Memoria para optar al título de Diseñador Industrial / Sistema experimental y exhibidor desarrollado para facilitar la investigación de celdas solares biosintetizadas, configuradas en modelo por capas con vidrio FTO. Dicho sistema, representa las siguientes ventajas para el trabajo del investigador: 1)Actúa como complemento en instancias complejas y propensas a error del proceso de investigación. Siendo sus resultados más verídicos, ya que se utiliza un modelo experimental estandarizado. Y por otra parte, una menor cantidad de errores derivados a las herramientas experimentales y al operador. 2)Comunicación de los alcances principales de la investigación, a través de un medio que permite la interacción de los científicos con un público fuera del área académica, apoyados en el acto empírico que sustenta los alcances alcanzados .Complementando la teoría con la demostración in situ. La implementación del sistema experimental en la investigación, significa para el proceso a) Estandarización de las muestras y disminución de errores en su preparación, gracias a la preparación de los elementos para la experimentación, a través de plantillas de demarcación y de ensamblaje. b) Aplicación del electrolito de manera más eficiente (capa homogénea) y como un proceso más cómodo para el científico. c) Estandarización y simplificación del contexto experimental (fuente de luz y circuito eléctrico d) Mejora de los parámetros fotovoltaicos de las celdas e) Extensión de la vida útil de las células solares, de 43 minutos en promedio a 7 días. Lo que representa una gran ventaja en la investigación, ya que le otorga más confiabilidad a los resultados (puesto que descarta bajas significativas en las propiedades eléctricas de la celda v/s tiempo transcurrido). Además permite la repetición de las evaluaciones con la misma muestra. f) Disminución del tiempo promedio total de experimentación (desde la preparación de los elementos hasta la evaluación de todas las muestras.) De 8,5 horas a 3,3 horas (en un 61%). Es importante aclarar, que este tiempo promedio considera repeticiones por errores del investigador y de las evaluaciones en sí. g) Mejor aprovechamiento de los recursos, ya que se requieren menos repeticiones en la construcción de las celdas, se cuida la integridad de los vidrios FTO (extendiendo su vida útil). Además, se requiere de una menor cantidad de electrolito por celda. / 01-01-2021

Magíster en Ciencias, Mención Física / La generación de energía a través de la radiación solar es una de las tecnologías más prometedoras para un futuro sustentable. En particular, las tecnologías fotovoltaicas de telururo de cadmio (CdTe) aún se encuentran lejos de llegar a su maxima eficiencia, pero aín así han logrado competir en precio respecto de las tradicionales celdas fotovoltaicas a base de silicio cristalino. En las celdas fotovoltaicas de CdTe se necesita de investigación de frontera, especialmente enfocada a escalas atómicas. Sin embargo, considerando la complejidad de los experimentos a escala atómica, solamente los estudios computacionales de primeros principios permiten revelar y llevar a cabo aquel nivel de detalle. Hemos realizado un estudio cuantitativo a través de cálculos de primeros principios para encontrar y establecer la energía de formación de la vacancia de teluro, VTe. El marco de trabajo más común para calcular energías de formación es conocida como la aproximación de frontera periódica (PBC, por sus siglas en ingles), la cual replica periódicamente una celda dada. El problema radica en la selección del tamaño de la supercelda, puesto que en estados cargados habrá una falsa interacción Coulombiana entre un defecto y sus réplicas periódicas que decae al aumentar la distancia entre defectos. Una alternativa para esta aproximación es la aproximación QM/MM. En dicha aproximación utilizamos una fracción del cristal (llamada cluster) la cual se trabaja a nivel cuántico (región QM) y que luego es incrustada en un conjunto de cargas puntuales que se trabajan a nivel clásico (región MM). Estas cargas puntuales son ajustadas de forma de reproducir los mismos efectos que un cristal infinito en el centro del cluster. En este trabajo hemos utilizado ambas aproximaciones y hemos llegado a establecer valores más seguros para la vacancia de teluro. The generation of energy through solar radiation is one the most promising technologies for a sustainable future. In particular, photovoltaic technologies of cadmium telluride (CdTe) are still far from reaching their maximum efficiency, but have also managed to compete in price with respect to traditional crystalline silicon photovoltaic cells. In the photovoltaic