砷化鎵光伏電池的激光光照特性研究

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(陸軍工程大學 電子與光學工程系, 河北 石家莊 050003)

引 言

無人機因體積小、機動靈活、不造成人員傷亡等特點而在軍民領域得到了廣泛的應用[1],但能量問題限制了無人機更廣泛的應用,而激光無線能量傳輸技術為小型電動無人機與功能性小衛星等飛行器的“空中加油”提供了新方式[2]。該技術是通過光伏接收器將激光能量轉換為電能并為負載供電的一項新興技術,沒有電線的束縛并降低了電磁干擾。依靠太陽光的光伏供能系統已隨處可見,但激光無線能量傳輸系統具有可以將高密度能量進行遠距離傳輸[3]的優勢。

光伏接收器主要由光伏電池片組成,是激光無線能量傳輸系統的核心部件[4]。接收器的性能取決于光伏電池片的光照特性等參數,即短路電流、開路電壓、填充因子和轉換效率,同時光伏電池片的參數也受到激光入射強度和溫度等各種因素的影響。許多學者針對太陽光照條件下光伏電池的特性展開了大量研究[5-7],也對強激光輻照下材料損傷情況進行了研究[8],但針對激光輻照條件下光伏電池板的使用研究很少[2,9]。因此,本文針對激光輻照條件下砷化鎵光伏電池的輸出特性展開研究,構建了一套實驗測試系統,測量并分析了輻照條件下砷化鎵光伏電池的輸出特性,為激光無線能量傳輸系統的實際應用做出了具體指導。

1 理論基礎

由半導體的內光電效應可知,若產生電子-空穴對,則[10]

(1)

式中:c為真空中的光速;ν為光的頻率;h為普朗克常數;Eg為禁帶寬度;λ為波長。

對于砷化鎵材料,禁帶寬度Eg隨溫度變化僅為-5×10-4eV/K[10],溫度取300 K時,Eg=1.42 eV,則截止波長約為873 nm,因此采用808 nm激光輻照時,可使砷化鎵材料產生內光電效應。光伏電池的等效電路如圖1所示[10]。

圖1 光伏電池的等效電路Fig.1 Photovoltaic cell equivalent circuit

圖1中Iph為光生電流,Rs為串聯電阻,Rsh為并聯電阻,D為二極管,ID為二極管電流,Ish為通過并聯電阻的電流,I與V為光伏電池輸出的電流與電壓。通常情況下Rsh阻值很大,Rs阻值很小。

由圖1可以得到單色激光輻照條件下的光伏電池的輸出電流為

(2)

式中:A為光伏電池接收光照的面積;E為單個光子能量;QE(E)為量子效率函數;b(E)是光子流譜密度(激光強度);I0為二極管反向飽和電流;q為電子電荷常數;n為二極管影響因子;k為玻爾茲曼常數;T為光伏電池溫度。

當測量短路電流Isc時,由于Rsh?Rs且V=0 V,可以得到

(3)

由式(3)可以得到:短路電流Isc隨光強的增大線性增大;隨著溫度的升高,短路電流Isc降低。

當測量開路電壓Voc時,I=0,此時

(4)

式中VD為光伏電池等效電路中二極管導通電壓。

由式(4)可知,Voc隨激光強度b(E)的增大而增大,VD隨T的升高而降低,Voc隨T的增大而減小。

當存在負載電阻時,Ish、Rs都很小,忽略不計,且在分析開路電壓時得到

(5)

由式(2)、(5)可得輸出電流I與輸出電壓V的關系式為

(6)

對于填充因子FF和轉換效率η有

(7)

式中:Pmax為光伏電池在有負載情況下輸出的最大功率;Pin為光伏電池接收的激光總功率。

通過以上分析得知,應用808 nm連續激光照射可使砷化鎵光伏電池發生內光電效應;激光輻照條件與太陽光照條件下,光伏電池的輸出特性只有短路電流隨溫度的變化趨勢不同,激光輻照下光伏電池的短路電流隨溫度的升高而降低。

2 實驗平臺與實驗結果

因激光無線能量傳輸技術的應用背景需求,采用大氣窗口中波長為808 nm的激光作為激光源。根據光伏電池的光譜響應與激光波長的匹配程度選取單結砷化鎵光伏電池作為接收端。砷化鎵光伏電池廣泛用于航天航空等行業中,比硅光伏電池具有更寬的禁帶,更好的耐溫性,更高的理論光電轉換率,因此使用砷化鎵光伏電池也更符合本文研究背景需要。

如圖2所示為搭建的實驗平臺,為避免其他光源的干擾,實驗在暗室中進行。選取波長808 nm的連續激光器作為激光源,輸出為高斯光束,光束經準直后照射到分光鏡上,再分別照射砷化鎵光伏電池與功率計探頭。高斯光斑內切于光伏電池,即激光器輸出功率Pin被光伏電池全部接收。選用的砷化鎵光伏電池尺寸為2 cm×2 cm,在太陽能標準測試條件(STC)下測得轉換效率為20%,填充因子為0.85。采用溫控系統調節光伏電池片的實驗溫度,為模擬應用背景的常溫環境,溫控系統只需冷卻模式即可。溫控系統包括銅質熱沉、帕爾帖、水冷模塊和溫控電路,光伏電池用導熱膠粘貼于銅質熱沉上,溫控電路控制銅質熱沉的溫度恒定。實驗時發現光伏電池片中心的溫度略高于四個角,溫差在1 K左右,整體溫度較為均勻,試驗中用中心溫度表征電池溫度。測量有負載的情況時,光伏電池、標準電阻和滑動變阻器串聯,數據采集卡采集光伏電池兩端電壓與標準電阻的電壓,并將采集到的實驗數據傳遞給PC端。

