CC BY
19
И. Г. Кирин, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры естественнонаучных и математических дисциплин, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный институт менеджмента» e-mail: igkirin@rambler.ru
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В статье представлены результаты анализа КПД преобразования лазерного излучения в электроэнергию. Показано, что КПД преобразования лазерного излучения фотопреобразователем, ширина запрещенной зоны которого точно соответствует частоте преобразовываемого излучения, может достигать ~ 70% при той освещенности, которую создает Солнечное излучение в этой области спектра. При увеличении интенсивности излучения до кратностей концентрации оптического излучения к = 5 ^ 8 КПД увеличивается, достигая значений, близких к 100%, при условии обеспечения термического режима фотоэлемента.
Ключевые слова: лазерное излучение, фотоэлемент, фотоэлектрическое преобразование, КПД преобразования, длина волны излучения лазера, ширина спектра лазерного излучения, гете-роструктуры с вариозной базой.
Современное технологическое, информационно-управляющее, телекоммуникационное оборудование включает в себя значительное количество интеллектуальных компонентов, выполненных по интегральным технологиям, и требует высокого качества питающей энергии [1, 2].
В научной литературе описано значительное количество электрических фильтров и источников бесперебойного питания, обеспечивающих защиту различного рода оборудования от воздействия помех, действующих на цепи питания. Это традиционное оборудование построено на электрических компонентах, оно очень материалоемко, громоздко, не допускает применения современных интегральных технологий, при изготовлении создает значительное электромагнитное загрязнение и все больше морально устаревает и перестает соответствовать предъявляемым к нему требованиям [1, 2].
Более современные фотоэлектронные системы электропитания используют в своем составе системы «источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь» и имеют неоспоримые преимущества перед традиционными системами электропитания, обладают простой интеграцией в сложные системы мониторинга и телекоммуникации, допускают использование интегральных технологий [3]. Практическое же использование этих фотоэлектронных систем электропитания
в значительной степени определяется КПД фотоэлектрического преобразования оптического излучения в электроэнергию.
В статье проанализирован КПД преобразования лазерного излучения в электроэнергию фотоэлектрическими преобразователями. В основе анализа использована методика, применяемая для оценок КПД фотоэлектрического преобразования солнечного излучения. В соответствии с этой методикой [4,5] источник оптического излучения заменяется абсолютно черным телом, нагретым до некоторой температуры Т1 Из всего спектра излучения такого черного тела на фотоэлемент пропускается лишь узкая спектральная область с
Ду = kT2 /2пh (1)
где Т2 - температура фотоэлемента.
Эта область должна примыкать к частоте V соответствующей краю поглощения материала фотопреобразователя, так как меньшие частоты не создают электрон-дырочных пар и поэтому они должны быть отражены к излучателю, чтобы не допускать непроизвольных потерь тепла. С другой стороны, в невырожденном полупроводнике электроны занимают уровни энергии, лежащие в интервале кТ над дном зоны проводимости. Поэтому свет с частотой, превышающий v(J больше, чем на кТ, создает пары, обладающие избытком кинетической энергии, которая немедленно будет передана
решетке. Для получения максимального КПД преобразования фотоэлементом излучения черного тела, равного КПД цикла Карно
пг = Т - Т / Т (2)
и, соответственно, максимального КПД фотоэлемента для преобразования излучения используемого источника света, эта часть спектра тоже должна быть отражена.
Таким образом, в идеальном случае на фотоэлемент от черного тела пропускается только мощность:
(у,т)ш2 /2*н, (3)
О0 - спектральная плотность мощности излучения абсолютно черного тела.
Соответственно, максимальный КПД фотоэлемента может быть вычислен из соотношения:
„„ max
П4 =
( О ^ 1 -
О
1 У
In
1-
Eg ( T
kT;
1-
T
1 у
+1
EA_ kT;
1-
Tl
T,
, (4)
а максимальная мощность электрического тока на его выходе
P = е„ N
( т\ 1 - T2 T
\ 1\ у
In
1-
(
kT.;
T 1 - T т,
Y
+1
(
kT
1-
T
T
1 у
(5)
где Sg - ширина запрещенной зоны полупроводника, N - число фотонов.
