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(xué) 電子與光學(xué)工程系, 河北 石家莊 050003)

引 言

無(wú)人機(jī)因體積小、機(jī)動(dòng)靈活、不造成人員傷亡等特點(diǎn)而在軍民領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1],但能量問(wèn)題限制了無(wú)人機(jī)更廣泛的應(yīng)用,而激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)為小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)與功能性小衛(wèi)星等飛行器的“空中加油”提供了新方式[2]。該技術(shù)是通過(guò)光伏接收器將激光能量轉(zhuǎn)換為電能并為負(fù)載供電的一項(xiàng)新興技術(shù),沒(méi)有電線的束縛并降低了電磁干擾。依靠太陽(yáng)光的光伏供能系統(tǒng)已隨處可見(jiàn),但激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)具有可以將高密度能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸[3]的優(yōu)勢(shì)。

光伏接收器主要由光伏電池片組成,是激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)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(shù),即短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)光伏電池片的參數(shù)也受到激光入射強(qiáng)度和溫度等各種因素的影響。許多學(xué)者針對(duì)太陽(yáng)光照條件下光伏電池的特性展開(kāi)了大量研究[5-7],也對(duì)強(qiáng)激光輻照下材料損傷情況進(jìn)行了研究[8],但針對(duì)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(duì)激光輻照條件下砷化鎵光伏電池的輸出特性展開(kāi)研究,構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)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(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用做出了具體指導(dǎo)。

1 理論基礎(chǔ)

由半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)可知,若產(chǎn)生電子-空穴對(duì),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(shù);Eg為禁帶寬度;λ為波長(zhǎng)。

對(duì)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(shí),Eg=1.42 eV,則截止波長(zhǎng)約為873 nm,因此采用808 nm激光輻照時(shí),可使砷化鎵材料產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。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(lián)電阻,Rsh為并聯(lián)電阻,D為二極管,ID為二極管電流,Ish為通過(guò)并聯(lián)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(gè)光子能量;QE(E)為量子效率函數(shù);b(E)是光子流譜密度(激光強(qiáng)度);I0為二極管反向飽和電流;q為電子電荷常數(shù);n為二極管影響因子;k為玻爾茲曼常數(shù);T為光伏電池溫度。

當(dāng)測(cè)量短路電流Isc時(shí),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(qiáng)的增大線性增大;隨著溫度的升高,短路電流Isc降低。

當(dāng)測(cè)量開(kāi)路電壓Voc時(shí),I=0,此時(shí)

(4)

式中VD為光伏電池等效電路中二極管導(dǎo)通電壓。

由式(4)可知,Voc隨激光強(qiáng)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(dāng)存在負(fù)載電阻時(shí),Ish、Rs都很小,忽略不計(jì),且在分析開(kāi)路電壓時(shí)得到

(5)

由式(2)、(5)可得輸出電流I與輸出電壓V的關(guān)系式為

(6)

對(duì)于填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率η有

(7)

式中:Pmax為光伏電池在有負(fù)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(guò)以上分析得知,應(yīng)用808 nm連續(xù)激光照射可使砷化鎵光伏電池發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng);激光輻照條件與太陽(yáng)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(shì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用背景需求,采用大氣窗口中波長(zhǎng)為808 nm的激光作為激光源。根據(jù)光伏電池的光譜響應(yīng)與激光波長(zhǎng)的匹配程度選取單結(jié)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(yè)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái),為避免其他光源的干擾,實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行。選取波長(zhǎng)808 nm的連續(xù)激光器作為激光源,輸出為高斯光束,光束經(jīng)準(zhǔn)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(jì)探頭。高斯光斑內(nèi)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(yáng)能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(STC)下測(cè)得轉(zhuǎn)換效率為20%,填充因子為0.85。采用溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)光伏電池片的實(shí)驗(yàn)溫度,為模擬應(yīng)用背景的常溫環(huán)境,溫控系統(tǒng)只需冷卻模式即可。溫控系統(tǒng)包括銅質(zhì)熱沉、帕爾帖、水冷模塊和溫控電路,光伏電池用導(dǎo)熱膠粘貼于銅質(zhì)熱沉上,溫控電路控制銅質(zhì)熱沉的溫度恒定。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏電池片中心的溫度略高于四個(gè)角,溫差在1 K左右,整體溫度較為均勻,試驗(yàn)中用中心溫度表征電池溫度。測(cè)量有負(fù)載的情況時(shí),光伏電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻和滑動(dòng)變阻器串聯(lián),數(shù)據(jù)采集卡采集光伏電池兩端電壓與標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓,并將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳遞給PC端。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.2 The experiment platform

