Raspunsul Celulelor Fotovoltaice la Iluminatul laser cu regim de impulsuri

Raspunsul Celulelor Fotovoltaice la Iluminatul laser cu regim de impulsuri

Abstract- Viitoarele navete spatiale ar putea folosi sisteme de iluminare laser cu electroni liberi (FEL), pentru a transmite lumina la un vector receptor fotovoltaic. Pentru a investiga eficienta celulelor solare cu lumina laser pulsata , au fost testate mai multe tipuri de celule de GaAs, Si, CuInSe₂ si GaSb cu formaturi de impulsuri simulate ale inductiei si frecventei radio (RF) FEL. Formatul de impuls al inductiei a fost simulat cu un laser cu vapori de cupru de putere medie de 800W , iar formaturile RF cu un laser YAG in mod blocat, Nd, cu frecventa dublata . Masuratorile curentului mediu comparative cu ale variatiei de tensiune, au fost facute pentru fiecare celula la diferite nivele de putere optica, iar eficienta a fost masurata intr-un punct maxim de putere.

Rezultatele experimentale arata ca eficienta conversiei pentru celulele testate este in mare masura dependenta de timpul de viata al celulelor purtatoare de sarcina minoritare, de inaltimea si frecventa impulsurilor, de impedanta de rulare si de puterea medie incidenta. Au fost gasite trei defecte care descresc eficienta celulelor solare expuse simularilor FEL de iluminare: rezistentele serie ale celulelor, "tiuitul" LC, si inductanta de iesire. Imbunatatirile eficientei au fost atinse modificand frecventa de raspuns a celulelor pentru a se potrivi cu continutul energiei spectrale a laserului in regim de impulsuri cu componente externe pasive.

I.        INTRODUCERE

Exista posibilitatea sa se trimita energie la distante foarte mari folosind un fascicul laser pentru a transmite energia la un vector receptor fotovoltaic. Au fost identificate multe potentiale aplicatii spatiale pentru fasciculele electronice ale sistemelor. De exemplu, satelitii de actiune pe orbita Geosyncronous Earth (GEO) sunt momentan actionati electric de reteaua solara. Jumatate din cea mai mare parte a unui sitem de alimentare al satelitilor este format din baterii si alte componente performante de reglare si cu functii de incarcare ale bateriei , avand ca functie de baza furnizarea energiei pentru cel putin 1% din timp. Fasciculele de lumina ale laserului de pe pamant pot produce energie in timpul perioadelor de eclipsa si pot reduce cea mai mare parte a satelitilor eliminand sau reducand necesarul de energie stocata , sau pot fi folosite la suplimentarea energiei solare pentru generatorul electric solar in stare de degradare. La sistemele de putere fotovoltaica, pentru o luna de baza, capabilitatea de stocare a energiei este ceruta sa asigure energia timp de 354 ore lunar pe timp de noapte Un laser folosit pentru iluminarea unui generator electric in timpul noptii ar reduce substantial marea majoritate a stocului. Pentru un vehicul de transfer orbital , motoare pentru rachete electrice sunt necesare impulsuri inalte specifice dar necesita puteri cam tot la fel de mari. Pentru un vehicul configurat cu asemenea motoare, cantitatea de combustibil necesara poate fi produsa cu un sitem matrice de fascicule electronice/generatoare electrice PV. Asemenea vehicule vor asigura un eficient LEO pentru GEO sau LEO pentru o miscare de rotatie lunara.

Un sistem de energie ar trebui sa fie format din una sau mai multe lasere cu baza la sol, un sistem optic de adaptare pentru compensarea distorsiunilor atmosferice , un element optic considerabil pentru fiecare amplasament al laserului, pentru a forma si directiona fasciculele, si generatoare fotovoltaice (PV) ca receptori. Au fost investigate mai multe tipuri de lasere pentru transmisia spatiala de putere Laserul cu electroni-liberi(FEL) este in mod special atractiv datorita eficientei sale sporite si a puterilor medii de functionare care sunt foarte mari. Laserele folosite pentru focalizarea energiei trebuie sa functioneze in portiunea vizibila sau a spectrului NIR, care strapunge eficient atmosfea. In timp ce RF-FEL a demonstrat functionari cu lungimi de unda scurte de 550nm, un FEL nu a fost inca demonstrat combinand ambele puteri de inalta tensiune necesare pentru focalizarea energiei si scurtarea lungimii de unda, operatie ceruta pentru bateriile solare de Si si GaAs.

