Thermophotovoltaic cell design improvements through numerical simulations : uncertainty quantification and geometry optimization

En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la eficiciencia de dichas celdas. En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior, mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto. En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas (TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2 es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs. Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético (GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la eficiciencia de dichas celdas. En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior, mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto. En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas (TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2 es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs. Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético (GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la eficiciencia de dichas celdas. En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior, mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto. En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas (TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2 es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs. Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético (GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la eficiciencia de dichas celdas. En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior, mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto. En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas (TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2 es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs. Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético (GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.En esta tesis se exploran dos líneas de investigación basadas en simulaciones numéricas para aplicaciones en celdas termofotovoltaicas (TPV por sus siglas en inglés). En primer lugar, se investiga un método numérico propuesto recientemente, el cual permite cuantificar cambios en el desepeño de estructuras periódicas unidimensionales, llamadas gratings, debido a perturbaciones de forma en su superficie. La segunda línea, también basada en simulaciones numéricas, está enfocada en el estudio de estructuras periódicas como parte de emisores térmicos en sistemas TPV y en como estas estructuras permiten mejorar la eficiciencia de dichas celdas. En la primera parte, presentamos un nuevo modelo capaz de calcular momentos estadísticos del campo dispersado en gratings en forma determinística. Se estudian estructuras con superficies perfectamente conductoras perturbadas estocásticamente, las cuales dispersan radiación incidente polarizada en forma transversal eléctrica. El método se basa en una expansión de Taylor de la derivada de forma a primer orden, resultando en ecuaciones integrales las cuales son resueltas a través del método de los momentos con bases jerárquicas llamadas wavelets de Haar. Dichas bases permiten una aproximación no densa, la cual reduce significativamente el número de incógnitas requeridas y, además, entrega una mayor tasa de convergencia al compararlo con una aproximación densa. Junto a lo anterior, mostramos que el método propuesto converge más rápido que el conocido método de Monte-Carlo, requiriendo menor esfuerzo computacional. El modelo es validado mediante la comparación con diferentes casos y, junto con ello, simulaciones aplicadas a problemas de eficiencia de difraccción en gratings revelan la aplicabilidad del método propuesto. En la segunda parte, se investiga el potencial desempeño de gratings basados en capas de tungsteno (W) y hafnia (HFO2) como emisores térmicos selectivos en celdas TPV. Estructuras que consideran un grating de tungsteno sobre una capa de hafnia y un substrato de tungsteno son analizadas para diferentes geometrías. El primer caso considera gratings poco profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es mucho menor que el paso del grating), logrando una emitancia térmica del 99 % para ondas transverales magnéticas (TM), no obstante, el desempeño que presenta dicha estructura es deficiente para la radiaci ón transversal eléctrica (TE). Un segundo caso considera gratings profundos (donde el espesor del grating de tungsteno es del orden de magnitud del paso del grating), para el cual peaks de emitancia del 98% y el 99% son obtenidos para las polarizaciones TE y TM, respectivamente. En ambos casos encotramos que tanto plasmones polaritones superficiales y polaritones magnéticos juegan un rol crucial para la polarización TM. Por otra parte, las resonancias de cavidad son las responsables de la alta emitancia térmica en el caso de la polarización TE. Estos resultados sugieren que introduciendo una capa de HfO2 es posible alcanzar altas emitancias para temperaturas de operación las cuales se ajustan a las características ópticas de las celdas fotovoltaicas compuestas de GaSb y InGaAs. Junto a lo anterior, presentamos dos estructuras unidimensionales de sencilla fabricación compuestas por tungsteno y hafnia como emisores t´ermicos para aplicaciones en celdas TPV. Analizamos numéricamente y comparamos dos estructuras; una multicapa y una grating para los cuales se obtuvo alta emitancia térmica y baja sensibilidad a la dirección de la radiación. Se realizó una optimización de la geometría a través de un algoritmo genético (GA por sus siglas en inglés) y una adecuada función de costo junto con el método riguroso de acoplamiento de ondas. Los cálculos muestran que estas estructuras poseen alta emitancia térmica hemisférica para rangos de longitudes de onda que se ajustan a la respuesta óptica de celdas fotovoltaicas tales como InGaAs y GaSb. Para cada estructura analizamos la emisividad en-banda (in-band emissivity) y la eficiencia espectral, así como también la potencia emitida por los emisores. El desempeño de dichos emisores es evaluado tanto para diferentes longitudes de onda de corte de emisión como temperaturas. Además, a través de simulaciones numéricas y consideraciones teóricas, entregamos explicaciones acerca de la mejora en la emitancia. Por último, dado que el algoritmo de optimización sugiere espesores de tungsteno delgados, también se ha realizado un análisis de tolerancia.