Tesis:
Modeling and characterization of GaAs multijunction photovoltaic laser power converters
- Autor: DELGADO ROMERO, Marina
- Título: Modeling and characterization of GaAs multijunction photovoltaic laser power converters
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA, INGENIERIA ELECTRICA Y FISICA APLICADA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77602/
- Director/a 1º: GARCÍA VARA, Iván
- Director/a 2º: ALGORA DEL VALLE, Carlos
- Resumen: Los sistemas de transmisión de potencia óptica mediante luz monocromática, a través de fibra óptica conocidos en inglés como Power-by-light (PBL) o Power-over-Fiber, han despertado un gran interés en los últimos años. Este interés se debe a su capacidad para monitorear y controlar procesos de manera segura en zonas de exclusión, donde el riesgo de explosión e incendio (como refinerías, minas, tanques de combustible en el espacio y aeronaves) es elevado, o donde se requiere aislamiento galvánico, como en líneas eléctricas de alta tensión y aplicaciones médicas.
Los sistemas PBL constan de tres elementos fundamentales: el convertidor fotovoltaico de potencia láser (en inglés, PhotoVoltaic Laser Power Converter, PVLPC), ubicado en la zona de exclusión; una fuente de luz monocromática situada en una región segura, típicamente un láser; y una fibra óptica por la cual la luz viaja hasta llegar a la zona de conflicto. El PVLPC es el elemento más importante para la conversión de potencia óptica en electricidad y es el objeto principal de investigación en esta tesis.
Este trabajo se centra en los PVLPCs basados en GaAs diseñados para operar en el rango de longitudes de onda de 800 a 870 nm, que se sitúa dentro de la primera ventana de transmisión de la fibra óptica. Nuestro objetivo es lograr una eficiencia cercana al 65%. Para ello, es necesario profundizar en algunos temas inherentes al dispositivo, como la termalización de los portadores cuando se utilizan longitudes de onda alejadas de la energía de banda prohibida del material, así como el desajuste de corriente entre las subcélulas en los dispositivos multiunión que es inevitable por las variaciones de espesor en las capas absorbentes, debido al proceso de fabricación de la estructura epitaxial mediante MOVPE.
Por otro lado, se aborda el principal factor externo al convertidor de potencia láser que degrada su eficiencia y que está presente en los sistemas PBL prácticos: la no uniformidad de la luz láser que incide sobre el dispositivo proveniente de la fibra. Se estudia cómo mejorar el rendimiento de los dispositivos bajo luz no uniforme a través de: a) un diseño adecuado de su malla frontal, b) una mejora de las uniones túnel en términos de resistencia serie reducida y aumento de la corriente de pico, y c) optimizando la distancia entre la fibra y el dispositivo para permitir un funcionamiento óptimo, incrementando el factor de llenado, la tensión de circuito abierto, la potencia de salida y, en consecuencia, la eficiencia, al variar el grado de no uniformidad de la luz sobre el dispositivo según esté más expuesto o menos al perfil saliente de la fibra, aunque se reduzca la potencia incidente.
Finalmente, las simulaciones generadas en esta tesis han servido de apoyo para la optimización de los dispositivos fabricados dentro del grupo de Semiconductores III-V y se ha desarrollado un método de caracterización para determinar su eficiencia, siguiendo los estándares para células solares III-V de concentración, que implica un perfil de luz uniforme, una temperatura fija en el dispositivo de 25C y la determinación precisa de la potencia de entrada mediante un convertidor de referencia. Estos tres aspectos son fundamentales para maximizar la eficiencia del convertidor de potencia láser, pero destaca sobre todo la medición precisa de la potencia incidente sobre el dispositivo, ya que es la principal fuente de incertidumbre en el cálculo de la eficiencia. Por ello, se detalla el método de obtención de potencia de entrada en profundidad.
Como resultado global de toda la tesis, se ha conseguido un grupo de PVLPCs de tres subcélulas con eficiencias superiores al 60 %, entre las que destaca una eficiencia máxima del 66.5 % a una irradiancia de 32 W/cm2, lo que significa una potencia generada de 1.92 W, a una tensión de circuito abierto de 3.681 V y con una corriente de cortocircuito de 0.590 A.
ABSTRACT
The systems for transmitting power optically using monochromatic light through optical fibers, known as Power-by-light (PBL) or Power-over-Fiber, have attracted significant interest in recent years. This interest arises from their ability to safely monitor and control processes in hazardous areas where the risk of explosion and fire is high (such as refineries, mines, fuel tanks in space and aircraft) or where galvanic isolation is required, as in high-voltage power lines and medical applications.
PBL systems consist of three fundamental elements: the PhotoVoltaic Laser Power Converter (PVLPC), located in the hazardous area; a monochromatic light source situated in a safe region, typically a laser; and an optical fiber through which the light travels to reach the exclusion zone. The PVLPC is the most crucial element for converting optical power into electricity and is the primary focus of research in this thesis.
This work concentrates on GaAs-based PVLPCs designed to operate in the wavelength range of 800 to 870 nm, which falls within the first transmission window of optical fibers. Our goal is to achieve an efficiency close to 65%. To do this, it is necessary to delve into certain issues inherent to the device, such as carrier thermalization when using wavelengths far from the bandgap energy of the material and current mismatch between subcells in multijunction devices, which is inevitable due to variations in the thickness of the absorptive layers during the epitaxial structure manufacturing process using MOVPE.
On the other hand, the primary external factor that degrades the efficiency of the laser power converter and is present in practical PBL systems is the non-uniformity of laser light incident on the device from the fiber. We study how to improve device performance under non-uniform light through: a) proper design of the front grid, b) improving tunnel junctions in terms of reduced series resistance and increased peak current, and c) optimizing the distance between the fiber and the device to allow optimal operation, increasing the fill factor, open circuit voltage, output power, and consequently, efficiency, by varying the degree of non-uniformity of light on the device as it is more or less exposed to the protruding fiber profile, even if incident power is reduced.
Finally, the simulations generated in this thesis have supported the optimization of devices manufactured within the III-V Semiconductors group, and a characterization method has been developed to determine their efficiency, following standards for III-V concentration solar cells. This involves a uniform light profile, a fixed device temperature of 25C, and precise determination of input power using a reference converter. These three aspects are crucial for maximizing the efficiency of the laser power converter, with the precise measurement of incident power on the device being the main source of uncertainty in efficiency calculations. Therefore, the method for obtaining input power is detailed in depth.
As an overall result of this thesis, a group of three-subcell PVLPCs with efficiencies exceeding 60% has been achieved, including a maximum efficiency of 66.5 % at an irradiance of 32 W/cm2, resulting in a generated power of 1.92 W, an open circuit voltage of 3.681 V, and a short circuit current of 0.590 A.