Light absorption and ergodicity in systems that transform light into other forms of energy
Authors:   , Ferreira Catarina Gonçalves 
Published: March 2024

(English) To mitigate the present environmental crisis, caused by the excessive use of fossil fuels and associated release of carbon dioxide into the atmosphere, it is necessary to significantly reduce worldwide energy consumption, to rely more strongly on clean and renewable sources of energy, but also to maximize energy efficiency in currently existent technologies that make use of energy. To reach such maximal energy efficiency, it is necessary to optimize light propagation, harvesting, and utilization in the different existent optoelectronic technologies. Given that a considerable portion of the global energy consumption is dedicated to illumination or devices incorporating illumination sources in them, a clear path to maximize energy-efficiency would imply minimizing the light losses in such kind of systems. In addition, for maximal energy conversion efficiency it is essential to optimize light absorption in systems that perform an unassisted sunlight transformation into other forms of energy, such as electrical or chemical.
To reach the double goal of optimizing light utilization and transformation, in this thesis we consider the study of optical ergodic configurations, where light rays are randomized after a few bounces at the interfaces, losing any correlation with the external incident state and giving rise to an isotropic radiation inside the material. In Chapter 2 of the thesis, we demonstrate that an ergodic geometry can be used to obtain homogeneously distributed polarized light emission. In the same ergodic system, we also demonstrate that the light with the unwanted polarization can be trapped and transformed back into electricity by using a couple of perovskite solar cells. Such features are potentially useful to increase energy efficiency in optoelectronic devices incorporating illumination sources in them, as is the case of liquid crystal displays. A similar ergodic light propagation is also considered in Chapter 3 to determine what the maximal light trapping and effective light absorption is in a BiVO4-based photoanode of a photoelectrochemical cell used for light transformation into hydrogen. The limits in the efficiency of such energy transformation are seen to be strongly linked to the weakly light-absorbing sub-bandgap states. A three-dimensional nano-structuration of the photoanode in the photoelectrochemical cell is explored as a path to eventually reach ergodicity for light propagation in the photoanode. In the final chapter of the thesis, we consider a tandem construction of two complementary light absorption elements, such as a BiVO4 photoanode and an organic solar cell, to obtain an unassisted conversion of sunlight into hydrogen in photoelectrochemical cells. Optical multilayers designed by implementing an inverse problem-solving approach are found to be an essential ingredient to properly balance light absorption among such two light-absorbing elements in the tandem, leading to an optimal solar-to-hydrogen conversion.

(Català) Per a mitigar l'actual crisi mediambiental, causada per l'ús excessiu de combustibles fòssils i l'alliberament associat de diòxid de carboni a l'atmosfera, és necessari reduir significativament el consum d'energia a escala mundial, confiar més en fonts d'energia netes i renovables, però també maximitzar l'eficiència energètica en les tecnologies actualment existents que utilitzen l'energia. Per assolir aquesta eficiència energètica màxima, és necessari optimitzar la propagació de la llum, la recol·lecció i la utilització en les diferents tecnologies optoelectròniques existents. Atès que una part considerable del consum global d'energia es dedica a la il·luminació o dispositius que incorporen fonts d'il·luminació en ells, un camí clar per maximitzar l'eficiència energètica implicaria minimitzar les pèrdues de llum en aquest tipus de sistemes. A més, per a una eficiència màxima de conversió d'energia, és essencial optimitzar l'absorció de llum en sistemes que realitzen una transformació de la llum solar no assistida en altres formes d'energia, com ara l'electricitat o la química.
Per assolir el doble objectiu d'optimitzar la utilització i transformació de la llum, en aquesta tesi considerem l'estudi de configuracions ergòdiques òptiques, on els raigs de llum són aleatoris després d'uns quants rebots a les interfícies, perdent qualsevol correlació amb l'estat d'incidència extern i donant lloc a una radiació isotròpica dins del material. En el Capítol 2 de la tesi, es demostra que una geometria ergòdica pot ser utilitzada per obtenir una emissió de llum polaritzada distribuïda homogèniament. En el mateix sistema ergòdic, també demostrem que la llum amb la polarització no desitjada pot ser atrapada i transformada de nou en electricitat utilitzant dues cèl·lules solars de perovskita. Aquestes característiques són potencialment útils per augmentar l'eficiència energètica en dispositius optoelectrònics que incorporen fonts d'il·luminació en ells, com és el cas de les pantalles de cristall líquid. Una propagació de llum ergòdica similar també es considera en el Capítol 3 per determinar quina és la màxima captura de llum i l'absorció de llum efectiva en un fotoànode basat en BiVO4 d'una cèl·lula fotoelectroquímica utilitzada per a la transformació de la llum en hidrogen. Els límits en l'eficiència d'aquesta transformació d'energia es veuen fortament vinculats als estats subbanda prohibida de feble absorció de llum. Una nanoestructura tridimensional del fotoànode en la cèl·lula fotoelectroquímica s'explora com un camí per arribar finalment a l'ergodicitat per a la propagació de la llum en el fotoànode. En el capítol final de la tesi, es considera una construcció en tàndem de dos elements d'absorció de llum complementaris, com un fotoànode BiVO4 i una cèl·lula solar orgànica, per obtenir una conversió de la llum solar en hidrogen en cèl·lules fotoelectroquímiques. Es troba que les multicapes òptiques dissenyades per implementar un enfocament invers de resolució de problemes són un ingredient essencial per equilibrar adequadament l'absorció de llum entre aquests dos elements absorbidors en el tàndem, portant a una conversió òptima d’energia solar a hidrogen.

