砷化镓光伏电池的激光光照特性研究

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(陆军工程大学 电子与光学工程系, 河北 石家庄 050003)

引 言

无人机因体积小、机动灵活、不造成人员伤亡等特点而在军民领域得到了广泛的应用[1],但能量问题限制了无人机更广泛的应用,而激光无线能量传输技术为小型电动无人机与功能性小卫星等飞行器的“空中加油”提供了新方式[2]。该技术是通过光伏接收器将激光能量转换为电能并为负载供电的一项新兴技术,没有电线的束缚并降低了电磁干扰。依靠太阳光的光伏供能系统已随处可见,但激光无线能量传输系统具有可以将高密度能量进行远距离传输[3]的优势。

光伏接收器主要由光伏电池片组成,是激光无线能量传输系统的核心部件[4]。接收器的性能取决于光伏电池片的光照特性等参数,即短路电流、开路电压、填充因子和转换效率,同时光伏电池片的参数也受到激光入射强度和温度等各种因素的影响。许多学者针对太阳光照条件下光伏电池的特性展开了大量研究[5-7],也对强激光辐照下材料损伤情况进行了研究[8],但针对激光辐照条件下光伏电池板的使用研究很少[2,9]。因此,本文针对激光辐照条件下砷化镓光伏电池的输出特性展开研究,构建了一套实验测试系统,测量并分析了辐照条件下砷化镓光伏电池的输出特性,为激光无线能量传输系统的实际应用做出了具体指导。

1 理论基础

由半导体的内光电效应可知,若产生电子-空穴对,则[10]

(1)

式中:c为真空中的光速;ν为光的频率;h为普朗克常数;Eg为禁带宽度;λ为波长。

对于砷化镓材料,禁带宽度Eg随温度变化仅为-5×10-4eV/K[10],温度取300 K时,Eg=1.42 eV,则截止波长约为873 nm,因此采用808 nm激光辐照时,可使砷化镓材料产生内光电效应。光伏电池的等效电路如图1所示[10]。

图1 光伏电池的等效电路Fig.1 Photovoltaic cell equivalent circuit

图1中Iph为光生电流,Rs为串联电阻,Rsh为并联电阻,D为二极管,ID为二极管电流,Ish为通过并联电阻的电流,I与V为光伏电池输出的电流与电压。通常情况下Rsh阻值很大,Rs阻值很小。

由图1可以得到单色激光辐照条件下的光伏电池的输出电流为

(2)

式中:A为光伏电池接收光照的面积;E为单个光子能量;QE(E)为量子效率函数;b(E)是光子流谱密度(激光强度);I0为二极管反向饱和电流;q为电子电荷常数;n为二极管影响因子;k为玻尔兹曼常数;T为光伏电池温度。

当测量短路电流Isc时,由于Rsh≫Rs且V=0 V,可以得到

(3)

由式(3)可以得到:短路电流Isc随光强的增大线性增大;随着温度的升高,短路电流Isc降低。

当测量开路电压Voc时,I=0,此时

(4)

式中VD为光伏电池等效电路中二极管导通电压。

由式(4)可知,Voc随激光强度b(E)的增大而增大,VD随T的升高而降低,Voc随T的增大而减小。

当存在负载电阻时,Ish、Rs都很小,忽略不计,且在分析开路电压时得到

(5)

由式(2)、(5)可得输出电流I与输出电压V的关系式为

(6)

对于填充因子FF和转换效率η有

(7)

式中:Pmax为光伏电池在有负载情况下输出的最大功率;Pin为光伏电池接收的激光总功率。

通过以上分析得知,应用808 nm连续激光照射可使砷化镓光伏电池发生内光电效应;激光辐照条件与太阳光照条件下,光伏电池的输出特性只有短路电流随温度的变化趋势不同,激光辐照下光伏电池的短路电流随温度的升高而降低。

2 实验平台与实验结果

因激光无线能量传输技术的应用背景需求,采用大气窗口中波长为808 nm的激光作为激光源。根据光伏电池的光谱响应与激光波长的匹配程度选取单结砷化镓光伏电池作为接收端。砷化镓光伏电池广泛用于航天航空等行业中,比硅光伏电池具有更宽的禁带,更好的耐温性,更高的理论光电转换率,因此使用砷化镓光伏电池也更符合本文研究背景需要。

如图2所示为搭建的实验平台,为避免其他光源的干扰,实验在暗室中进行。选取波长808 nm的连续激光器作为激光源,输出为高斯光束,光束经准直后照射到分光镜上,再分别照射砷化镓光伏电池与功率计探头。高斯光斑内切于光伏电池,即激光器输出功率Pin被光伏电池全部接收。选用的砷化镓光伏电池尺寸为2 cm×2 cm,在太阳能标准测试条件(STC)下测得转换效率为20%,填充因子为0.85。采用温控系统调节光伏电池片的实验温度,为模拟应用背景的常温环境,温控系统只需冷却模式即可。温控系统包括铜质热沉、帕尔帖、水冷模块和温控电路,光伏电池用导热胶粘贴于铜质热沉上,温控电路控制铜质热沉的温度恒定。实验时发现光伏电池片中心的温度略高于四个角,温差在1 K左右,整体温度较为均匀,试验中用中心温度表征电池温度。测量有负载的情况时,光伏电池、标准电阻和滑动变阻器串联,数据采集卡采集光伏电池两端电压与标准电阻的电压,并将采集到的实验数据传递给PC端。