Соответственно, эквивалентная температура черного тела, при которой КПД максимален, может быть вычислен из условия равенства числа фотонов в спектре преобразовываемого излучения числу фотонов, излучаемых черным телом в интервале Лv. Соотношение, определяющее это равенство, может быть записано в виде:
4(n0 )2 G0 (v0> T) kT2
AI
2nh vn
2nh 2nhv
, (6)
где: п - показатель преломления материала фотопреобразователя; Л1 - плотность мощности преобразовываемого излучения.
Так, при преобразовании, например, излучения полупроводникового лазера с длиной волны ^=0,85 мкм фотопреобразователем из GaAs, ширина запрещенной зоны которого точно соответствует частоте преобразовываемого излучения, по (4), КПД может достигать ~ 70%, при той освещенности, которую создает солнечное излучение в этой области спектра. При увеличении интенсивности освещения до кратностей оптического излучения k=5^8 КПД увеличивается, достигая значений, близких к 100% [6-8].
Для преобразования оптического излучения твердотельных или полупроводниковых лазеров, излучающих другие длины волн, могут быть использованы фотопреобразователи из полупроводниковых соединений на основе химических элементов III и V групп периодической системы, у которых величина sg изменяется в широких пределах [6, с. 93]. Эти материалы имеют одинаковую кристаллическую структуру, но расстояние между атомами III и V групп меняются от соединения к соединению. Это вызывает незначительное расхождение между параметрами кристаллических решеток пленки и подложки, имеющих неодинаковый состав. Посредством создания трехкомпонент-ных соединений на основе химических элементов III и V можно получить полупроводник с любой требуемой шириной запрещенной зоны, причем соединения AlGaAs и GaAsP привлекают внимание как широкозонные материалы, а соединения GaInAs и GaAsSb привлекают внимание как узкозонные.
Рассогласование между параметрами кристаллических решеток не влияет на КПД преобразования оптического излучения, если граница раздела материалов отдельных элементов, у которых могут быть не согласованы параметры кристаллических решеток, расположены вне зоны перехода. В том же случае, когда это не возможно, используются полупроводниковые материалы с одинаковыми параметрами кристаллических решеток. Это может быть достигнуто путем использования четырехкомпонент-ных широкозонных полупроводников AlGaAsSb или AlGaInAs, созданных на поверхности элементов на основе узкозонных материалов GaInAs или GaAsSb. Стоимость же последних значительно выше стоимости трехкомпонент-ных материалов.
В отличие от твердотельных и полупроводниковых лазеров, ширина спектра излучения, генерируемого лазерами на красителях, отно-
сительно велика и может достигать 40-140 нм [9-11], что превосходит спектральную область, определяемую (1). Но, несмотря на это, для расчета КПД фотоэлемента и его максимальной мощности в этом случае также можно воспользоваться соотношениями (4) и (5), если принять, что фотоэлемент освещается черным телом, нагретым до такой температуры, что в интервале частот kT,/2кh на него поступает столько же фотонов, сколько их имеется в спектре преобразованного излучения, ограниченного частотой V
При этом эквивалентная температура черного тела может быть найдена из условия равенства числа фотонов в спектре излучения черного тела и рабочей частоты преобразованного излучения:
Поэтому для получения КПД преобразования немонохроматического излучения нужно (8) умножить на величину
Пс
Р
=(10)
4(и0)2а„(у„,г,) кг:
2лhvn
2_
2^
оо
dv
2лhv
. (3.10) (7)
где ф(г) - спектральная плотность мощности преобразовываемого излучения.
При окончательном определении КПД следует учитывать, что мощность преобразовываемого излучения
Ря = (8)
больше мощности в используемом излучении черного тела
Ро =а0Кт )(4П0 )2. (9)
Окончательно КПД фотоэлемента преобразовывающего оптическое излучение с широким спектром
п4 = пГпс (11)
где п4тах - вычисляется по (4), а - по (10).
