【摘 要】
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激光光伏电池（laser power converter,LPC）是激光无线能量传输系统的重要组成部分,其性能制约着系统的发展与应用。本文通过理论建模、数值计算和实验分析,得到了实际工作中激光光伏电池性能的影响因素,并给出了高激光强度下激光光伏电池性能的提升方法。建立了基于多物理场耦合的In0.3Ga0.7As激光光伏电池的二维光-热-电模型,并通过建立测试系统对激光光伏电池的温度、短路电流、开路
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激光光伏电池（laser power converter,LPC）是激光无线能量传输系统的重要组成部分,其性能制约着系统的发展与应用。本文通过理论建模、数值计算和实验分析,得到了实际工作中激光光伏电池性能的影响因素,并给出了高激光强度下激光光伏电池性能的提升方法。建立了基于多物理场耦合的In0.3Ga0.7As激光光伏电池的二维光-热-电模型,并通过建立测试系统对激光光伏电池的温度、短路电流、开路电压和效率等参数进行测量,进一步验证了模型的合理性与准确性。结果发现温度和激光强度都是通过影响开路电压进而影响转换效率。在一定激光强度下,激光光伏电池的温度随偏置电压的增加先下降后上升,在最大功率点附近达到最小值。还发现激光光伏电池的串联电阻严重制约输出功率的最大值,0.26Ω的串联电阻使激光光伏电池的输出功率密度最大值下降了41.35%,0.58Ω串联电阻的增加导致输出功率密度最大值下降了45.54%。研究了宽度、厚度和密度等栅线关键参数对激光光伏电池性能的影响。结果表明:在一定激光强度下激光光伏电池的效率随栅线宽度的增加先迅速上升然后线性下降,存在一个最佳宽度。其中上升阶段影响效率的主要因素为串联电阻,下降阶段为遮挡率。而栅线厚度仅影响串联电阻而不影响栅线其他参数的优化规律,栅线厚度越高最优栅线宽度越小,对栅线宽度的加工精度要求越高。另外,栅线密度越高效率提升越明显,对应的最优栅线宽度越小,对栅线宽度的加工精度要求越高。一定栅线宽度下,激光光伏电池的效率随栅线间距的增加先增加后减小,栅线间距也存在最优值。针对实际工作中激光光伏电池在不同激光强度下工作的特点,分析了不同激光强度辐照下栅线优化的必要性。结果显示:在一定栅线密度下,激光强度越高,最佳栅线宽度值越大,对栅线宽度加工精度要求越低,性能提升越明显。优化后输出功率密度最大值可提升14.81%,对应的绝对值为16.20 m W/cm~2。照射激光强度越高、栅线密度越高,优化后效率提升越明显;栅线密度增加为原来的4倍时,输出功率密度最大值提高了18.42%,对应的绝对值为22.68 m W/cm~2。在12μm的栅线宽度下,激光强度越高最佳栅线间距越小,优化后效率提升越明显,优化后输出功率密度最大值提高了17.53%,对应的绝对值为22.78 m W/cm~2。本文的研究结果和结论可为激光光伏电池的结构设计及不同条件下激光光伏电池的性能分析提供理论和实验参考,为不同加工工艺及工作环境条件下激光光伏电池的栅线设计和优化提供方案。
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