提高激光电池效率的理论及实验研究

发布时间：2017-04-20 14:19

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【摘要】：激光电池在高效电能供给、快速充电及激光无线能量传输等领域有着重要的应用。利用激光无线能量传输技术,可实现目标间能量供给、驱动小型飞机及车辆、为偏远地区或受灾地区输送应急电能及物资,也可用于模块航天器间能源的交互,提高航天器的性能与寿命。1、研究激光电池的能带理论。从能带角度,探求电池工作温度、激光照射条件等因素对激光电池光电转换性能的影响。建立激光电池的单指数等效模型,根据模型,推导激光电池的伏安特性函数,实现对电池工作状态的定量分析。2、深入研究激光电池输出电流的组成及影响因素。推导激光电池产生电流、复合电流及扩散电流的表达公式,与单指数等效模型结合,将激光电池的p-n结参数与输出参数联系起来。3、为降低激光电池与激光光斑间的匹配损耗,对圆对称激光电池进行建模仿真,计算出圆对称GaAs激光电池在基模激光照射下光电转换效率的理论极限。4、搭建激光电池实验实验平台。实验研究了入射激光波长、激光功率、激光光斑大小及激光电池工作温度对电池光电转换效率及输出参数的影响。实验表明,GaAs激光电池在2.48W的793nm激光照射下,获得了最高50.33%的高效光电转换效率。激光电池,是指专门用于将激光能量转换为电能的一类光伏电池。激光电池与普通太阳光伏电池既有相同之处,又有不同之处。普通太阳光伏电池可以接收宽光谱太阳光中的特定波段,激光电池接收的是特定波长的近单色激光;如果选择入射激光光子能量与制备激光电池的半导体禁带宽度匹配,激光电池的光电转换效率可大幅度提高。激光电池的光电转换效率是激光无线能量传输系统中最关键的参数之一,影响系统整体的能源利用效率。为实现激光电池的高效能量转换,本文对提高激光电池的光电转换效率进行了理论与实验研究。主要工作包括:
【关键词】：激光无线能量传输 光电转换效率 单指数模型 光生电流 暗电流 圆对称激光电池
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TM724
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 激光电池的研究背景和意义11-12
• 1.2 激光电池国内外研究进展12-17
• 1.2.1 空间激光无线能量传输及能量转换12-13
• 1.2.2 地面激光无线能量传输13-16
• 1.2.3 激光电池性能研究进展16-17
• 1.3 本论文主要研究内容17-18
• 第2章 激光电池的理论模型18-33
• 2.1 能带理论18-22
• 2.1.1 受激吸收18-19
• 2.1.2 直接带隙与间接带隙19-20
• 2.1.3 半导体结20-22
• 2.2 激光电池的工作温度对能带隙的影响22-23
• 2.3 激光电池单指数模型23-27
• 2.3.1 理想激光电池23-26
• 2.3.2 实际工作状态的激光电池26-27
• 2.4 基于激光电池测试数据的参数提取27-30
• 2.5 激光电池输出电压的提高方法30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 激光电池光生电流机理分析33-50
• 3.1 激光电池产生-复合电流34-40
• 3.1.1 空间电荷区耗尽宽度34-36
• 3.1.2 光生电流36-37
• 3.1.3 复合电流37-38
• 3.1.4 暗电流38-40
• 3.1.5 电流-电压的伏安特性40
• 3.2 光学优化40-49
• 3.2.1 减反膜41-43
• 3.2.2 聚光激光电池43-46
• 3.2.3 陷光结构46-49
• 3.3 本章小结49-50
• 第4章 激光电池的建模仿真50-58
• 4.1 激光电池材料与激光波长的选择50-51
• 4.2 激光电池光电转换效率的仿真计算51-57
• 4.3 本章小结57-58
• 第5章 激光电池效率测试实验及结果分析58-71
• 5.1 测试系统的设计与搭建58-61
• 5.1.1 测试平台机械结构58-59
• 5.1.2 数据采集系统59-61
• 5.2 试验结果与分析61-68
• 5.2.1 激光电池对不同波长激光的响应61-64
• 5.2.2 入射激光功率对激光电池光电转换效率的影响64-65
• 5.2.3 激光电池工作温度激光电池性能的影响65-67
• 5.2.4 激光光斑尺寸对激光电池性能的影响67-68
• 5.3 单块串联激光电池68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-79
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单79-80
• 致谢80

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本文编号：318870