圖2 實驗平臺示意圖Fig.2 The experiment platform

開路電壓Voc與光伏電池接收的激光功率Pin的關系如圖3(a)所示?？梢杂^察到:當Pin=0.05 W時,開路電壓急劇增大到1 V左右;當0.05 W

開路電壓Voc與光伏電池片的溫度T的關系如圖3(b)所示,圖中標注了不同入射激光功率下開路電壓隨溫度的變化率。相同Pin下,Voc隨T增大而線性降低,但Voc隨溫度的變化率僅有-10-3V/K的量級,因此,在工程應用中溫度對開路電壓的影響可以忽略不計。

圖3 開路電壓的變化曲線Fig.3 The curve of open-circuit voltage

圖4(a)是光伏電池的短路電流Isc隨Pin的實驗結果?？梢杂^察到:在Pin<1.3 W時,Isc隨Pin增加而線性增加,變化率為0.52 A/W;在Pin>1.3 W時,隨Pin增加以較小斜率線性增加,斜率因溫度的升高而減小,并且T=292 K時Isc增加到0.75 A后不再變化,說明短路電流達到飽和。在Pin=1.3 W左右斜率發生變化的主要原因是光伏電池等效電路中二極管剛導通,二極管的導通導致Iph≠Isc,使得Isc隨Pin的斜率變小,但二極管剛導通時ID隨VD變化仍較大,使得Isc隨Pin的增大有較明顯的增大。隨著Pin增加,當入射光強Pin到達某值后,Isc達到飽和。在不同溫度下,短路電流達到飽和時,Pin的臨界值是不同的,隨著溫度的升高而變大。Isc達到飽和是由于光生載流子復合率隨著入射激光功的增強而增大造成的。

圖4(b)是光伏電池的短路電流Isc隨T變化的實驗結果,圖中標注了不同入射激光功率下短路電流隨溫度的變化率。在Pin一定時,Isc隨T的變化以1 mA/W量級減小,這種現象可以用電子-空穴復合率隨溫度升高而升高解釋,但此時T對Isc幾乎沒有影響。在Pin不同時,Pin越大,Isc隨T的減小量越大,這是由于Pin越大導致非平衡載流子濃度越大,電子-空穴復合率越大導致。

圖4 短路電流的變化曲線Fig.4 The curve of short-circuit current

圖5(a)描繪了在298 K下光伏電池的填充因子FF與激光入射功率Pin的關系,實驗結果可以看出隨著入射光強的增加,FF先增加后減少。圖5(b)描繪了光伏電池的填充因子FF與光伏電池片溫度T的關系,FF隨溫度的增加而線性減小,變化率為-0.002/K,這是由于電子-空穴對的復合率隨溫度升高而升高。

圖5 填充因子的變化曲線Fig.5 The curve of filling factor

圖6(a)中描述了在296 K下轉換效率η與激光入射功率Pin的關系曲線。實驗中當Pin=0.25 W時,得到最高效率η=57.36%;當Pin<0.25 W時,η隨Pin增加而增加;當Pin>0.25 W時,η隨Pin增加而衰減。當η達到最大值時,Pin的值很小的原因是激光輻照條件下相比于STC下η值大的主要原因是砷化鎵光伏電池對波長808 nm的光吸收率很高且能量全部吸收,比相同太陽光光功率下能產生更多的電子-空穴對。圖6(b)中描述了光伏電池的效率η隨T的增大而線性減小,變化率為-0.067%/K,這主要由于電子-空穴對的復合率隨溫度升高而升高造成的。由此可以發現激光入射功率對η的影響較大,且存在最佳激光入射功率使η達到最大,在實際應用的溫度范圍內,溫度對η影響較小。

圖6 轉換效率的變化曲線Fig.6 The curve of conversion efficiency

3 結 論

本文對激光輻照下激光功率與溫度對光伏電池的影響展開研究,選用波長808 nm連續激光器輻照砷化鎵光伏電池片,測量了砷化鎵光伏電池在不同激光入射功率和不同溫度下的光照特性曲線,并對實驗現象的產生機理加以說明。研究結果表明,在激光輻照條件下,斷路電壓隨溫度和光強的變化趨勢與太陽光照條件下相同,短路電流隨溫度升高而降低,這與太陽光照條件下變化趨勢相反。其原因是禁帶變窄但無相應波長的光可以被吸收,且電子-空穴對的復合率升高造成的。在激光輻照條件下,轉化效率與填充因子都出現了隨光強增大先變大后減小的趨勢,因此,在實際應用中,為提高光-電轉化效率應探尋合適的激光功率。

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