连续激光对三结GaAs电池的损伤效应北大核心CSCD

在空气中和真空中,利用波长为1070nm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10s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。     

单晶Si、单结GaAs太阳能电池的激光损伤特性对比研究

采用1064 nm纳秒脉冲激光辐照单晶Si、单结G As太阳能电池,针对不同强度激光辐照太阳能电池的损伤特性进行了实验研究,得出激光光斑聚焦在电池栅线上时,电池更易损伤,单晶Si电池的栅线打断之后仍能很好工作,单结GaAs电池却完全失效,这是由于高掺杂的基底锗熔融凝固连接栅线,导通电池正负极.实验结果还表明,激光辐照在电池表面时,对单晶Si电池基本没有影响,而GaAs电池输出性能也没有很大幅度的下降.理论分析了纳秒激光对电池的损伤主要是热、力效应共同作用的结果.热效应使材料熔化、气化,力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于材料表面.常温下Si材料对1 064 nm有较强的本征吸收,GaAs电池的GaAs层透过1 064 nm,Ge基底本征吸收1 064 nm,Ge材料的熔点低于Si材料且其禁带宽度更窄,故其初始损伤阈值略低.通过SEM扫描电镜、激光拉曼材料分析及X射线光电子能谱仪等分析手段对实验结果进行了验证.     

激光无线能量传输效率的实验研究

为了提高激光无线能量传输系统的转换效率,基于单结GaAs光电池的工作原理,用调节照射光电池的激光参量的方法,从理论上对激光无线能量传输系统的有关部分进行了优化设计,并通过实验研究了激光波长、激光强度等因素对光电池能量转换效率的影响。结果表明,单结GaAs光电池对单色激光的光电转换效率远高于传统的单晶硅电池,最高转化效率可达61.2%。该结果对于激光无线能量传输技术的应用具有一定参考价值。     

连续激光辐照三结GaAs太阳电池热应力场研究

为了研究1070nm光纤连续激光对三结GaAs太阳电池的热力作用, 使用COMSOL软件建立物理模型进行了数值仿真, 得到了不同激光功率密度激光作用下的热应力场。为了验证了热应力计算方法的正确性, 利用栅线投影法测量了功率为16.7W、辐照半径为1mm、辐照时间为10s的激光作用下电池表面的形变, 实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明, 辐照半径为1.5cm、功率密度为16.7W/cm2的激光辐照20s时, 底电池中心温度刚好超过电池使用温度; 底电池中心等效应力为96.6MPa, 刚好超过底电池材料的屈服极限; 根据这一结果可推测电池失效与热应力导致的结构损伤有关。该数值模拟结果与实验结果为激光辐照太阳电池的热力效应研究提供了一定的理论依据。     

连续激光辐照三结GaAs太阳电池温度场仿真

为了研究真空环境下1070nm连续激光辐照对三结GaAs太阳电池输出性能的影响,利用COMSOL软件构建了相应物理模型,通过数值仿真研究了激光功率密度、光斑半径、减反膜和热辐射热对流对温度场的影响。结果表明,吸收系数、热导率和光电转换效率是温度演变的3个主要因素;温升幅度随激光功率密度增大而增大;光斑半径越小使得电池表面温差越大;拥有减反膜结构可有效地提高太阳电池转换效率,但也使电池温度较高;热对流散热在电池较低温度（300K~400K）情况下占据主导作用;当入射功率密度为16.7W/cm2、光斑半径与电池半径相同时,经20s后,电池中心温度达到501.521K,导致光电转换效率为0。该数值模拟结果与实验结果基本相符,对激光损伤太阳电池机理研究提供一定的理论依据。     

三结太阳电池栅线对激光辐照中的传热影响研究

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。     

皮秒脉冲激光辐照太阳能电池损伤特性实验研究(特邀)

以皮秒脉宽激光多脉冲损伤太阳能电池为背景,通过激光烧蚀电池前后表面形貌、电池伏安特性、电致发光特性获得损伤特性。采用脉宽15 ps、波长1 064 nm皮秒脉冲激光辐照三结GaAs太阳能电池进行实验。通过重频调节改变激光辐照功率,对太阳能电池栅线与非栅线部位在激光辐照下的损伤特性进行分析。实验发现辐照非栅线部位时,尽管激光光斑较小,但电池内部材料已经发生损伤,主要是由于电池内部材料有序结构的破坏逐渐增大,尤其是激光功率越高时,内部损伤面积越大。当激光辐照栅线部位时,栅线部位受热熔断会极大影响太阳能电池对载流子的吸收,从而降低电池的光电转换能力,进而影响太阳能电池的电性能,使得激光辐照栅线部位损伤效果强于辐照非栅线部位。     

GaAs太阳电池的质子辐照和退火效应

对AlGaAs/GaAs太阳电池进行了质子辐照和热退火实验.质子辐照的能量为325keV,辐照的剂量为5×1010-1×1013cm-2.实验结果表明,质子辐照造成了GaAs太阳电池光伏性能的退化,其中短路电流的退化比其它参数的退化更为明显.退火实验结果表明,200℃的低温退火可以使得辐照后的电池的光伏性能得以部分恢复.此外,实验结果还指出,在GaAs太阳电池表面加盖一层0.5mm的硼硅玻璃盖片可以明显地减少质子辐照对GaAs太阳电池性能的损伤.     