cells of CdTe frontier research is needed, especially focused on atomic scales. However, consider- ing the complexity of the atomic-scale experiments, only the computational studies of first principles calculations reveal and carry out this level of detail. We have performed a quantitative study through first principles calculations for finding and establishing the tellurium vacancy formation energy, VTe. The most common framework for calculating formation energies is known as the periodic boundary conditions approxima- tion (PBC), which periodically replicates a given cell. The problem lies in the selection of the super-cell size, since in charged states there will be a spurious Coulomb interaction between one defect and its periodic replicas which decays as the distance between defects increases. An alternative to this approach is the QM/MM approach. In this approximation we use a fraction of the crystal (called cluster) which is treated at the quantum level (QM region) and then is embedded in a set of point charges that are treated at the classical level (MM region). These point charges are adjusted to reproduce the same effects as an infinite crystal at the center of the cluster. In this work we have used both approaches and we have come to establish more secure values for the tellurium vacancy. / Este trabajo ha sido financiado a través del proyecto FONDECYT 1130347

Ingeniero Civil Mecánico / La energía solar fotovoltaica representa una fuente renovable de energía, la cual se obtiene directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado celda fotovoltaica. Debido al amplio potencial de uso que presenta el recurso solar y la creciente demanda energética, es de interés el aprovechar de manera óptima este recurso. La producción de energía solar es sensible ante muchos factores, desde propiedades de la celda fotovoltaica en sí misma, como factores medioambientales, entre los cuales se presenta la nubosidad, que afecta de manera perjudicial a un sistema de celdas. Las nubes comprenden fenómenos de reflexión y absorción, afectando la radiación incidente en las celdas solares, y así mismo su desempeño. El caracterizar este fenómeno permitiría crear una red de monitorización de energía solar que simulase cómo impactarían las nubes sobre sistemas fotovoltaicos y así, gestionar las fluctuaciones eléctricas, para que la red no se vea afectada de manera significativa. Este trabajo se centra en el estudio experimental del desempeño de paneles fotovoltaicos sometidos ante una nubosidad controlada. Para el desarrollo de este estudio se generó nubosidad de manera experimental, que es confinada a un recipiente de vidrio traslucido posicionado entre una fuente de luz y la celda solar. Dicho montaje permite el estudio de la respuesta del panel fotovoltaico ante distintas configuraciones de la nubosidad, donde se varió su distancia a la celda receptora y espesor. La nubosidad generada cuenta con una densidad de 0,7063 [kg/m3] y diámetros de gotas de 3 a 5 micrómetros. El montaje experimental construido muestra tener un comportamiento estable, donde los datos medidos presentan una tendencia muy similar a las curvas teóricas que caracterizan el comportamiento del diodo ideal. Los errores para los datos medidos de intensidad de corriente no superan el 6%, mientras el voltaje se mide con una incertidumbre menor al 4%. Se obtienen regresiones de las curvas características con coeficientes de determinación superiores a 0,91. La radiación percibida por la celda disminuye con el aumento de la distancia entre celda y nubosidad. Son estudiadas distancias de 1, 5,5, 10 y 14,5 [cm] para una nubosidad de espesor 4 [cm]. Si bien la porción de radiación bloqueada muestra un aumento con la distancia, este crecimiento tiende a un valor límite, cercano a un 15%, medido para una separación de 14,5 [cm]. El aumento en la distancia de la nubosidad a la celda se ve reflejado en un escalamiento de la curva característica IV, desplazándola hacia el origen sin alterar su forma. Aumentos en el espesor nuboso utilizado generan decaimiento en la radiación percibida por la celda fotovoltaica. Se estudian casos de espesores 4, 8, 12 y 16 [cm], ubicados a una distancia de 1 [cm] frente a la celda. Se obtiene que la radiación bloqueada aumenta desde un 4,95% para un espesor de 4 [cm], hasta un 51,73% para un espesor de 16 [cm]. El aumento del espesor en la nubosidad se ve reflejado en un desplazamiento de la curva característica IV de la celda hacia el origen, donde el valor de disminuye en mayor medida que, por lo que se aprecia un cambio en la forma de la curva característica, a diferencia del caso de desplazamiento nuboso.