Studiiele anterioare au investigat eficienta bateriilor solare cu lasere cu unde continue. In fine, laserele FEL sunt prin natura lor lasere cu regim de impulsuri. Functionarile in regim de impulsuri ale fotocelulelor ca puteri inalte de tensiune prezinta diferente importante fata de functionarile cu iluminat continuu.

Exista doua conceptii principale ale laserelor cu electroni liberi, diferenta fiind in tipul de accelerator folosit pentru a produce fasciculul electronic: inductia FEL si radio-frecventa FEL. Formele de impulsuri produse de cele doua tipuri de acceleratoare sunt foarte diferite.

Inductia FEL va avea caracteristic impulsuri cu o inaltime de 10-50 nanosecunde cu o rata repetitiva maxima a frecventelor de ordinul zecilor de kilohertzi. Inductia FEL considerata pentru focalizarea energiei va produce impulsuri de 50 nS inaltme, separate de 100 μS (10KHz), producand un factor de repetare de 1:2000. Acesta este ceea ce proiectele optimiste de viitor imbunatatesc in eficienta inductiei acceleratorului.

Pe de alta parte , un A RF FEL va produce impulsuri cu o inaltime de 5-10 picosecunde (referindu-se la micropulsuri), cu o rata repetitiva de zeci de megahertzi. In unele conceptii ale RF FEL, secventele de micropulsuri RF vor fi pulsate repetitiv , pentru un macropuls.

RF FEL propus pentru functionary cvasi-CW (un sir continuu de micropulsuri), are o inaltime a impulsului de 15-20 pS, cu 27 nS intre impulsuri (rata de repetitie de 36 MHz, a 12-a oscilatie a frecventei RF de 433MHz). Aceasta da o multime de factori pentru micropulsuri pe o scara de 1:1500. O varianta alternativa este laserul cu regim de impulsuri. Un RF FEL cu regim de impulsuri poate fi mai eficient pentru functionarea la nivele de joasa tensiune.

RF FEL, de asemenea, moduleaza impulsurile foarte mici cu un macroimpuls de 5µs la o frecventa de 1KHz, pentru un factor de folosire al macroimpulsului de 1:200.

In apropierea punctului de deviatie al puterii maxime al unei baterii solare, se asteapta ca iesirea bateriei sa sectioneze impulsul de intrare printr-o valoare comparabila cu durata de functionare a purtatorului de sarcina minoritar al semiconductorului(mai precis printr-o medie ponderata intre emitator si durata de functionare de baza a purtatorului de sarcina minoritar). Raspunsul la un iluminat pe baza de impulsuri va depinde in acest fel de intervalul intre impulsuri care este semnificativ mai mare sau semnificativ mai mic decat timpul de functionare al purtatorului de sarcina minoritar in semiconductor. Pentru materialele directe precum GaAs, durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar este de ordinul nanosecundelor. Din momentul in care intervalul dintre impulsuri pentru laserul de inductie este mult mai semnificativ decat durata de functionare, se asteapta ca iesirea celulelor de GaAs sa nu mai sectioneze semnificativ impulsul, si, asadar celulele vor raspunde la puteri de varf incidente. Pentru materialele indirecte precum Si, timpul de functionare al purtatorului de sarcina este de ordinal microsecundelor. Din momentul in care acesta este in ordinea intervalului dintre impulsurile pentru laserul de inductie, se asteapta ca iesirea de la celulele de Sis a sectioneze semnificativ impulsurile, si asadar celula va tinde sa faca o medie a impulsurilor.

Pentru RF-FEL, durata de functionre a purtatorului de sarcina este comparabila sau mai mare decat intervalul dintre micropulsuri pentru toate materialele, asadar impulsul de iesire de la bateria solara va prezenta sectiuni in apropierea de CW. Intervalul dintre macropulsuri este semnificativ mai mare decat durata de viata a purtatorului de sarcina, atat pentru GaAs, cat si pentru Si, asadar iesirea celulei ar trebui sa urmeze macropulsurile.

In eforturile de a intelege problema complicata in folosirea generatoarelor PV pentru a transforma energia transmisa de un laser cu electroni liberi, un studio a fost initiat pentru masurarea eficientei unei largi varietati de generatoare PV cu lasere pe baza de impulsuri rapide. Principalul scop al acestui experiment a fost de a testa raspunsul bateriei la formaturile de impulsuri inductive FEL. Pentru comparare, au fost de asemenea testate mai multe elemente, folosind un laser care simula impulsuri pulsate RF FEL.