(Español) Para mitigar la actual crisis ambiental, provocada por el uso excesivo de combustibles fósiles y la consiguiente liberación de dióxido de carbono a la atmósfera, es necesario reducir significativamente el consumo mundial de energía, confiar más en fuentes de energía limpias y renovables, pero también maximizar la eficiencia energética en las tecnologías actualmente existentes que hacen uso de la energía. Para alcanzar tal eficiencia energética máxima, es necesario optimizar la propagación, recolección y utilización de la luz en las diferentes tecnologías optoelectrónicas existentes. Dado que una parte considerable del consumo energético mundial se dedica a la iluminación o a dispositivos que incorporan fuentes de iluminación, un camino claro para maximizar la eficiencia energética pasaría por minimizar las pérdidas de luz en este tipo de sistemas. Además, para obtener la máxima eficiencia de conversión de energía, es esencial optimizar la absorción de luz en los sistemas que realizan una transformación de la luz solar, sin aplicar un voltaje externo, en otras formas de energía, como eléctrica o química.
Para alcanzar el doble objetivo de optimizar la utilización y transformación de la luz, en esta tesis consideramos el estudio de configuraciones ópticas ergódicas, donde los rayos de luz se aleatorizan tras unos pocos rebotes en las interfaces, perdiendo cualquier correlación con el estado incidente externo y dando lugar a un radiación isotrópica en el interior del material. En el Capítulo 2 de la tesis, demostramos que se puede utilizar una geometría ergódica para obtener una emisión de luz polarizada homogéneamente distribuida. En el mismo sistema ergódico, también demostramos que la luz con la polarización no deseada puede atraparse y transformarse de nuevo en electricidad mediante el uso de un par de células solares de perovskita. Tales características son potencialmente útiles para aumentar la eficiencia energética en dispositivos optoelectrónicos que incorporan fuentes de iluminación en ellos, como es el caso de las pantallas de cristal líquido. Una propagación de luz ergódica similar también se considera en el Capítulo 3 para determinar cuál es la captura de luz máxima y la absorción de luz efectiva en un fotoánodo basado en BiVO4 de una celda fotoelectroquímica utilizada para la transformación de luz en hidrógeno. Se considera que los límites en la eficiencia de dicha transformación de energía están fuertemente vinculados a los estados de energía inferior al gap del material, que absorben débilmente la luz. Se explora una nanoestructuración tridimensional del fotoánodo en la celda fotoelectroquímica como un camino para alcanzar eventualmente la ergodicidad para la propagación de la luz en el fotoánodo. En el capítulo final de la tesis, consideramos una construcción en tándem de dos elementos de absorción de luz con perfiles de absorción complementarios, como un fotoánodo BiVO4 y una celda solar orgánica, para obtener una conversión no asistida por un voltaje externo de luz solar en hidrógeno en celdas fotoelectroquímicas. Se ha descubierto que la implementación de multicapas ópticas diseñadas con el objetivo de optimizar la absorción de luz son un ingrediente esencial para equilibrar adecuadamente la absorción de luz entre los dos elementos absorbentes de luz en el tándem, lo que lleva a una conversión óptima de energía solar a hidrógeno