Ingeniero Civil Electricista / En búsqueda de aplicaciones vehiculares más eficientes que además estén en la línea de incorporar energías limpias y renovables, la Universidad de Chile ha sido pionera a nivel nacional con dos ediciones de Eolian, proyecto basado en el desarrollo de autos eléctricos usando energía solar fotovoltaica como principal fuente energética. En este contexto, el objetivo de esta memoria de título es contribuir a optimizar el desempeño solar-eléctrico del vehículo Eolian conociendo el rendimiento de las celdas fotovoltaicas seleccionadas, estudiando el efecto de la disposición de los arreglos de celdas, optimizando la operación en paralelo de múltiples adaptadores de impedancia y manejando las situaciones de sombreado. Dentro de la revisión bibliográfica destaca la forma constructiva de las celdas solares, los modelos usados para los análisis y la incorporación del estándar IEC 60904 para mediciones en celdas fotovoltaicas. El material recopilado es una guía para la tarea de medición y ayuda a precisar el enfoque de las propuestas, pero también es un punto de partida para fijar conceptos necesarios en cualquier labor sobre energía fotovoltaica. Por otro lado, el uso del estándar permite validar la metodología de trabajo y los resultados posteriores frente a la comunidad, como asimismo la comparación con otros estudios que se relacionan con esta tecnología. En una primera etapa se desarrolla la evaluación detallada de un módulo encapsulado compuesto por 16 celdas C-60 Sunpower y la obtención de su curva V-I y eficiencia. Se continúa con la recopilación de datos para una disposición de 6 módulos usando cargas resistivas y adaptadores de impedancia, en un diseño experimental propuesto en el marco del proyecto. Estos módulos se someten a diferentes configuraciones de sombra, para proporcionar una variedad de puntos de operación, útiles para la evaluación y entrega de propuestas. Con esta información se puede inferir las condiciones en que operan normalmente las celdas solares, la potencia alcanzada por el sistema y la influencia de sombras en él. Con los datos recopilados, la labor se enfoca en determinar los factores que impiden la obtención del desempeño esperado para las celdas en condiciones normales de operación y posibles mejoras. En primer lugar, el efecto de conectar celdas de distintas curvas características disminuye la eficiencia conjunta porque cada una de ellas no proporciona la potencia máxima posible, siendo aún peor cuando la calidad del encapsulado se ve reducida por efecto de manchas sobre él. A esto se suma los efectos que genera la influencia de sombra sobre el panel. A partir de estos resultados se logra diagnosticar el fenómeno de avalancha en el semiconductor gracias a la mejora del modelo convencional utilizado. Con esto se cuantifica el efecto de la sombra y de cómo ésta modifica el punto de máxima potencia. En segundo lugar, se demuestra que los diodos de bypass no operan cuando la sombra corresponde al área de una sola celda, perdiendo un 18 [%] de la potencia máxima en las pruebas realizadas. Se propone la instalación de un actuador, que permita la anulación del módulo sombreado vía interruptores. Por último, se verifica que no hay interferencia entre los adaptadores de impedancia cuando operan en paralelo. La principal deficiencia es que operan en una zona estrecha de la curva V-I, alejándose de los puntos de máxima potencia durante las horas de menor radiación; y el efecto Doorsill producido por el aumento gradual de la sombra sobre el panel, no ubicándose en el máximo global posible. Como trabajo futuro se proponen distintas mejoras en el diseño del panel entre las que destaca la cuantificación detallada de los distintos factores que disminuyen la eficiencia de las celdas en el vehículo solar y optimizar la estrategia de bypass.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniera Civil Mecánica / Dentro de los factores que afectan negativamente una celda solar fotovoltaica se destaca la temperatura. Ya sea por imperfecciones del material o a condiciones de operación no uniformes, es posible que se concentre calor en una zona debido a la disminución de la resistencia local y su consecuente aumento de corriente eléctrica. Estas zonas de concentración de calor pueden estabilizarse, generando gradualmente degradación de la celda, disminución de su vida útil y eficiencia. En caso contrario, puede ocurrir un fenómeno de descontrol térmico que resulta catastrófico para la celda, inhabilitando su correcto funcionamiento. Estudios en módulos de película delgada revelan que esta condición ocurre incluso cuando la radiación está uniformemente distribuida y con ello, el perfil de temperatura inicial es constante. La evolución temporal, bajo radiación, induce zonas de calor que incrementan exponencialmente la temperatura, contrayendo su área; por otra parte, la temperatura de las zonas más alejadas disminuye simultáneamente mientras disipan pequeñas corrientes. Para evitar este fenómeno se pueden escalar propiedades del dispositivo, como aumentar la conductividad térmica y disminuir el espesor. Actualmente, estos análisis se realizan a partir de modelos numéricos y analíticos basados en el comportamiento de diodos y mediciones experimentales del perfil de temperatura en la capa superficial de la celda y en la juntura. El propósito de esta Tesis es determinar criterios de estabilidad electro-térmico que pueden ser utilizados para evitar el descontrol de temperatura a partir de aplicar un análisis a un modelo hidrodinámico de mayor complejidad que uno basado en diodos; más aún, considerar un estado fuera del equilibro entre la temperatura de la red y los portadores de carga. Se determinó que la inestabilidad ocurre en la juntura PN y depende fuertemente la temperatura de la juntura en los bordes. Además, aumentar la temperatura de los portadores, disminuir el largo y aumentar el voltaje aplicado pueden estabilizar el sistema, aumentando el tiempo en que el sistema duplica su temperatura. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT-PCHA/Magíster Nacional/2016 - 22160729