II. ELEMENTELE TESTATE LA ILUMINAREA PE BAZA DE IMPULSURI

Au fost testate cateva tipuri de baterii(elemente), facute din patru materiale semiconductoare diferite. Tabelul 1 contine tipurile de elemente testate. Iliconul, un material indirect are un timp de functionare al purtatorului de sarcina foarte mare. GaAs, GaSb si CuInSe₂ au fost testate ca exemple pentru materialele directe si deci pentru materialele cu timp de functionare scurt al purtatorului de sarcina.

Inainte de testare, eficienta celulelor si caracteristicile current-tensiune (I-V) au fost masurate la simulated air mass zero (AM0)spectrum (25°C, 137 mW/cm²), caracteristicile diodei de intuneric au fost masurate iar rezistentele serie interne a celulei au fost calculate prin compararea caracteristicii diodei de intuneric cu caracteristica V_oc-I_sc folosind metoda Rajkanan.Celulele representative au fost de asemena masurate pentru capacitate la variatii nule.

Celulele de Silicon. Aceste celule sunt folosite ca energie primara pentru majoritatea satelitilor actuali de pe orbite. Au fost verificate mai multe tipuri de cellule de silicon. Celulele tipice ale satelitilor actuali de pe orbite au fost studiate, inclusive o celula cu radiatia de distrugere de 5X10¹⁴ electroni/cm² , tipic pentru conditiile intalnite dupa aproximativ 20 de ani pe orbitele pamantului. In plus, pentru mai multe configuratii avansate, au fost testate cateva celule, inclusive tipuri de celule ale unui tip de cellule concentrator, pentru varfuri inalte de curenti. Cea mai mare eficienta a celulelor de Solicon, testate, a fost rezistivitatea scazuta (0.15Ω-cm baza base), celulele produse folosind procesele de eficienta inalta, rezistenta scazuta si cresterea laserului.

Celulele de GaAs. Celulele de Galiu Arsenic au eficienta mai mare decat celulele de silicon si vor fi folosite pentru misiuni unde eficienta ridicata este critica. Au fost testate cellule de la mai multi producatori si au fost gasite doua configuratii generale: celule cu ecran plat flat panel cells si celulelor concentrator concentrator cells.Celulele cu ecran plat sunt tipice existentei configuratiilor de retele ale satelitilor solari, dar au o configuratie saraca pentru iesirea curentului de varf inalt asteptat de la varfurile inalte de current ale semnalului laser. Configuratiile de cellule concentrator sunt cellule de suprafata mica, cu rezistennte serie scazute si sunt create pentru a avea un raspuns mai bun la varfuri de current inalte.

Celulele de GaSb. Celulele de Galiu antimonide antimonide (GaSb) momentan nu sunt folosite de sateliti. Pentru unele aplicatii, a fost sugerata folosirea unui laser "siguranta ochiului" cu o lungime mai mare de 1400 n, un rang de lungime la care nici celulele de GaAs si nici cele de Si nu ar ajunge. Celulele de GaSb au fost testate in acelasi mod cu celulele ce pot functiona in acest regim de lungime de unda.

Celulele de CuIn Se₂. Aceste celule, de asemenea, nu sunt folosite la sateliti.Asemenea celule au o eficienta mult mai scazuta decat cele de Silicon sau GaAs, si sunt concepute in versiuni acceptate pentru operatiuni spatiale. A fost sugerat ca viitoarele matrici film subtire thin-film sa foloseasca celulele de CuInSe₂. In mod aditional testarii bateriilor solare in parte, o celula de GaAs a fost de asemenea testate cu condensatori de 500nF, si 4.4 μFadaugati direct celulei pentru a smothh curentul de varf trecatoare transient si astfel pentru a reduce efectul inductive.

III.  SISTEMELE LASER

Lungimile de unda laser folosite pentru testare au fost de 521±11 nm. Pentru simularea formatului de impuls FEL au fost folosite trei sisteme laser. Eficienta la iluminarea  laserului CW a fost masurata folosind functionarea laserului ion-Argon la o lungime de unda de 514.5nm, la o intensitate de 165W/cm² .

          Inductia formatului de impuls FEL a fost simulate folosind un laser cu vapori de cupru (CVL) cu o putere medie de 800W cu asociatii optice pentru a produce o atenuare si uniformizare a razei. Iatimea impulsului este de 38 ns(FWHM) cu un PRF(frecventa de rpetitie a impulsului) de 8.6 KHz. Componentele luminii CVL de 572 nm au fost separate dichroically din fascicul, lasand fasciculul incident colimata de 511nm la celulele PV.

