Física (Dr.)

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Estudio de las condiciones de sobreirradiancia: su impacto en la distribución espectral en distintas latitudes y su relación con la profundidad óptica de las nubes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-18) Zamalloa Jara, Marco Antonio; Palomino Töfflinger, Jan Amaru; Grieseler, Rolf
Los eventos de sobreirradiancia y sobreirradiancia-extrema recientemente han llamado la atención de la comunidad fotovoltaica puesto que, si los inversores no han sido dimensionados adecuadamente, se pueden sobrecargar y afectar el funcionamiento de los sistemas de protección instalados en plantas de generación fotovoltaica, ocasionando daños potenciales y pérdidas económicas. Para comprender el mecanismo de los eventos de sobreirradiancia se han aplicado modelos de simulación sin mucho éxito, pues sus estimaciones difieren significativamente de los datos experimentales. Pese a que estos eventos fueron registrados hace más de medio siglo, aún falta entender las condiciones para que se produzcan. Existen dos hipótesis: la primera afirma que estos se producen por reflexión en los bordes y lados de las nubes gruesas fragmentadas, y la segunda indica que se deben a una fuerte dispersión de Mie hacia adelante en nubes delgadas. Este trabajo pone a prueba tales hipótesis usando datos de irradiancia espectral de espectrorradiómetros y datos satelitales de la profundidad óptica de las nubes. Se demuestra que el impacto de los eventos de sobreirradiancia sobre la distribución espectral produce un corrimiento al rojo, que el mayor incremento de la irradiancia se da en la región del infrarrojo, y se determina que nubes gruesas fragmentadas están presentes durante estos eventos. Esto nos lleva a concluir que, la presencia de nubes gruesas fragmentadas son condiciones favorables para los eventos de sobreirradiancia, y que se deberían a la reflexión en los bordes y los lados de estas nubes. Además, el incremento de la irradiancia global se debe al incremento de la componente directa. Finalmente, considerar el impacto de los eventos de sobreirradiancia en la distribución espectral podría ayudar a mejorar los modelos actuales de simulación.
Optical and luminiscent properties of terbium / ytterbium doped aluminum oxynitride and terbium doped aluminum nitride thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-08-06) Tucto Salinas, Karem Yoli; Guerra Torres, Jorge Andrés; Grieseler, Rolf
In the present thesis the optical and light emission properties of two systems consisting of Tb3+ and Yb3+ doped amorphous AlOxNy thin ﬁlms and Tb3+ doped polycrystalline AlN thin ﬁlms were analyzed. In the two ions system, to obtain an adequate luminescent emission, commonly a signiﬁcant eﬀort must be made to ﬁnd a suitable concentration of dopants and elemental composition of the host material. An interesting and highly eﬃcient method is a combinatorial approach, allowing a high velocity screening of a wider range of properties. In the present work a combinatorial gradient based thin ﬁlm libraries of amorphous AlOxNy:Yb3+, AlOxNy:Tb3+ and AlOxNy:Tb3+:Yb3+ have been prepared by radio frequency co-sputtering from more than one target. In the prepared libraries, the Tb and Yb concentration range spreads along with the oxygen to nitrogen ratio of the host matrix all over the substrate area. Concentrations ranges for each ion were established for producing high emission intensity samples, along with an analysis of the light emission features of Yb3+ ions with Tb3+ ions as sensitizers for cooperative down conversion process. Using diﬀerent annealing temperatures the activation energy of the rare earth ions and thermal-induced activation mechanisms are evaluated. Here we show that the diﬀerent oxygen to nitrogen ratios in the host composition aﬀect the light emission intensity. According to experimental results, there is a strong enhancement of the Yb3+ related emission intensity over the Tb3+ emission in codoped ﬁlms with Tb:Yb concentration ratios near to 1:2, at 850°C. Thus, suggesting the sensitization of Tb3+ ions through an AlOxNy matrix and the cooperative energy transfer between Tb3+ and Yb3+ ions as the driven mechanism for down conversion process with promising applications in silicon solar cells. At the end of this ﬁrst part, the optimal elemental composition and optimal annealing temperature in the investigated ranges to achieve the highest Yb3+ emission intensity upon sensitization of Tb3+ ions is reported. The second system studied consists of Tb3+ doped AlN layers prepared by reactive magnetron sputtering and analyzed using the conventional one at a time approach. In this work, two types of thermal treatments have been applied: substrate heating during deposition of the ﬁlms and post deposition rapid thermal annealing, with varying temperature from non intentional heating up to 600°C. The composition, morphology and crystalline structure of the ﬁlms under diﬀerent thermal processes and temperatures were investigated along with their optical and light emission properties, with the aim of maximizing the Tb3+ emission intensity. The polycrystalline nature of the ﬁlms was conﬁrmed by X-ray diﬀraction under grazing incidence, and the inﬂuence of substrate temperature on the crystalline structure was reported. Atomic force microscopy and scanning electron microscopy has revealed the smooth grainy surface quality of the AlN:Tb3+ ﬁlms. The highest Tb3+ photoluminescence emission intensity was achieved in the ﬁlm treated with rapid thermal annealing process. For a more detailed study of the post deposition annealing treatments, temperature was further increased up to 900°C, and the inﬂuence of annealing temperature on the emission properties was investigated by photoluminescence and photoluminescence decay measurements. An increase in the photoluminescence intensity and photoluminescence decay time was observed upon annealing for the main transition of Tb3+ ions at 545 nm, which was attributed to a decrease of non radiative recombination and increase of the population of excited Tb3+ ions upon annealing. Additionally, using the characterized ﬁlms as active layer, direct current and alternate current thin ﬁlm electroluminescence devices were designed and investigated.