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

開(kāi)路電壓Voc與光伏電池片的溫度T的關(guān)系如圖3(b)所示,圖中標(biāo)注了不同入射激光功率下開(kāi)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(jí),因此,在工程應(yīng)用中溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響可以忽略不計(jì)。

圖3 開(kāi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢杂^察到:在Pin<1.3 W時(shí),Isc隨Pin增加而線性增加,變化率為0.52 A/W;在Pin>1.3 W時(shí),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(shí)Isc增加到0.75 A后不再變化,說(shuō)明短路電流達(dá)到飽和。在Pin=1.3 W左右斜率發(fā)生變化的主要原因是光伏電池等效電路中二極管剛導(dǎo)通,二極管的導(dǎo)通導(dǎo)致Iph≠I(mǎi)sc,使得Isc隨Pin的斜率變小,但二極管剛導(dǎo)通時(shí)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(dāng)入射光強(qiáng)Pin到達(dá)某值后,Isc達(dá)到飽和。在不同溫度下,短路電流達(dá)到飽和時(shí),Pin的臨界值是不同的,隨著溫度的升高而變大。Isc達(dá)到飽和是由于光生載流子復(fù)合率隨著入射激光功的增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖中標(biāo)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(shí),Isc隨T的變化以1 mA/W量級(jí)減小,這種現(xiàn)象可以用電子-空穴復(fù)合率隨溫度升高而升高解釋,但此時(shí)T對(duì)Isc幾乎沒(méi)有影響。在Pin不同時(shí),Pin越大,Isc隨T的減小量越大,這是由于Pin越大導(dǎo)致非平衡載流子濃度越大,電子-空穴復(fù)合率越大導(dǎo)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(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著入射光強(qiáng)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(guān)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(duì)的復(fù)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(zhuǎn)換效率η與激光入射功率Pin的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)Pin=0.25 W時(shí),得到最高效率η=57.36%;當(dāng)Pin<0.25 W時(shí),η隨Pin增加而增加;當(dāng)Pin>0.25 W時(shí),η隨Pin增加而衰減。當(dāng)η達(dá)到最大值時(shí),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(duì)波長(zhǎng)808 nm的光吸收率很高且能量全部吸收,比相同太陽(yáng)光光功率下能產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)。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(duì)的復(fù)合率隨溫度升高而升高造成的。由此可以發(fā)現(xiàn)激光入射功率對(duì)η的影響較大,且存在最佳激光入射功率使η達(dá)到最大,在實(shí)際應(yīng)用的溫度范圍內(nèi),溫度對(duì)η影響較小。

圖6 轉(zhuǎn)換效率的變化曲線Fig.6 The curve of conversion efficiency

3 結(jié) 論

本文對(duì)激光輻照下激光功率與溫度對(duì)光伏電池的影響展開(kāi)研究,選用波長(zhǎng)808 nm連續(xù)激光器輻照砷化鎵光伏電池片,測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理加以說(shuō)明。研究結(jié)果表明,在激光輻照條件下,斷路電壓隨溫度和光強(qiáng)的變化趨勢(shì)與太陽(yáng)光照條件下相同,短路電流隨溫度升高而降低,這與太陽(yáng)光照條件下變化趨勢(shì)相反。其原因是禁帶變窄但無(wú)相應(yīng)波長(zhǎng)的光可以被吸收,且電子-空穴對(duì)的復(fù)合率升高造成的。在激光輻照條件下,轉(zhuǎn)化效率與填充因子都出現(xiàn)了隨光強(qiáng)增大先變大后減小的趨勢(shì),因此,在實(shí)際應(yīng)用中,為提高光-電轉(zhuǎn)化效率應(yīng)探尋合適的激光功率。

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