Puterea de varf=3200 puterea medie

Fig 1a Impulsul initial

          In final pentru unele celule, formatul unui impuls RF FEL a fost simulat cu un laser YAG in mod blocat Nd, de o frecventa dubla cu o functionare la 532 nm. Structura micropulsului este formata din impulsuri FWHM de 100 picosecunde, cu un interval de 10ns. Aceste micropulsuri au fost modulate de un macopls aproximativ dreptunghiular cu o durata de 4µs si un PRF de 10 Hz.

Puterea de Varf RF FEL=Puterea de Varf a Inductiei FEL

Fig 1b. Impulsul RF FEL

In timp ce un micropuls de 100pS este considerabil mai lung decat impulsul de 15 pS asteptat de la un RF FEL functionand la 840 nm, ambele impulsuri, cel de 100ps simulat si cel de 15ps asteptat, fiind semnificativ mai mici decat durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar si de aici inainte hence mici diferente sunt asteptate.

          Lungimile de unda laser au fost alese in functie de disponibilitatea laserelor de puteri inalte cu formaturi de impulsuri cerute. Pentru functionarea bateriei solare, se asteapta ca lungimile de unda laser sa fie alese la valori apropiate de lungimile de unda ale eficientei de varf macrocromatice a celulei solare. Aceasta lungime de unda este in categorie range de 840 nm pentru celulele tipice de GaAs, 950-1000 nm pentru celulele de silicon(fara distrugerea radiatiei), si aproximativ 1600 nm pentru celulele de GaSb. Distrugerea radiatiei va deplasa schimb (shift) varful eficientei macrocromatice la lungimi de unda mai scurte.

          Eficientele masurate la testul lungimilor de unda trebuie sa fie corectate cu functionarea dorita a lungimii de unda. Aceasta se face prin factorul de corectare a lungimii de unda:

            (1)

 Termenul de lungime de unda enumera faptul ca pentru un flux de fotoni constant , puterea incidenta este invers proportionala cu lungimea de unda. Termenul de eficienta cuantica enumera faptul ca probabilitatea de colectare a unei perechi de goluri de elctroni create prin absorbtia unui foton va avea unele depindinte fata de strabaterea deplina a luminii, si de aici inainte lungimea de unda. Pentru o eficienta marita a celulelor testate, eficienta cuantica (QE(λ)) nu are o dependinta suficient de puternica fata de lungimea de unda, pentru nivelul de interes al lungimilor de unda de mai jos marginea banda below th band edge.Pentru ca inauntru within acuratetea masuratorilor, factorul de corectie poate fi estimat ca fiind egal cu raportul al lungimilor de unda (exceptie pentru radiatiile distruse ale celulelor de silicon, eficienta cuantica a lungimii de unda este distrusa preferential).

Folosirea acestui factor de corectie asuma implicit faptul ca dependenta de timp a raspunsului de iesire a bateriei solare, este independenta de lungimea de unda a luminii incidente. Acest lucru nu este strict corect. Lungimea de unda scurta a luminii este absorbita in apropierea jonctiunii, si perechile de goluri de electroni generate sunt colectate rapid. Din momentul in care cea mai lunga lungime de unda a luminii este absorbita adanc in material, raspunsul la lungimea de unda mare a luminii va fi putin incetinit. Acesta va rezulta intr-o forma de unda la iesire diferita putin pentru raspunsul la lumina din apropierea de margine de banda a materialelor, timpul suplimentar pentru operatorii de transport sa fie colectate prin jonctiune. Multitudinea prin care impulsul de iesire poate fi taiat este aproape egala cu durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar in celula de baza. Acest lucru  este o diferenta suficient de mica, incat sa nu modifice concluziile experimentului.

IV. PROCEDURA EXPERIMENTALA

Aparatul experimental este prezentat in figura urmatoare:

Fig 2. Schema pentru circuitul de masurare

Aparatul a fost conceput pentru a masura ambele puteri medii de iesire ale celulei, ceea ce este important pentru functionarea unui sistem de putere, si de asemenea pentru a masura curentul si tensiunea instantanee in functie de timp.  Aceasta celula este montata pe un stativ etapa izolat electric cu un Radiator mare si o termocupla pentru a masura temperatura elementului. Temperatura nu creste in mod semnificativ in timpul testului.