图2 实验平台示意图Fig.2 The experiment platform

开路电压Voc与光伏电池接收的激光功率Pin的关系如图3(a)所示。可以观察到:当Pin=0.05 W时,开路电压急剧增大到1 V左右;当0.05 W

开路电压Voc与光伏电池片的温度T的关系如图3(b)所示,图中标注了不同入射激光功率下开路电压随温度的变化率。相同Pin下,Voc随T增大而线性降低,但Voc随温度的变化率仅有-10-3V/K的量级,因此,在工程应用中温度对开路电压的影响可以忽略不计。

图3 开路电压的变化曲线Fig.3 The curve of open-circuit voltage

图4(a)是光伏电池的短路电流Isc随Pin的实验结果。可以观察到:在Pin<1.3 W时,Isc随Pin增加而线性增加,变化率为0.52 A/W;在Pin>1.3 W时,随Pin增加以较小斜率线性增加,斜率因温度的升高而减小,并且T=292 K时Isc增加到0.75 A后不再变化,说明短路电流达到饱和。在Pin=1.3 W左右斜率发生变化的主要原因是光伏电池等效电路中二极管刚导通,二极管的导通导致Iph≠Isc,使得Isc随Pin的斜率变小,但二极管刚导通时ID随VD变化仍较大,使得Isc随Pin的增大有较明显的增大。随着Pin增加,当入射光强Pin到达某值后,Isc达到饱和。在不同温度下,短路电流达到饱和时,Pin的临界值是不同的,随着温度的升高而变大。Isc达到饱和是由于光生载流子复合率随着入射激光功的增强而增大造成的。

图4(b)是光伏电池的短路电流Isc随T变化的实验结果,图中标注了不同入射激光功率下短路电流随温度的变化率。在Pin一定时,Isc随T的变化以1 mA/W量级减小,这种现象可以用电子-空穴复合率随温度升高而升高解释,但此时T对Isc几乎没有影响。在Pin不同时,Pin越大,Isc随T的减小量越大,这是由于Pin越大导致非平衡载流子浓度越大,电子-空穴复合率越大导致。

图4 短路电流的变化曲线Fig.4 The curve of short-circuit current

图5(a)描绘了在298 K下光伏电池的填充因子FF与激光入射功率Pin的关系,实验结果可以看出随着入射光强的增加,FF先增加后减少。图5(b)描绘了光伏电池的填充因子FF与光伏电池片温度T的关系,FF随温度的增加而线性减小,变化率为-0.002/K,这是由于电子-空穴对的复合率随温度升高而升高。

图5 填充因子的变化曲线Fig.5 The curve of filling factor

图6(a)中描述了在296 K下转换效率η与激光入射功率Pin的关系曲线。实验中当Pin=0.25 W时,得到最高效率η=57.36%;当Pin<0.25 W时,η随Pin增加而增加;当Pin>0.25 W时,η随Pin增加而衰减。当η达到最大值时,Pin的值很小的原因是激光辐照条件下相比于STC下η值大的主要原因是砷化镓光伏电池对波长808 nm的光吸收率很高且能量全部吸收,比相同太阳光光功率下能产生更多的电子-空穴对。图6(b)中描述了光伏电池的效率η随T的增大而线性减小,变化率为-0.067%/K,这主要由于电子-空穴对的复合率随温度升高而升高造成的。由此可以发现激光入射功率对η的影响较大,且存在最佳激光入射功率使η达到最大,在实际应用的温度范围内,温度对η影响较小。

图6 转换效率的变化曲线Fig.6 The curve of conversion efficiency

3 结 论

本文对激光辐照下激光功率与温度对光伏电池的影响展开研究,选用波长808 nm连续激光器辐照砷化镓光伏电池片,测量了砷化镓光伏电池在不同激光入射功率和不同温度下的光照特性曲线,并对实验现象的产生机理加以说明。研究结果表明,在激光辐照条件下,断路电压随温度和光强的变化趋势与太阳光照条件下相同,短路电流随温度升高而降低,这与太阳光照条件下变化趋势相反。其原因是禁带变窄但无相应波长的光可以被吸收,且电子-空穴对的复合率升高造成的。在激光辐照条件下,转化效率与填充因子都出现了随光强增大先变大后减小的趋势,因此,在实际应用中,为提高光-电转化效率应探寻合适的激光功率。

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