Magíster en Ciencias, Mención Mecánica / Hoy en día existe una necesidad creciente por mejorar las aplicaciones de la energía solar, en particular a través del uso de dispositivos a base de semiconductores. La base de la tecnología usada en las celdas fotovoltaicas es el dispositivo llamado junta PN. Por ende, una mejor comprensión y caracterización de los procesos físicos involucrados en dicho dispositivo ayudará a encauzar de mejor manera los esfuerzos para mejorar las prestaciones de las celdas fotovoltaicas. En los materiales a base de semiconductores los transportadores de carga eléctrica son los electrones en la banda de conducción y también los electrones de la banda de valencia. Cuando electrones dejan la banda de valencia (subiendo energéticamente a la banda de conducción) estados desocupados (hoyos) quedan en dicha banda. Desde el punto de vista de la modelación es más fácil describir el movimiento de hoyos que el de electrones en la banda de valencia. En esta tesis se estudió el flujo de transportadores de carga en una junta PN a través de un modelo hidrodinámico [2, 7, 16, 17, 30]. El cual incluyó la ecuación de Poisson, y leyes de conservación de masa y momentum para electrones y hoyos. Usualmente en el diseño de dispositivos a base de semiconductores se utiliza el modelo Drift-Diffusion (DD). Dicho modelo aplicado a la junta PN asume: (i) una zona vacía de transportadores cerca de la junta, (ii) equilibrio térmico, y (iii) que los efectos de las colisiones de los transporte son despreciable para el cálculo del transporte de carga. Dichas simplificaciones dejan de ser válidas para juntas pequeñas (del orden del micrón) [23]. El modelo usado en esta tesis supera estos supuestos y además entrega información acerca de la distribución espacial de las densidades y velocidades de electrones y hoyos en todo el dispositivo. Estas distribuciones no son entregadas por el modelo DD. El modelo propuesto fue resuelto con la ayuda del método de perturbaciones y algoritmos numéricos. Para su resolución las ecuaciones fueron adimensionalizadas. Se redefinió el número de Reynolds y la viscosidad cinemática para el flujo de electrones. Se estudiaron las distribuciones espaciales de la densidad de transportadores, campo eléctrico, potencial electrostático, y velocidades de electrones y hoyos para distintas configuraciones de operación y diseño. Se obtuvieron también las curvas de corriente versus el voltaje aplicado con y sin radiación incidente. Se concluyó que, las Juntas PN que en equilibrio (oscuridad y sin voltaje aplicado) tienen campos eléctricos más intensos son más eficaces para generar potencia útil cuando existe radiación. En este sentido, aumentos del dopaje, disminuciones de la temperatura del cristal, y una temperatura adecuada de electrones y hoyos favorecen la generación de potencia útil por parte de la junta PN. Se espera que esta nueva caracterización sirva como punto de partida de posteriores estudios térmicos de estos dispositivos.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniero Civil Mecánico / El estudio de energía solar responde a las necesidades energéticas actuales, ya que es de una fuente virtualmente inagotable, abundante y amigable al medioambiente. Esta energía puede ser convertida a energía eléctrica mediante celdas solares fotovoltaicas. Éstas presentan comúnmente eficiencias en el rango de 15% al 20%, donde gran parte de la energía restante se transforma en calor. El aumento de temperatura de las celdas trae consigo una disminución de eficiencia y vida útil, lo que justifica el desarrollo de sistemas de enfriamiento. Un conjunto de celdas conectadas en serie se limitan por la celda con peor eficiencia, lo cual crea la necesidad de uniformizar la temperatura para disminuir este efecto. El objetivo principal de este trabajo es plantear teóricamente y modelar numéricamente la fluidodinámica y transferencia de calor de un disipador de calor pasivo que permita disminuir y reducir las variaciones de la distribución de temperatura de un panel fotovoltaico bajo condiciones de operación extrema. Se diseñó un disipador de aletas que cumple con los requerimientos nombrados anteriormente. Se propuso un modelo de altura variable que toma en consideración las transferencias de calor por conducción, convección y radiación para hacer el balance energético. Lo anterior se simuló en el software ANSYS CFX para estudiar la distribución de temperatura en el panel, considerando adicionalmente la fluidodinámica. El modelo simulado en ANSYS CFX (simulación estacionaria) considera 6 celdas con un disipador, orientadas en la dirección del flujo, en un dominio lo suficientemente grande para que no afecte el resultado final modificando el perfil de velocidad. El modelo considera efectos de turbulencia, radiación, convección y conducción. Los resultados simulados son cercanos a lo predicho por el modelo analítico, validando así el modelo propuesto. El disipador logra disminuir y uniformizar la temperatura de forma aceptable. En términos de costos, se puede observar que es prácticamente lo mismo que otros sistemas similares, se podría establecer que la ganancia en eficiencia se ve mermada por un gran costo de manufactura. El problema puede seguir siendo estudiado en profundidad considerando distintas condiciones de operación, lo cual queda propuesto para un trabajo futuro.