          Un condensator de 11000 μfd montat in apropierea celulei, intregreze impulsul de curent a.c. , generat de celula. Media iesirilor de curent d.c. prin intermediul sarcina este masurata cu un miliampermetru dc. Coducerea lungimii si a inductantei parazite intre celula si condensator este minimizata pentru a reduce tensiunea indusa generate de tranzitia mare a curentului in timpul impulsului. Un fir de lungime minima de 3cm a fost necesar pentru curentul de ridicare(pick-up); este adaugat in sistem, un fir de 2-3 cm. Un osciloscop digital prelevare de probe cu un curent inductiv de ridicare de 200 Mhz si o impedanta inalta de 3.5Ghz capul de prelevare a probelor au fost utilizate pentru a obtine formele de unda de curent si tensiune de la iesirea celulei, iar de la 16 la 128 forme de unda au fost in medie de a reduce zgomotul.

Conversia valorii eficientei, pentru inductivitatea FEL, este calculata dintr-un fascicul aplicat celulei (V_bias), din media curentului produs de celula (I_out), si din energia incidenta a celulei folosind formula:

          (2)

unde P_out =I_out+V_bias este puterea electrica de iesire a celulei in punctual de putere maxima, P_in este energia radianta de intrare exprimata in mW/cm², iar A este suprafata celulei in cm² . Tensiunea fasciculului celulei a fost modificata pentru a gasi punctual de putere maxima. I_out si V_bias au valori dc. Aceasta este adevarata eficienta peste ciclul laserului, incluzand ambele perioade : perioada iluminata si perioada intunecata a ciclului. In timp ce eficienta instantanee in timpul unei particular instant a impulsului poate fi mai mare, aceasta eficienta dc este o buna masurare a puterii obtinute intr-o situatie de functionare. Ca o verificare, aceste valori ale eficientei au fost verificate prin compararea cu puterea disipata folosind o sarcina pur rezistiva.O tensiune a fasciculelor a fost obtinuta cu o sursa de tensiune variabila bipolara, permitand puncte variate in functionarea celulei I-V curba pentru a fi masurat. Pentru functionarea pe baza de impulsuri exista o diferenta semnificativa a eficientei, care depinde de tensiunea fasciculara bias folosita, fie constanta sau rezistiva. Sursa folosita produce o aproximare a tensiunii bias constante. Acest lucru este tipic pentru satelitii de putere bus. In timp ce tensiunea fasciculara constanta produce furnizeaza o mai buna potrivire pentru punctual maxim de putere al celulei in timpul variatiei intensitatii, curentul celulei elementului intunecat adauga o pierdere a puterii constante atat in timpul iluminarii cat si in partea fara lumina a impulsului. Folosirea unui bloc de diode poate elimina aceasta pierdere de current din partea intunecata, la un cost ce consta doar in caderea de tensiune pe diode.

Pentru simularea RF FEL a fost folosit un sitem de achizitii de date diferit putin , pentru a permite masurarea la un interval redus de impulsuri. Achizitia formelor de unda ale tensiunii si curentului ce depasesc macropulsul, a fost facuta cu un osciloscop de 400 MHz digitizarea de prelevare a probelor

Eficienta masurata pentru RF FEL a fost realizata facand o medie a energiei de iesire in timpul macropulsului, divizata de energia incidenta masurata cu radiometru. Tensiunea bias de celule a fost modificata pentru a gasi punctual de putere maxima. Aceasta este in medie de  peste 32 de impulsuri pentru a reduce zgomotul. Din nou, P_out=I_avg X V_bias pentru aceasta masuratoare, I_avg a fost masurat de la formele de unda ale curentului de iesire, forme de unda masurate cu ajutorul unui osciloscop.

Ca o comparare, curentul masurat I(t) si tensiunea V(t), au fost multiplicate pentru a gasi puterea de iesire P(t) in functie de timp, asupra careia s-a aplicat integrala pentru a afla energia totala:

            (3)

unde  t₀ este durata impulsului.

V. REZULTATE EXPERIMENTALE

          In tabelul 2 este prezentata eficienta celulelor PV testate la iluminarea laserului CW, cu formaturi ale laserului inductiv , in comparatie cu iluminarea laser pe baza de impulsuri.