GaAs太阳电池的质子辐照和退火效应

对AlGaAs/GaAs太阳电池进行了质子辐照和热退火实验.质子辐照的能量为325keV,辐照的剂量为5×1010-1×1013cm-2.实验结果表明,质子辐照造成了GaAs太阳电池光伏性能的退化,其中短路电流的退化比其它参数的退化更为明显.退火实验结果表明,200℃的低温退火可以使得辐照后的电池的光伏性能得以部分恢复.此外,实验结果还指出,在GaAs太阳电池表面加盖一层0.5mm的硼硅玻璃盖片可以明显地减少质子辐照对GaAs太阳电池性能的损伤.     

纳秒激光脉冲辐照太阳能电池损伤特性及对光电转化的影响

针对纳秒脉冲激光辐照三结GaAs太阳能电池损伤特性及对光电转化影响开展研究.从损伤形貌、伏安特性、电致发光三个方面建立实验系统,分别从材料烧蚀形貌、电性能输出、内部损伤情况来分析电池光电性能逐渐下降特性.在分析了激光能量密度影响的基础上,进一步分析了激光辐照部位的影响,如电池栅线与非栅线部位.纳秒脉冲激光由于峰值功率较高,能对电池产生明显损伤,激光辐照电池的栅线部位损伤效果强于辐照非栅线部位,主要由于栅线电极的作用是用于光生载流子的收集,激光辐照熔断电池栅线,降低电池输出功率.研究结论对于提高太阳能电池空间防护能力具有指导意义.     

Influence of temperature on luminescent coupling and material quality evaluation in inverted lattice‐matched and metamorphic multi‐junction solar cells

Inverted metamorphic multi‐junction solar cells have reached efficiencies close to 46%. These solar cells contain very high‐quality materials that exhibit strong luminescent coupling between the junctions. The presence of luminescent coupling has a significant impact on the behavior of multi‐junction solar cells affecting the optimal design of these devices. Because of the importance of studying devices under real operating conditions, the temperature dependence of the luminescent coupling is analyzed over a range of 25–120°C. Luminescent coupling analysis results show a reduction of the luminescent coupling current as a function of temperature in two tandem components of an inverted metamorphic triple junction solar cell such as GaInP/GaAs and GaAs/GaInAs solar cells. This reduction is quantified and examined by means of luminescent coupling analysis and modeling, electroluminescence measurements and optical modeling at the device and subcell level. The results of the models are verified and discussed. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

1070nm连续激光辐照三结GaAs太阳电池的实验研究

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。     

分子束外延生长的GaAs/GaInP双结电池研究

We report the recent result of GaAs/GaInP dual-junction solar cells grown by all solid-state molecularbeamepitaxy(MBE).The device structure consists of a GaIn0.48P homojunction grown epitaxially upon a GaAs homojunction,with an interconnected GaAs tunnel junction.A photovoltaic conversion efficiency of 27% under the AM1.5 globe light intensity is realized for a GaAs/GaInP dual-junction solar cell,while the efficiencies of 26% and 16.6% are reached for a GaAs bottom cell and a GaInP top cell,respectively.The energy loss mechanism of our GaAs/GaInP tandem dual-junction solar cells is discussed.It is demonstrated that the MBE-grown phosphide-containing Ⅲ–V compound semiconductor solar cell is very promising for achieving high energy conversion efficiency.     

Simulating single‐junction GaAs solar cells including photon recycling

To improve and accelerate further developments of III‐V solar cells an accurate and reliable modelling is necessary. In this work we present a comprehensive two‐ dimensional numerical model of single‐junction GaAs solar cells. Using this numerical model we achieved good correlation between measurements and simulations of single‐junction GaAs solar cells with different internal structures. We introduced the concept of optical coupling matrix in the numerical model to account for photon recycling effects. In addition, it is shown that thermionic currents have to be considered at the III‐V hetero‐interfaces. With this numerical model a powerful and flexible tool for solar cell simulation of III‐V compound semiconductor materials is now available. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

激光辐照单晶硅电池转换效率的研究

为了研究激光照射下单晶硅电池的转换效率,在理想电池太阳光照射下极限转换效率研究方法的基础上,提出激光照射下理想电池转换效率的计算方法,并推导出解析表达式,通过计算和实验测量研究了激光波长、激光强度、环境温度等因素对转换效率的影响。结果表明,相对太阳光,单晶硅电池对单色激光的光电转换效率明显提高,最高转换效率可达27.7%。该结果对激光电力传输应用的研究具有一定的参考价值。     

光强均匀度对GaAs电池组光电转换效率的影响

为了研究激光光强均匀度对GaAs电池转换效率的影响,基于单结GaAs电池的工作原理,利用等效电路对其在受到不同光强激光照射时的光电转换效率进行分析,并通过实验测量不同光强均匀度情况下GaAs串联电池组的光电转换效率。结果表明,光强均匀度对GaAs电池组的光电转换效率有很大影响。在极限条件下,由光强不匀均性引起的热斑效应还会造成电池片的损毁。     

GaAs基GaInNAs太阳电池研究进展

在研究新型高效GaAs基三结和四结太阳电池过程中,研究者努力寻找一种既满足能隙约为1eV,同时又与GaAs衬底晶格匹配的半导体材料。通过调节组分,GaInNAs可同时满足上述两个特性,因此GaInNAs被认为是制备新型高效多结GaAs基太阳电池的理想材料。但实际上,制备高晶体质量GaInNAs材料十分困难,造成所制备的器件性能低下,未能达到实际要求。探讨了导致GaInNAs材料生长困难的机理,并对当前GaAs基GaInNAs太阳电池材料的研究历程和技术现状进行了概述。在此基础上,展望了GaInNAs技术的未来走向。