Вместе с тем и в этом случае возможно увеличение КПД до значения ~70% . Это может быть сделано двумя способами. Прежде всего, могут быть использованы многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения [6, 12-15]. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов Ш и V групп периодической системы. Кроме того, могут быть использованы гетероструктуры с вариозной базой, когда на выходе создается широкозонное окно, соответствующее максимальной ширине спектра преобразовываемого излучения, а база имеет переменное по глубине значение к (благодаря плавному изменению состава, уменьшающегося по мере углубления). Такие структуры можно получить, используя двойные, тройные и четвертные соединения на базе компонент, входящих в состав GaAs.
Литература
1. Шишонок, Н. А. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники / под ред. Н. А. Шишонка ; В. Ф. Репкин, Л. Л. Барвинский. - М. : Сов. радио, 1964. - 552 с.
2. Улинич, Р. Б. Практическое обеспечение надежности РЭА при проектировании / Р. Б. Ули-нич. - М. : Радио и связь, 1985. - 112 с. (Б-ка инженера по надежности).
3. Кирин, И. Г. Устройства электропитания с использованием световодов / И. Г. Кирин // Электротехника. - 1990. - № 8. - С. 29-35.
4. Кирин, И. Г. Фотоэлектрические преобразователи когерентного и частичного когерентного излучения для системы электропитания по световодам / И. Г. Кирин // Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Физческие проблемы оптической связи и обработки информации», 2-3 сентябрь 1991 г. - Севастополь. - С. 82.
5. Васильев, А. М. Полупроводниковые фотопреобразователи / А. М. Васильев, А. П. Лан-дсман. - М. : Сов. Радио, 1971. - 246 с.
6. Фаренбрух, А. Д. Солнечные элементы: теория и эксперимент : пер. с англ. / под ред М. М. Колтуна ; А. Д. Фаренбрух, Р. Х. Бъюб. - М. : Энергоатоиздат, 1978. - 261 с.
7. Фрааз, Л. П. Усовершенствованные солнечные элементы предназначенные для работы в системах с концентраторами излучения: Современные полупроводниковые элементы фотоэнергетики / под ред. Т. Ф. Кутмса, Дж. К. Микина. - М. : Мир, 1988. - С. 201-261.
8. Mac-Millan, H. F. Multijunction III-V solar cells: recent and projectes results / H. F. Mac-Millan, H. C. Hamaker, G. E. Virshyp, J. C. Wethen // 20-th IEEE Photovoltaic Spec. 26-30, 1988: Conf. Rec. voll. - New York. - 1988. - No 4. - Pp. 48-54.
9. Снайдер, А. Теория оптических волноводов : пер с англ. / А. Снайдер, Дж. Лав. - М. : Радио и связь, 1987. - 656 с.
10. Стерлинг, Д. Дж. Техническое руководство по волоконной оптике / Д. Дж. Стерлинг. - Лори, 1998.
11. Анохов, С. П. Перестраиваемые лазеры / С. П. Анохов, Т. Я. Марусий, М. С. Соскин. - М. : Радио и связь, 1982. - 360 с.
12. Раушенбах, Г. П. Справочник по проектированию солнечных батарей / Г. П. Раушенбах. -М. : Энергоатоиздат, 1983. - 357 с.
13. Алферов, Л. М. Высокоэффективные солнечные элементы с промежуточным преобразованием излучения, предназначенные для работы с концентраторами светового потока / Л. М. Алферов, В. М. Андреев, Д. З. Гарбуров, Б. В. Егоров, В. Р. Ларинов, В. Д. Румянцев, О. М. Федоров // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1987. - Т. 4. - Вып. 18. - С. 1128-1130.
14. Кирин, И. Г. Нелинейно-оптические процессы и эффективность систем «Лазер-световод-фотоэлектрический преобразователь» : сб. Анализ структур электроники и вычислительной техники / И. Г. Кирин. - Оренбург : Изд-во ОГУ, 1995. - С. 124-133.