Tabelul 2: Eficienta celulelor (%) cu AMO, Laser CW si formaturi FEL inductive

Nivelele de putere de 253, 25 si 2.5 mW/cm² reprezinta media tuturor masuratorilor puterilor individuale. Puterea exacta masurata pentru fiecare celula este folosita pentru a calcula eficienta pentru acea celula

Puterea afisata reprezinta puterea medie. Pentru formatul inductiv, ciclul de viata datorita al unui impuls (la FWHM) este aproximativ 1:3200. Puterea maxima in impuls este de 3200 de ori puterea medie. Masuratorile au fost facute  la un nivel de putere medie incidenta de 253 mW/cm² (1.85 suns, unde o intensitate solara este 137 mW/cm² ), iar apoi la intensitati reduse de 25 si 2.5 mW/cm² (0.185 si respective 0.019 suns ). Aceste intensitati corespund puterilor de varf de 5920, 592 si 59 suns. In tabelul 3 sunt prezentate eficientele corectate ale lungimilor de unda pentru cellule de  Si, GaAs si GaSb, folosind factorul de corectie calculat cu formula (1) pentru inductia FEL. Eficienta este multiplicata cu ajutorul factorului de corectie. Puterea efectiva a laserului trebuie divizataprin factorul de corectie pentru a mentine fluxul de fotoni constant.

Tabelul 3. Eficienta corectata a lungimilor de unda pentru celulele de Si, GaAs si GaSb la inductia FEL

Puterea incidenta pentru celula de GaSB este 25.3mW/cm^2.

De asemenea au fost testate trei celule folosind formatul laser RF. Eficienta curentului bias, calculata in functie de timp, a fost comparata cu eficienta bazata pe energia totala produsa de putera dependenta de timp curbe, (3). Aceste valori sunt prezentate in tabelul 4.

Tabelul 4. Compararea eficientei celulelor folosin I_avg X V_bias si suprafata totala sub curbe pentru P_avg la 530 nm pentru formatul de impuls RF.

Pentru RF FEL, puterea reprezinta puterea medie livrata peste durata unui macroimpuls (4μs). Celulele testate cu formatul RF FEL sunt expuse la o putere medie scazuta. Deoarece PRF al laserului Nd:YAG a fost foarte scazut, 10 Hz, ciclul de functionare datorita laserului este doar 1:25 000. Puterea laserului pentru acest test a fost setata sa simuleze aceeasi putere de varf ca un RF-FEL, cu o frecventa a impulsului (macropulsului) de 1 KHz. Puterea medie livrata pe durata macropulsului de 4μs, a fost de fapt astfel de 16.7 W/cm² (122 suns

          Eficienta medie masurata prin simularea laserului RF se refera doar la eficienta din timpul macropulsului. Daca trebuie considerata si eficienta ce depaseste intreg sirul de impulsuri, atunci pierderile de putere din perioada intunecata, in timpul curentului invers  dintre macropulsuri trebuie sa fie extrasa deduce din putere. In tabelul 5 sunt prezentate variatiile de tensiune dc la puteri maxime si curentul reversibil masurat in perioada intunecata la variatii de tensiune pentru celule de GaAs si Si, pentru ambele tipuri de lasere.

Tabelul 5. Variaria tensiunii si a curentului in punctul de putere maxima si curentul la intuneric inainte la tensiunea bias pentru celulele de Si si GaAs la iluminarea pe baza de impulsuri.

Curentul in punctul de putere maxima pentru formatul laser RF este media curentului ce depaseste durata impulsului.

Curentul la intuneric este luat de la masuratorile V_oc-I_sc.

VI. CONCLUZII

          Iluminarea bateriilor solare cu formatul de impuls inductiv FEL, rezulta in descresterea semnificativa a eficientei bateriilor solare masurate, in comparatie cu lungime de unda laser. Cu exceptia intensitatilor joase, Celulele de Silicon functioneaza mai bine decat celulele de GaAs. Acest lucru se intampla pentru o durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar mai lunga.

          Exista trei efecte principale care descresc eficienta bateriilor solare pentru iluminarea pe baza de impulsuri inductive FL:

Rezistenta serie: Pentru tipul de laser folosit, puterea de varf din timpul pulsului (8.6 kHz, 38 ns FWHM) este 3200 times puterea medie. Asfel pentru cellule cu durata de viata scurta curentul de varf de la iesire trebuie sa fie 3200 times media curentului celulei de raspuns. I²R pierdut prin rezistenta serie a celulei, reduce de cateva ori performanta. De exemplu, cea mai mica rezistenta masurata, a celulei, a avut o serie de rezistente concepute pentru functionari de 850 times concentratie solara, deci aproximativ 3200X in experiment. In plus, rezistenta serie limiteaza curentul de varf la   I<V_oc/R.

