六结GaAs光电池在不同冷却条件下的输出特性研究_牛瑞君.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光电材料与器件51六结 GaAs 光电池在不同冷却条件下的输出特性研究牛瑞君，杨火木，苟于单，王 俊，邓国亮四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065摘要：文章研究了激光功率密度和温度对六结 GaAs 光电池输出特性的影响，研究结果表明，适度地增加激光功率密度可以提高光电池的光电转换效率，当达到临界功率密度时，光电池的效率达到最高，超过临界功率密度后，光电池的输出随着入射光功率密度的增加而下降。此外，根据光电池在空气自然对流冷却、空气强制对流冷却和水强制对流冷却三种情况下的输出特性，电池冷却能力越强，临界功率密度越高，根据不同的冷却方案，将激光功率密度调整到某一临界值，可获得最高的激光功率转换效率。关键词：六结 GaAs 光电池；光电转换效率；冷却条件；临界功率密度分类号：TM914.40引言光电池是激光无线能量传输系统的重要组成部分，光电转换效率是其核心参数1。激光功率密度对光电池的性能有显著影响2，实验证明，入射光功率越高，光电池的效率越高。但当入射光功率密度持续增大时，光电池的温度也会急剧升高，而光电转换效率并不会持续线性增加。温度也是影响光电转换性能的主要因素，研究结果表明，温度越高，光电池的光电转换效率越低。也就是说，随着入射光功率密度的增加，光电池的输出会呈现先增加后下降的趋势3。虽然有实验证明了这一现象，但很少有人从临界功率密度的角度出发研究光电池的特性。1入射光功率密度和温度对光电池的影响1.1 实验平台为了得到六结 GaAs 光电池在不同入射光功率密度和不同温度下的输出，搭建实验平台，如图 1 所示。图 1实验平台GaAs 光电池在单色激光辐射下的输出性能优于在宽波段太阳光下的，且 GaAs 光电池的最佳匹配波长在800 nm 附近，因此选择波长为 808 nm 的半导体激光器作为激光源。激光经过准直扩束系统后通过反射镜照射到光电池，要保证激光束能均匀地照射在六结 GaAs光电池的整个表面。接收端由 4.44.6 cm2六结 GaAs光电池、TEC 水冷平台和温度控制器组成。在光电池背面均匀涂上硅脂，使光电池与水冷平台充分接触。实验过程中，在不改变入射光功率密度的情况下，通过调节 TEC 温度控制平台（温度范围为 293353 K，温度间隔为 10 K）控制 GaAs 光电池温度，使用数字源表测试不同条件下六结 GaAs 光电池的输出特性，并将数据传输给计算机。然后不断改变入射光功率密度（入射光功率密度范围为 50 600 mW/cm2，光功率密度区间为 50 mW/cm2）。重复以上实验，得到六结GaAs 光电池在不同入射光功率密度和不同温度下的输出特性。1.2 结果与分析利用上述实验平台和实验方法，得到六结 GaAs 光电池在不同入射光功率密度和不同温度下的光电转换效率，同时在多物理场仿真软件中模拟光电池的输出，得到的结果如图 2 所示。在保持较低温度的条件下，随着入射光功率密度的增加，六结 GaAs 光电池的输出性能将得到改善。在图 2 中，六结 GaAs 光电池的光电转换效率随入射光功作者简介：牛瑞君，女，四川大学硕士在读，研究方向为激光无线能量传输。文章编号：2096-9317（2023）01-0051-03 光电材料与器件 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明52率密度的增大而增大，随六结 GaAs 光电池温度的升高而减小。当入射光功率密度超过 500 mW/cm2，且六结GaAs 光电池温度小于 300 K 时，GaAs 光电池的光电转换效率可达到 50%。1.2.1 激光功率密度的影响不同激光功率密度下六结 GaAs 光电池的 I-V 曲线如图 3 所示，短路电流随着入射光功率密度的增大而增大。入射光功率密度的增加导致 GaAs 光电池内部光生载流子的增加，这反过来又导致光生电流的增加，最终导致短路电流的增加。GaAs 光电池的输出功率与输出电压和电流的乘积成正比，随着入射光功率密度的增大，GaAs 光电池的最大输出功率增大。图 3不同激光功率密度下六结 GaAs 光电池的 I-V 曲线1.2.2 温度的影响不同温度下六结 GaAs 光电池的 I-V 曲线如图 4所示。在入射光功率密度恒定的条件下，GaAs 光电池的工作温度越高，其开路电压和短路电流越小。光电池内部固有载流子浓度随温度升高而升高，使六结GaAs 光电池的暗电流增大，输出电流减小，而开路电压随着反向饱和电流的增大而减小。高温不仅会导致GaAs 光电池的输出降低，还会缩短光电池的使用寿命，为了提高 GaAs 光电池的输出特性，通常会采用一些合适的冷却方法。