Preparación y optimización de películas delgadas de sistemas de carbono-sílice dopados con tierras raras para aplicaciones luminiscentes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-02-01) Flores Escalante, Loreleyn Flor; Grieseler, Rolf
El uso de elementos de tierras raras (RE) en materiales de luminiscencia ha permitido introducir mejoras en diversas aplicaciones. En iluminación, por ejemplo, los fósforos amarillos YAG (Y3Al5O12:Ce3+) son ampliamente utilizado en LED blancos. En los sistemas de telecomunicaciones e Internet, se utilizan amplificadores de fibra dopada con erbio (Er3+) para aplicaciones en la región de longitud de onda de las telecomunicaciones (1530- 1550 nm). En láseres, YAG:Nd3+ encuentran su aplicación en láseres de estado sólido con una línea de emisión de 1,06 μm. Los YAG también pueden estar dopados con Tm3+ (1,93- 2,04 μm) o Er3+ (2,94 μm) y se utilizan principalmente en aplicaciones médicas. En las células solares, las capas de convertidor espectral están diseñadas para aumentar la eficiencia de las células solares. El espectro solar AM1.5G se puede modificar mediante procesos llamados Up-conversion, quantum cutting, and down-shifting. Por tanto, se mejoraría el EQE de las células solares. El estudio central de este trabajo fue la preparación y optimización de la luminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en la relativamente nueva matriz de a-SiOC: H para aplicaciones luminiscentes como convertidores espectrales descendentes. El método utilizado para la optimización de la luminiscencia se basa en tratamientos de recocido, composición de la matriz y co-dopaje con elementos Tb e Yb. Los detalles experimentales se presentan en el Capítulo 3. El primer objetivo de este trabajo se centró en la preparación de capas de a-SiOC: H que pueden cultivarse en la superficie de una célula solar de prueba (célula de Si + capa antirreflejante). La literatura reporta trabajos previos sobre SiOC. Sin embargo, la mayoría de ellos se basan principalmente en la preparación a temperaturas cercanas a los 1000 °C, lo que provocaría daños en la celda solar debido a la alta temperatura. Por esta razón, se utilizó un sistema de pulverización catódica de RF con enfriamiento del sustrato. Las propiedades ópticas de la matriz dependen de la composición de Si, C y O. por lo que, el Capítulo 4 se enfoca en el estudio de (1) el análisis de composición y la estructura, (2) el cálculo de la banda prohibida y la energía de Urbach, (3) el efecto del tratamiento de recocido en la estructura de la red atómica y (4) los procesos que impulsan la luminiscencia de matriz. El segundo objetivo de este trabajo fue la optimización de la fotoluminiscencia de los iones Tb3+ e Yb3+ en muestras de a-SiOC:H dopadas con uno de los dos iones. Una luminiscencia creciente de los iones de RE3+ requiere (1) aumentar el número de iones RE3+ activos, (2) reducir las fuentes de pérdida de energía y (3) aumentar el número de sensibilizadores. El Capítulo 5 examina estos procesos en detalle. En la literatura, la emisión de iones RE3+ está bien reportada. Sin embargo, los mecanismos de transferencia no radiativa de energía de los estados de defecto (en materiales amorfos basados en silicio) a los dopantes de RE son poco discutidos. Además, el ion RE3+ en tales materiales no reemplazará a ninguno de los iones en la matriz como si lo hace en el caso de los materiales cristalinos dopados con elementos de RE. En materiales amorfos (que contienen oxígeno), el ion RE3+ se ubicará en un sitio rodeado localmente por átomos de oxígeno. Por lo tanto, este trabajo estudia y propone mecanismos de excitación para los iones Tb3+ e Yb3+. Estos mecanismos pueden aplicarse en la matriz a-SiOC: H y extenderse a materiales basados en Si y SiOx. Finalmente, estudios previos del efecto del carbono mostraron una mejora de la luminiscencia de los iones RE3+. Por tanto, se llevó a cabo un estudio sistemático de luminiscencia basado en el cambio de composición del carbono. Este trabajo estudia las ventajas y desventajas del dopaje con carbono en la activación de la luminiscencia de los iones RE3+. Los resultados también se presentan en el Capítulo 5. El tercer objetivo de este trabajo fue la optimización de la luminiscencia del Yb en