Clinchetul LC: O baterie solara este in mod essential o suprafata mare de jonctiuni p-n, si astfel are o jonctiune capacitive mare. Aceasta, impreuna cu inductanta necesara la iesirea firului, duce la oscilatii LC. Asemenea oscilatii reies din functionari ale celulei la diferite variatii ale punctului de putere maxima, si de aici inainte reducand puterea.

Inductanta de iesire. Inductanta L a firului de iesire reiese dintr-o rata de crestere maxima a curentului:

dI/dt≤V_oc/L

si de aici inainte, celula este tinuta la circuit deschis de tensiune pentru un     timp:

  t ≈ (LI_sc)/V_oc

pe parcursul  producerii de putere.

          Este de remarcat faptul ca acest experiment foloseste fire de lungime de 3 cm, mult mai scurte (si de aici inainte, pentru inductante joase) fata de cele regasite in realitate, in matricele solare. Aceste efecte vor fi discutate in continuare.

          La nivele mari de intensitate, 5600 varfuri suns aproximativ 2 suns avg), ale formatului de pulsuri inductive, eficienta este mai joasa pentru fiecare celula. Aceasta se datoreaza limitarii tensiunii interne a celulei prin current mare, limitare impusa de rezistenta serie . Figura 3 prezenta efectele limitarii rezistentei serie pentru celulele de Si, GaAs, CuInSe₂, si GaSb la 5600 de varf sori (253 mW/cm²). La urmatorul nivel de intensitate, 560 de varf sori, eficienta tuturor celulelor imbunatati. Efectul curentului de varf de la iesire este minimizat reducand de 10 ori puterea de intrare, ducand la cresterea semnificativa a eficientei. La 56 sori de intensitate de varf eficienta pentru celulele de Silicon  a nivelat off sau a scazut usor, cu exceptia celulei de distrugere a radiatiei, unde durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar a fost redusa iar rezistenta serie a fost crescuta. Eficienta este imbunatatii la intensitati joase datorita valorii mari de 1.9 ohmi, a rezistentei serie.

  Figura 3. Caracteristici ale celulelor de Si, GaAs, CuInSe₂ si GaSb la iluminare de 253 mW/cm².

          Un circuit LRC este format din jonctiuni capacitive ale celulelor si rezistente si inductante parazite in duce si condensatori. Unde exista o insuficienta  rezistiva pentru amortizarii caracteristicii "clinchetului", apare o tensiune si un current. Pentru o sarcina pur rezistiva atasata celulei, puterea livrata depinde de:

p(t) =           (4)

unde V(t) si I(t) sunt semnale periodice cu perioada T. Elementele reactive din circuit cauzeaza o diferenta a unghiului de faza intre curentul si tensiunea de iesire. Puterea livrata la o incarca resistive este proportionala cu cos(f), unde f este diferenta unghiului de faza dintre V(t) si I(t). Rezistenta in circuit descreste unghiul de faza dar cauzeaza pierderi in eficienta fortand tensiunea de iesire a celulei la V_oc. Unghiul de faza poate fi de asemenea redus limitand inductanta in circuit. Aceasta abordare este impracticabila deoarece la o frecventa mare sunt inevitabile tensiunile induse generate prin inductanta parazita, condensatorii si rezistorii  in scurt.

          Un condensator introdus in apropierea celulei, transforma pulsurile ac de iesire in dc, o forma mai potrivit pentru distributie. Energia livrata la condensator de la celula este functie de tensiune si este independenta de unghiul de faza. Energia pierduta in incarca capacitiva este limitata la curentul de scurgeri, rezistenta parazita si pierderea dielectrica. In plus pierderile circuitului sunt curentul diodelor din celulele de intuneric si in mod similar pentru load rezistiva, disiparea rezistiva inauntru circuitul celulelor pe perioada osciatiilor. O ameliorare semnificativa in eficienta celulelor cu tranzitii oscilante poate fi atinsa prin montarea unui condensator de valori mici  (100nF-500nF) in apropierea contactelor celulei. Acest condensator reduce efectul produs de EMF indus la descarcarea curentului din celule intr-o inductanta a unui condensator integrare a conduce. Ca rezultat, o foarte mare parte a energiei este transferata la un condensator de integrare si mai putina energie este disipata catre celula. Eficienta cu un condensator de 500 nF a fost masurata ca fiind 4.5% in comparatie cu 2% pentru celulele necompensate.

