (0.64 - 3.4eV), en font un sérieux candidat pour les dispositifs photovoltaïques. Ainsi une cellule solaire à quadruple jonctions permettrait l’obtention d’une efficacité au-delà de 50%. Cependant, les enjeux technologiques tels que la séparation de phase, le manque de substrat approprié donnant lieu à de forte densité de dislocations, et la difficulté de réalisation du dopage de type-p, sont considérés comme des obstacles pour atteindre les performances attendues. L’objectif de ce travail est d’étudier deux nouvelles approches qui peuvent résoudre les problèmes cités précédemment pour la réalisation de cellules solaires de haute efficacité à base d’InGaN. La première approche est dite approche "semibulk". Elle consiste à élaborer une structure multicouches InGaN/GaN épaisse avec une optimisation de l’épaisseur de chaque couche (InGaN et GaN), de façon que les couches de GaN soient suffisamment épaisses pour être efficaces, et assez mince pour permettre le transport des porteurs de charges par effet tunnel. Les couches InGaN quant à elles, doivent être assez épaisses et nombreuses afin d’absorber efficacement le rayonnement lumineux et suffisamment minces pour éviter la relaxation et l’apparition de dislocations. La deuxième approche consiste en la croissance de nanostructures InGaN qui autorise une incorporation d’indium élevée avec un matériau complètement relaxé et sans dislocation. La complète relaxation du matériau permet en outre de s’affranchir de l’effet piézoélectrique qui conduit à une chute du rendement. Nous avons pu démontrer que les cellules photovoltaïques à base d’In0.08Ga0.92N réalisées suivant l’approche "semibulk" présentent un pic de rendement quantique de 85%, ainsi qu’une efficacité de conversion en conditions AM 1.5G, presque trois fois plus élevée que l’état de l’art. Les premiers résultats obtenus sur les cellules photovoltaïques à base de nanostructures d’In0.08Ga0.62N sont très encourageants / The InGaN material system, with high absorption coefficient (105 cm−1) and a bandgap from 0.64 eV to 3.4 eV spanning the entire visual spectrum, make the development of all-InGaN multijunction solar cells with overall conversion efficiency larger than 50% theoretically possible. However, to reach this goal high-quality and thick InGaN layers with high indium concentration are required, which is not a trivial task. Studies of InGaN-based junctions with an indium mole fraction exceeding 0.3 are rare due to issues such as strong phase separation and relaxation of the layer due to lattice mismatch with the substrate which lead to InGaN layers with large dislocation density and indium-clustering. These material problems, significantly limit the performance of InGaN-based photovoltaic cells, and whatever the indium content, performance still remains far from the theoretical ones. The objective of this study is to investigate new approaches that may overcome the issues of phase separation and high dislocation density in InGaN materials with high indium concentration, for the realization of high efficiency InGaN based solar cells. Two novel approaches are proposed that may overcome the basic challenges involved in the InGaN hetero-junction solar cells. The first approach consists in the growth of a thick multi-layered InGaN/GaN absorber, called Semibulk. These GaN interlayers need to be thick enough to be effective and thin enough to allow carrier transport through tunneling. The InGaN layers need to be thick and numerous enough to absorb efficiently the incoming light beam, and thin enough to remain fully strained and without phase separation. The second approach consists in the growth of InGaN nano-structures to achieve high quality thick InGaN epitaxial layers with high indium concentration. It allows the elimination of the preexisting dislocations in the underlying template. It also allows strain relaxation of InGaN layers without any dislocations, leading to higher indium incorporation and reduced piezoelectric effect. The electro-optical characterization of semibulk In0.08Ga0.92N PV devices show a maximum external quantum efficiency (EQE) of 85%, which is the maximum EQE peak reported so far for an InGaN PIN heterojunction solar