图 4不同温度下六结 GaAs 光电池的 I-V 曲线2不同冷却条件对光电池的影响（1）创建一个六结 GaAs 光电池的物理模型，并改变边界条件和传热系数值，模拟三种冷却场景，转化器和空气域之间的对流换热系数分别为空气被动冷却：15 W/（m2K）；空气强制对流冷却：100 W/（m2K）；水强制对流冷却：1 000 W/（m2K）。三种冷却条件下 GaAs 光电池模拟效率随入射光功率密度的变化如图 5 所示，通过改变模拟入射光功率密度，可以确定光电池的光电转换效率与入射光功率密度之间的关系。入射光功率密度/（mWcm-2）效率/%空气自然对流空气强制对流水强制对流图 5三种冷却条件下 GaAs 光电池模拟效率随入射光功率密度的变化入射光功率密度越高，GaAs 光电池收集的热量越多。当光电池的工作温度超过其正常工作范围时，光入射光功率密度/（mWcm-2）图 2仿真结果光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光电材料与器件53电池的输出不增反降。图 5 中 GaAs 光电池的输出均随入射光功率密度的增加呈现出先增大后减小的趋势。可以看出，给予光电池适当的冷却可以避免 GaAs 光电转换效率过早地呈现下降趋势，提高 GaAs 光电池可转换的入射激光功率值，提高六结 GaAs 光电池的最大光电转换效率值。当入射光功率密度为 200 mW/cm2时，在自然对流空气中 GaAs 光电池的最大光电转换效率为 40.7%；当空气被强制对流时，最大光电转换效率为 40.9%，比自然空气对流提高 0.2%；水中强制对流的最大光电转换效率为 45.3%，比自然空气对流提高 4.6%，达到这一效率所需的入射激光功率值为 550 mW/cm2。（2）在环境温度 293 K 下实验，改变入射光功率密度，并提供不同的冷却条件，三种冷却条件下 GaAs光电池特性随入射光功率密度的变化如图 6 所示。效率/%入射光功率密度/（mWcm-2）空气自然对流空气强制对流水强制对流（a）光电转换效率变化空气自然对流空气强制对流水强制对流温度/K入射光功率密度/（mWcm-2）（b）温度变化图 6三种冷却条件下 GaAs 光电池特性随入射光功率密度的变化光伏电池工作时，增加入射光功率密度，电池吸收的光子能量增加，没被电池吸收的能量也会增加，这部分能量转换成电池的内能，破坏了电池原本的热平衡，使电池温度增加，因此，不同的入射光功率密度对应不同的电池温度，一般情况下，入射光功率密度越高，电池工作温度越高。光电池光电转换效率的变化趋势与模拟结果一致，随着入射光功率密度的不断增大，GaAs 光电池输出先上升后下降。从图 6（b）可以明显看出，在实验过程中为 GaAs 光电池添加冷却装置会显著降低光电池的温度。在空气自然对流情况下，当入射光功率密度为100 mW/cm2时，GaAs 光电池工作温度为 316 K，光电池输出光电转换效率最大值为 39.7%；使用空气强制对流冷却时，当入射光功率密度为 200 mW/cm2时，工作温度为 315 K，光电池光电转换效率最大值为40.8%，比使用自然对流空气时的最大效率提高 0.9%。在水强制对流冷却的情况下，当入射光功率密度值为500 mW/cm2时，最大光电转换效率为 44.9%，比空气自然对流的光电转换效率提高 4.6%。光电池的工作温度为 314 K。3结论综上所述，入射光功率密度越大，温度越低，光电池的输出越高。实际上，随着入射激光的功率密度升高，光电池的温度也会升高，使光电池的输出反而下降，存在一临界功率密度值使光电池光电转换效率最大。在不同冷却条件下，光电池的峰值效率和相应的临界功率密度值也不同。当入射光功率密度分别为100 mW/cm2、200 mW/cm2和 500 mW/cm2时，三种冷却条件下六结 GaAs 光电池的最大光电转换效率分别为 39.7%、40.8%和 44.9%。根据不同的冷却方案，将激光功率密度调整到临界值，可获得最高的光电转换效率。参考文献1 SHI D,HOU X,HUANG X,et al.Designing of Long Distance LWPT System for SPSJ.Advances in Astronautics Science and Technology,2022,5(1):11-17.2 JIN K,ZHOU W.Power Control Method for Improving Efficiency of Laser Based Wireless Power Transmission SystemJ.IET Power Electronics,2020(13):2096-2105.3 敬浩,戚磊,张蓉竹.三结GaAs电池损伤对输出特性的影响研究J.半导体光电,2019,40(6):766-770.