          Tensiunea indusa cauzata de interactiunea unui curent tranzitoriu mare  cu o inductanta parazita in interconexiunile celulei si pierderile rezistentelor serie in celula sunt cauza majora a pierderii eficientei. Tensiunea dezvoltata in jurul celulei pe parcursul convulsive al pulsului laserului este campul electric generat prin separarea purtatorului de sarcina incarcat si tensiunea indusa:

V_i =              (5)

unde V_i este tensiunea indusa, L este inductanta parazita din celula lead, iar dI/dt este intervalul de timp al schimbarii formei de unda a curentului. Figura 4 prezinta raspunsul curentulu si al tensiunii la celule de GaAs de 2X2 cm pentru un pulse CVL (format de inductie FEL) la I_sc. Panta initial al formelor de unda ale curentului cu ∆I=0.88A si ∆t=40ns este 2.2X10⁷ amps/sec. Folosind o estimare pentru L=35 nH pentru celule de plumb / integrare inductanta capacitiva, V_i este 770mV. Acesta este factorul de fortare semnificant al iesirii celulei la V_oc in primele 20 ns. In urmatoarele 100 ns tensiunea de iesire a celulei este tinuta la V_oc  si sume mari de curent sunt disipate in celula contribuind la pierderea eficientei. Minimizarea acestui efect, folosind legaturi scurte si frecvente capacitive mari, este posibil chiar la legaturi scurte (3 cm) sa duca la inductanta parazita suficienta pentru a produce tensiuni induse mari prohibitiv.

Figura 4. Raspunsul de tensiune si current pentru planarul GaAs la impulsul CVL(inductia FEL) pentru o variatie de 0V.

Durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar afecteaza timpul de cadere al curentului si tensiunii de la iesirea celulei. Figura 5 prezinta raspunsul curentului si al tensiunii pe o perioada indelungata pentru cellule ca ASEC 10 ohm-cm. Timpul de cadere (decay) al tensiunii cu 10% de la valoarea maxima difera printr-un factor de 13 (8 ms pentru Si fata de 0.6ms pentru GaAs in figura 4). Cum durata de viata a purtatorului de sarcina creste difuza a purtatorului de sarcina in regiunea epuizarea pentru o periada indelungata de timp si este colectat ca si current. O mobilitatea mare a purtatorului de sarcina va au tendinta de a compensa acest effect intr-o durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar ca GaAs.

Figura 5. Raspunsul tensiunii si al curentului pentru celula de Si a ASEC 10 ohm-cm la pulsul CVL (inductia FEL) cu o variatie de 0V.

Variatia de tensiune a celulelor afecteaza forma undelor de la iesire reducand sunetul. Incarcarea, fiind format dintr-o sursa de tensiune poate fi curent se scufunda, prezinta o variatie a impedantei constanta:   la celula. Figura 6 (a si b) prezinta formele de unda ale tensiunii de iesire pentru celula concentrator GaAs variata de la 0 V la 0.520 V (P_max). La P_max impedanta este mai mare crescand V_bias , reducand  iar oscilatiile iesirii celulei sunt amortizate. Reducand oscilatiile si eliminand unghiul de faza, diferenta  dintre  si   creste puterea livrata la incarcarea rezistiva si la imbunatatirea eficienta celulei.

Figura 6. Raspunsul tensiunii celulelor concentrator de GaAs evidentiind efectul variatiei de tensiune la "clinchet".

             VII. CONCLUZII

Rezultatele experimentale arata ca eficienta conversiei fotocelulelor laserului pe baza de impulsuri, pentru modelelel de celule testate, este dependenta de durata de viata a purtatorului de sarcina minoritar, de inaltimea si frecventa impulsurilor si puterea medie incidenta. Factori cum ar fi potrivirea sursei lungimii de unda cu energia bandgap a materialelor PV si minimizarea rezistentei serie sunt esentiale in realizarea eficientei celulelor PV pentru un system laser de putere fascicular. Pentru cellule cu durata de viata scurta, rezistenta si frecventa inalta, efecte electrice cauzate de impulsuri laser scurte sa interzica functionarea eficienta a celulelor si transferal de putere la o sarcina.Constructiile viitoare de cellule pentru sistemele cu lasere pe baza de impulsuri va fi necesara adresarea raspunsului ac al celulei si interconectari si reduceri de rezistente serie pentru o functionare eficienta la nivelel de putere inalta. Modificarile raspunsului ac al celulelor utilizand componente externe passive pot dovedi de asemenea eficace in ameliorarea eficientei.