cell. The voltage dependence of the current density, under AM 1.5G solar spectrum for the semibulk In0.08Ga0.92N solar cells results in values of Jsc, Voc, fill factor (FF) and power conversion efficiency (PCE) as 0.57 mA/cm2, 1.04 V, 65% and 0.39% respectively. A comparison of the results to the literature show that the Jsc is four to five times of what has been reported for a bulk In0.08Ga0.92N PV structure. This value of Jsc lead to a PCE for the semibulk In0.08Ga0.92N-based PV cell which is at least three times higher than the PCE for the bulk In0.08Ga0.92N structure under AM 0 solar spectrum. For our second approach, high crystalline structural quality for InGaN nano-structures with 35% of indium concentration has been obtained. The electro-optical characterization for In0.09Ga0.91N nano-structure PV cells shows a significant enhancement in the performance of the devices. The PV devices result in a Jsc and Voc of 12 mA/cm2 and 1.89 V under concentrated light respectively

Le travail de la thèse proposé consiste à étudier, caractériser et modéliser la performance et la fiabilité de composants semi-conducteurs sous conditions extrêmes c’est à dire pendant et après que ces composants ont subi un stress électrique, un stress thermique voire les deux stress en même temps. Les composants semi-conducteurs que nous avons étudiés sont des modules photovoltaïques en silicium monocristallin pour des applications dans les énergies renouvelables. Dans cette étude, ces composants ont été soumis à plusieurs types de dégradations générant des défauts localisés dans la structure des composants. Dans un premier temps, des études approfondies des caractéristiques I(V) et C(V) et des paramètres électriques des modules solaires photovoltaïques ont été réalisées en testant une série de modules sous différentes conditions environnementales afin de fournir des données pertinentes pouvant être utiles pour l'évaluation des performances, la modélisation du fonctionnement et pour la mise en œuvre correcte et complète des modules photovoltaïques. Ces caractérisations ont été complétées par l’étude des défauts créés à l’interface et dans les structures des modules photovoltaïques par les différents stress sur la base de mesures effectuées sur ces mêmes cellules par la technique Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). Grâce à cette technique, nous avons identifié et localisé ces défauts au sein du composant, en déterminant leur énergie d’activation et leur section efficace de capture. Les résultats de notre étude montrent ainsi l’importance des conditions de fonctionnement sur les performances instantanées et sur le long terme des systèmes photovoltaïques. Ils peuvent être exploitables directement dans la conception même des modules silicium voire transposable, en suivant la méthodologie de l’étude que nous proposons à de nouvelles technologies de modules / The objective of this work aim to study the performance, reliability of semiconductor structures after their operation under extreme conditions, during and after electrical stress, thermal stress, and combined electro thermal stresses. The studied semiconductor structures are photovoltaic cells for applications in the field of renewable energies. These devices have been exposed to several types of degradation generating localized defects in the structures. The I (V) and C (V) characteristics and electrical parameters have been studied before and after each stress case. The Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) was used as advanced technique for tracking the defects created at the interface and in the bulk structures. The DLTS technique allows identifying and locating these defects within the devices, by determining their activation energy and their capture cross-Section

