激光无线能量传输在为远距离设备供能方面有着潜在的应用前景，在激光无线传能的同时进行激光无线通讯，具有重要的应用价值。针对砷化镓太阳能电池，对激光传能系统在无线能量传输时激光无线通讯性能进行了测试。实验采用波长808 nm激光实现砷化镓太阳能电池的能量传输，采用波长650 nm激光作为信号的传输，分别对单能量传输、单信号传输以及能量和信号同步传输三种情况下的砷化镓太阳能电池的输出特性进行了测试。结果表明：当单能量传输时，太阳能电池的性能与激光功率密度的大小密切相关，激光功率密度在54.9~90 mW/cm2范围内光电转换效率最大值为46.6%；当单信号传输时，通过测量系统的频率响应得到砷化镓太阳能电池的3 dB带宽约为3.7 kHz，并通过设计放大电路提高系统的通信性能，优化输出波形，使得系统的通信速率从10 kbps提升至240 kbps，输出电压峰峰值达到7.2 V。最后实验测量了不同激光强度下可实现的通信速率，当激光功率密度为59.5 mW/cm2时可实现140 kbps的通信速率，使得激光充电系统在无线能量传输下可以进行信号的传输。
太阳能电池 能量传输 信号传输 频率响应 solar cell energy transmission signal transmission frequency response 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210888
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 College of Mechanical Engineering, Huaian Vocational College of Information Technology, Huaian 223003, China
3 State Key Laboratory of High-Efficiency Power Conversion, Shanghai Institute of Space Power-Sources, Shanghai 200245, China
The photoelectric properties of In0.3Ga0.7As solar cells applied in laser wireless power transmission (LWPT) were studied when they were irradiated by 1070 nm continuous wave (CW) laser of various intensities. The influences of laser intensity on solar cell parameters extracted by the pollination algorithm were analyzed quantitatively. Results show that the conversion efficiency of the cell rose to the maximum and then decreased rapidly in the laser intensity range of 50–900 mW/cm2. With higher energy laser irradiation, the rise of ideality factor and reverse saturation current would lead to the degradation of voltage at the maximum power point, which was the main reason for the decrease of conversion efficiency. The results provide the basis for choosing the appropriate input energy in the case of different transmission systems.
160.6000 Semiconductor materials Chinese Optics Letters
2019, 17(3): 031601
1 南京理工大学 理学院, 江苏 南京 210094
2 上海空间电源研究所, 上海 200245
为了研究三结太阳电池表面的栅线在1 070 nm连续激光辐照过程中的传热影响机制, 文中通过激光辐照过程中三结太阳电池实时的电致发光现象分析三结太阳电池的损伤情况, 并建立三维锗基太阳电池模型, 借助有限元分析软件COMSOL对连续激光辐照锗基太阳电池的温度分布进行仿真。结果表明: 在连续激光功率密度为72.5 W/cm2、辐照时间为41 s时, 三结太阳电池的顶电池出现轻微损伤, 损伤区域首先沿着栅线分布。在锗基太阳电池的仿真模型中, 电池的温度升高至1 318 K, 栅线引起了三结太阳电池热量传递方向的各项异性, 沿着栅线具有更高的热传导速率。仿真结果能够对实验现象给予合理的解释。
连续激光 三结太阳电池 栅线 热效应 CW laser triple-junction solar cell grid lines heat effect 红外与激光工程
2018, 47(12): 1220001
1 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094
2 淮安信息职业技术学院机械工程学院, 江苏 淮安 223003
3 上海空间电源研究所高效能量转换技术研究室, 上海 200245
采用有限元数值模拟方法, 对一维In0.3Ga0.7As太阳能电池在1070 nm连续激光辐照下的输出特性进行了研究。通过计算零偏压下太阳能电池内部的载流子复合速率分布, 验证了模型的有效性。基于该模型研究了偏压对载流子复合速率分布的影响及太阳能电池结构对光电转换性能的影响。计算得到了在100 mW/cm2激光功率密度下太阳能电池的电流密度-电压曲线。研究结果表明, 随着正向偏压的增大, 空间电荷区的复合速率迅速增大, 因此正向偏压是影响激光电转换效率的主要因素; 电池的短路电流随着pn结深的增大呈指数衰减, 而开路电压随着基区厚度的增大先增大后趋于饱和。这些研究为太阳能电池的设计提供了参考。
材料 能量传输 太阳能电池 激光无线充电 数值仿真 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 101601
1 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094
2 上海空间电源研究所, 上海 200245
在空气中和真空中，利用波长为1070 nm的连续（CW）激光辐照三结砷化镓（GaAs）太阳电池，通过测试激光辐照前后电池的电流-电压曲线，并利用激光诱导电流（LBIC）成像系统和X射线光电子能谱仪（XPS），研究了三结GaAs太阳电池的损伤情况。结果表明，当激光功率密度为8.4 W/cm2、辐照时间为10 s时，在空气中，底电池Ge熔融短路；在真空中，顶电池Ga0.5In0.5P和底电池Ge均发生短路，说明三结GaAs太阳电池的底电池最容易受到破坏，且电池在真空中比在空气中更容易受到损伤。该研究结果可为三结GaAs太阳电池的激光无线能量传输和损伤机理的研究提供一定的参考。
激光光学 激光损伤 三结砷化镓太阳电池 激光诱导电流成像 X射线光电子能谱仪 激光与光电子学进展
2017, 54(11): 111412
1 南京理工大学 理学院, 南京 210094
2 上海空间电源研究所, 上海 200245
为了研究真空环境下波长为1070nm连续激光辐照对三结砷化镓太阳电池输出的影响, 采用实验研究的方法测量了不同功率密度激光作用下太阳电池背面温度和负载电压的实时变化。当激光功率密度为8.4W/cm2时, 温度升高显著, 负载电压下降趋近于零, 激光作用结束, 电压恢复至初始电压的53%; 继续增大激光功率密度至11.7W/cm2, 经2.3s后, 负载电压降为零且不能恢复, 电池已毁伤。结果表明, 连续激光作用会引起电池温升, 温度升高使负载电压下降; 作用激光功率密度较小时, 电池温升幅度较小, 负载电压下降幅度也较小, 激光停止后, 负载电压能逐渐恢复至初始状态; 作用激光功率密度较大时, 温升幅度也较大, 引起负载电压下降显著, 即使激光停止作用, 负载电压也不能恢复至初值, 此时说明电池已有损伤。该实验结果可以在一定程度上为激光损伤电池机理的研究提供参考依据。
激光技术 连续激光 真空 三结砷化镓 温度 负载电压 laser technique continuous wave laser vacuum three-junction GaAs temperature load voltage