15. Кирин, И. Г. Нелинейно-оптические процессы при резонансном и нерезонансном взаимодействии лазерного излучения с прозрачными средами : труды юбилейного сборника ОГУ / И. Г. Кирин. - Оренбург : Изд-во ОГУ, 1996. -153 с. - С. 99-109.
References
1. Shishonok, N. A., RepkinV. F., Barvinskiy L. L. (1964) Fundamentals of the reliability theory and maintenance of electronic equipment [Osnovi teorii nadezhnosti i ekspluatatsii radioelektronnoy tekhniki], Moscow, 552 p.
2. Ulinich, R. B. (1985) Practical support reliability of CEA in the design [Prakticheskoe obespechenie nadezhnosti REA priproektirovanii], Moscow, 112 p.
3. Kirin, I. G. (1990) Electrical devices with the use of optical fibers [Ustroystva elektropitaniya s ispolzovaniem svetovodov], Electrotechnology, No 8, pp. 29-35.
4. Kirin, I. G. (1991) Photovoltaic cells coherent and partially coherent radiation power supply system for optical fibers [Fotoelektricheskie preobrazovateli kogerentnogo i chastichnogo kogerentnogo izlucheniya dly asistemiel ektropitaniya po svetovodam], Abstracts All-Union Conference «Physical problems of optical communications and information processing», Sevastopol, 82 p.
5. Vasilev, A. M., Landsman A. P. (1971) The semiconductor photovoltaics [Poluprovodnikovie fotopreobrazovateli], Moscow, 246 p.
6. Farenbruh, A., ByubR. (1978) Solar Cells: Theory and Experiment [Solnechnie elementi: teoriya i eksperement], Moscow, 261 p.
7. Fraaz, L. P. (1988) Advanced solar cells intended for use in systems with radiation concentrators: modern semiconductor elements photovoltaics [Usovershenstvovannie solnechnie elementi prednaznachennie dlya raboti v sistemakh s kontsentratorami izlucheniya: Sovremennie poluprovodnikovie elementi fotoenergetiki], Moscow, pp. 201-261.
8. Mac-Millan, H. F., Hamaker H. C., Virshyp G. E., Wethen J. C. (1988) Multijunction III-V solar cells: recent and projectes results, 20-th IEEE Photovoltaic Spec. 26-30, No 4, New York, pp. 48-54.
9. Snyder, A. W., Love J. (1987) Optical Waveguide Theory, Massachusetts, USA, 656 p.
10. Donald, J. (1998) Sterling Technician's Guide to Fiber Optics, NY, USA, 322 p.
11. Anokhov, S. P., Marusiy T. Ya., Soskin M. S. (1982) Tunable lasers [Perestraivaemie lazeri], Moscow, 360 p.
12. Raunshenbakh, G. P. (1983) Handbook for designing of solar panels [Spravochnik po proektirovaniyu solnechnikh batarey], Moscow, 357 p.
13. Alferov, L. M., Andreev V. M., Garburov D. Z., Egorov B. V., Larinov V. R., Rumyantsev V. D., Fedorov O. M. (1987) High efficiency solar cells with intermediate conversion of radiation, designed
to work with the light flux concentrators [Visokoeffektivnie solnechnie elementi s promezhutochnim preobrazovaniem izlucheniya, prednaznachennie dlya raboti s kontsentratorami svetovogo potoka] // Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics, V. 4, No 18, pp. 1128-1130.
14. Kirin, I. G. (1995) Nonlinear optical processes and effectiveness of «Laser-optical fiber photoelectric converter» [Nelineyno-opticheskie protsessi I effektivnosf system «Lazer-svetovod-fotoelektricheskiy preobrazovatel»], Orenberg, pp. 124-133.
15. Kirin, I. G. (1996) Nonlinear optical processes in resonant and non-resonant interaction of laser radiation with transparent media [Nelineyno-opticheskie protsessi pri rezonansnom i nerezonansnom vzaimodeystvii lazernogo izlucheniya s prozrachnimi sredami], Works of jubilee book OSU, pp. 99-109.