muestras de a-SiOC:H co-dopadas. Entre los diferentes sistemas de iones RE3+ para aplicaciones de corte cuántico (QC) en el infrarrojo cercano, los que incluyen iones Yb3+ parecen ser los más apropiados porque el ión Yb3+ tiene una transición a aproximadamente 980 nm (~ 1,22 eV) justo por encima de la banda prohibida del silicio cristalino de 1,1 eV. Los iones Tb3+ se utilizaron para mejorar la emisión de los iones Yb3+. Por lo tanto, los convertidores descendentes de infrarrojo cercano encuentran una posible aplicación en las células solares de silicio. La capa de convertidor espectral se colocará en la parte superior de la superficie de la célula solar, por lo que la capa de QC tiene la ventaja de que se puede optimizar independientemente de la celda. En este trabajo se identifican y estudian los mecanismos asociados a la transferencia de energía del huésped a los iones RE3+. Se estimó el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de la capa convertidora espectral. Además, se prepararon las capas en la superficie frontal de las células de mc-silicio, y se estudió su efecto en la eficiencia cuántica externa. Por último, se estudió el mecanismo de transferencia cooperativa entre los iones Tb3+ e Yb3+; los cuales son utilizados para explicar el proceso de QC. Este mecanismo cooperativo se ha atribuido a los procesos de QC en muchas matrices cristalinas y amorfas. Sin embargo, a pesar de numerosos documentos que adscriben sus resultados al mecanismo de transferencia cooperativa, pocos realmente lo prueban. Por lo tanto, también se analiza el papel de los iones Tb3+ en la luminiscencia del Yb. Los resultados se presentan en el Capítulo 6.
Synthesis, tribology, electro-tribology and mechanical performance of ti2alc and ti3alc2 max phases thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-26) Quispe Dominguez, Roger; Grieseler, Rolf
This thesis investigates the synthesis, mechanical properties, tribological and electro-tribological behavior of Ti2AlC and Ti3AlC2 MAX phases in the form of thin films. The thin films were obtained by deposition of a multilayer system of Titanium (Ti) - Aluminum (Al) - Carbon (C) and subsequent thermal annealing in a vacuum and controlled atmosphere. The Ti-Al-C multilayer system was deposited by magnetron sputtering on silicon substrates with a SiO2 and SixNy double-layer diffusion barrier. The stoichiometric of the film was controlled through the thickness of the individual monolayers. To obtain a 500 nm thick film, the Ti-Al-C sequence was repeated 22 times with individual thicknesses of 14, 6 and 3.5 nm, respectively. The experimental results show that the Ti2AlC phase is formed at a temperature of 700°C, while the Ti3AlC2 phase is formed at 950°C. The structural properties of the thin films were characterized by X-ray diffraction, Raman microscopy and glow discharge optical emission spectroscopy (GD-OES). The hardness of the thin films was analyzed by nanoindentation tests, obtaining hardness values of 11.6 and 5.3 GPa for Ti2AlC and Ti3AlC2, respectively. The tribological behavior of the thin films was analyzed under dry sliding conditions using a ball-on-flat reciprocating tribometer. The counter body consisted of AISI 52100 steel balls of 3 mm diameter. The friction coefficients obtained were in the range of 0.21 - 0.2 and 0.6 - 0.91 for the Ti2AlC and Ti3AlC2 thin films, respectively. The Ti2AlC phase has a better tribological performance, which can be attributed to its smaller grain size, lower surface roughness and higher hardness compared to the Ti3AlC2 phase. The electrical resistivity of the thin films was 0.73 and 0.45 μΩ·m for Ti2AlC and Ti3AlC2, respectively. The electro-tribological test was carried out using a ball-on-flat reciprocating tribometer under electrical currents of 10, 50 and 100 mA. The coefficient of friction and the electrical contact resistance were measured simultaneously in the same test. The results show that the coefficient of friction and electrical contact resistance could be related to thin-film properties such as hardness, roughness, grain size, and resistivity. These results of the electro-tribological behavior of the films provide valuable information for possible applications such as sliding electrical contacts.