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στον χώρο των Φ/Β πλαισίων εναλλασσομένου ρεύματος (AC-PV Modules) με μετατροπείς δύο βαθμίδων, και πιο συγκεκριμένα σε μετατροπείς Σ.Τ. – Σ.Τ με τους οποίους επιτυγχάνεται ανύψωση της τάσης και μπορούν να αποτελέσουν την πρώτη από τις δύο βαθμίδες. Τρεις είναι οι κύριοι στόχοι: A)Η εύρεση της καταλληλότερης επιλογής για την πρώτη βαθμίδα της διάταξης σύνδεσης ενός Φ/Β πλαισίου στο μονοφασικό δίκτυο χαμηλής τάσης. B)Ο βέλτιστος σχεδιασμός και η επιλογή του κατάλληλου Πολλαπλασιαστή Τάσης. C)Ο βέλτιστος σχεδιασμός της μονάδας ανύψωσης τάσης, η οποία αποτελεί την πρώτη βαθμίδα, μιας διάταξης δύο βαθμίδων, για τη σύνδεση Φ/Β πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Η μελέτη των τυπικών επιπέδων τάσης που εμφανίζονται σε διατάξεις διασύνδεσης δύο βαθμίδων απέδειξε την ανάγκη σχεδιασμού μετατροπέων Σ.Τ.-Σ.Τ. με υψηλά κέρδη τάσης, τα οποία δεν μπορούν να προσφέρουν οι κλασσικοί μετατροπείς. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε το έναυσμα για τη διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς των Πολλαπλασιαστών Τάσης και εστιάσθηκε στην εξαγωγή νέων απλών και ακριβέστερων μαθηματικών σχέσεων για τη λειτουργία τους, στον ορισμό και την υλοποίηση του βέλτιστου σχεδιασμού και τέλος στη βέλτιστη επιλογή των στοιχείων του κυκλώματος. Για τον καλύτερο δυνατό σχεδιασμό του ανυψωτή τάσης διεξάγεται τεκμηριωμένη σύγκριση μεταξύ διαφόρων δημοφιλών τοπολογιών Πολλαπλασιαστών Τάσης, καθώς και της μορφής της τάσης που θα τον τροφοδοτεί. Η εκτεταμένη έρευνα καταλήγει στην εφαρμογή θετικής παλμικής τάσης εισόδου, με τη χρήση μιας παραλλαγής του μετατροπέα Boost (Mod Boost), ενώ επικρατέστερος Πολλαπλασιαστής Τάσης είναι μία παραλλαγή του Half-Wave Cockcroft-Walton με πυκνωτή εξομάλυνσης (Modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor). Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνεται επιπλέον ένας νέος επαναληπτικός αλγόριθμος, ο οποίος συνδυάζει επιτυχώς θεωρητικές εξισώσεις και προσομοίωση, έχοντας ως στόχο το βέλτιστο σχεδιασμό του σύνθετου ανυψωτή τάσης, ο οποίος ονομάστηκε “Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM” και συνίσταται από τον τροποποιημένο μετατροπέα Boost και τον προαναφερθέντα Πολλαπλασιαστή Τάσης. Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω της προσομοίωσης και της σύγκρισης με κατάλληλα εργαστηριακά πρωτότυπα. / The current PhD thesis focuses on the field of AC PV Modules using Dual-Steps Inverters and more specifically on DC-DC Converters that are voltage boosters and can act as the first one of the two stages of the inverter. Three goals are accomplished in this work: A)The optimum choice of the topology for the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module connected to the single-phase low voltage utility grid. B)The optimum choice and design of the Voltage Multiplier. C)The optimum design of the first stage of a dual steps inverter of an AC-PV Module. The analysis of the typical voltage levels at the dual steps topologies turns the research interest to DC-DC Converters with voltage gain (more than 20) higher than what is typical for the classical topologies. Based on that, a theoretical analysis is held on Voltage Multipliers according to which the crucial magnitudes are highlighted and new, simple and accurate formulas are extracted, which describe the operation of the voltage multipliers. Moreover theoretical supported choices about the capacitances in every stage are suggested, an optimum design is determined and for its implementation new accurate easy-to-use formulas are extracted. For an optimal design of the voltage booster, well established comparisons are made between popular types of voltage Multipliers and voltage triggering sources. The intensive research leads to the use of a positive voltage pulsing source that is generated by a modified Boost converter (Mod Boost Converter). Moreover a modified Half-Wave Cockcroft-Walton with Smoothing Capacitor VM is set as the best choice among the studied Voltage Multipliers. Furthermore, a novel iterative optimum design algorithm is introduced, which uses both the theoretical equations of a VM optimum design and a simulation software, so as to make feasible an optimum design of the novel DC-DC Converter. The new converter, named Mod Boost – Mod H-W C-W SC VM, results from the series connection of the modified converters Boost and Half Wave Cockcroft Walton with Smoothing Capacitor VM. Finally, the conclusions and the theoretical analysis of this work are validated by PSPICE simulations and experimental results, extracted by measurements on laboratory prototypes.