GaAs-basierte Laserleistungszellen

Photovoltaische Zellen aus GaAs zur Umwandlung von monochromatischem Licht im Bereich von 800-850 nm.

Power-by-Light

FuE-Leistungen

Im Thema Power-by-Light bieten wir folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen

Epitaxie-Entwicklung

Durch eine exzellente Materialqualität erreichen die von uns entwickelten Laserleistungszellen höchste Wirkungs­grade. Durch die optimale Anpassung des Halbleitermaterials an die Laserwellenlänge werden Thermalisierungsverluste minimiert.

Photovoltaikzell-Entwicklung

Optimierte Zelldesigns für verschiedene An­wendungsbedingungen und Laser­wellen­längen. Fortgeschrittene Zell­architek­tu­ren für monolithisch ver­schal­te­te Bauteile mit erhöhter Ausgangs­span­nung.

Charakterisierung

Laser-basierter Messplatz zur Untersuchung von Laserleistungszellen unter mono­­chrom­atischem Licht. Messung der spektralen Empfindlichkeit bzw. Quan­ten­effizienz. Spektrale und ortsaufgelöste Elektro­lumineszenz-Messungen zur Beurteilung von Materialbeschaffenheit und -qualität.

Automatisierte Montage

Für die Montage von Laserleistungszellen stehen industrietaugliche Anlagen der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Verfügung, die auch zur Fertigung von Pilot- und Kleinserien genutzt werden.

Systemintegration

Für eine ganzheitliche Systemintegration berücksichtigen wir die optische Kopplung, die thermische Anbindung und die Einbindung in nachgeschaltete Elektronik. Zudem arbeiten wir an der Kombination von Leistungs- und Datenübertragung.

Zuverlässigkeits­untersuchung

In Degradationsstudien und Versuchen zur beschleunigten Alterung untersuchen wir die Zuverlässigkeit von Komponenten und Baugruppen, mit einem Fokus auf der Aufbau- und Verbindungstechnik.

Die optische Leistungsübertragung mit Power-by-Light Systemen (auch bekannt unter dem Namen Power-over-Fiber) ist eine elegante Lösung zur Versorgung von Sensoren oder Aktoren, wenn eine konventionelle Leistungsversorgung über Kupferkabel nicht oder nur eingeschränkt realisierbar ist. Gründe dafür können ganz unterschiedlicher Natur sein, z.B. die Forderung nach galvanischer Trennung, Hochspannung, Blitzschutz, elektromagnetischer Verträglichkeit, die Notwendigkeit drahtloser Energieübertragung, Gewichtsreduktion, die Vermeidung von Funkenbildung, Korrosionsbeständigkeit, hohe Magnetfelder oder rotierende Systeme. Als Beispiele für die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sind zu nennen die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, Treibstoffsensorik in Flugzeugen, die Überwachung von Hochspannungsleitungen, die optische Versorgung von Automobilsensorik, Biosensorik in smarten Implantaten, oder auch die Überwachung von passiven optischen Netzwerken.


Am Fraunhofer ISE entwickeln wir spezielle Photovoltaikzellen für Power-by-Light Anwendungen, die mit höchster Effizienz monochromatisches Licht in elektrische Energie wandeln, sogenannte Laserleistungszellen. Schwerpunkte unserer Forschung liegen in der Materialentwicklung für spezifische Laserwellenlängen, der Optimierung der Zellstruktur für die Wandlung von monochromatischem Licht und in der Entwicklung fortschrittlicher Zellkonzepte zur Erhöhung der Ausgangsspannung. Weitere Themen sind die Charakterisierung der Zellen unter monochromatischem Licht, Zuverlässigkeitsuntersuchungen, sowie Packaging und Systemintegration. Darunter fallen auch die Kombination von Leistungs- und Datenübertragung, sowie die Ankopplung an elektronische Schaltungen.


Mit einer GaAs-basierten Laserleistungszelle haben wir einen opto-elektrischen Wandlungswirkungsgrad von 57.4% erreicht, gemessen bei einer Laserwellenlänge von 805 nm und einer Bestrahlungsstärke von 124.0 W/cm².

 

 

Veröffentlichungen

 

Aktuelle Veröffentlichungen zum Thema Power-by-Light:

YearTitle/AuthorDocument Type
2017Reliable and lightning-safe monitoring of wind turbine rotor blades using optically powered sensors
Worms, K.; Klamouris, C.; Wegh, F.; Meder, L.; Volkmer, D.; Philipps, S.P.; Reichmuth, S.K.; Helmers, H.; Kunadt, A.; Vourvoulakis, J.; Bett, A.W.; Koos, C.; Freude, W.; Leuthold, J.; Stork, W.
Journal Article
2016Optical power supply of smart sensors using photovoltaic laser power converters: Presentation held at microTEC Südwest Clusterkonferenz 2016, Freiburg, Germany, 14.03.2016-15.03.2016
Helmers, H.
Presentation
2016Optimal laser wavelength for efficient laser power converter operation over temperature
Höhn, O.; Walker, A.W.; Bett, A.W.; Helmers, H.
Journal Article
2015Photovoltaic Cells with Increased Voltage Output for Optical Power Supply of Sensor Electronics
Helmers, H.; Wagner, L.; Garza, C.E.; Reichmuth, S.K.; Oliva, E.; Philipps, S.P.; Lackner, D.; Bett, A.
Conference Paper
2014Lightning-Safe Monitoring of Wind Turbine Rotor Blades Using Optically Powered Sensors
Worms, K.; Klamouris, C.; Wegh, F.; Meder, L.; Volkmer, D.; Phillips, S.; Reichmuth, S.; Helmers, H.; Bett, A.W.; Vourvoulakis, J.; Freude, W.; Leuthold, J.; Stork, W.
Conference Paper
2014Photovoltaic cells for optical power and data transmission: Presentation held at 34. European Telemetry and Test Conference, etc 2014, Nürnberg, Germany, 03.06.2014-05.06.2014
Helmers, H.; Philipps, S.P.; Reichmuth, S.K.; Oliva, E.; Lackner, D.; Bett, A.W.
Presentation
2014Power by light: Optical power transmission replaces copper wiring
Henning, H.
Journal Article
2009An optically powered fibre network for heterogeneous subscribers
Freude, W.; Roger, M.; Dreschmann, M.; Hübner, M.; Bett, A.W.; Becker, J.; Leuthold, J.
Conference Paper
2008GaAs converters for high power densities of laser illumination
Oliva, E.; Dimroth, F.; Bett, A.W.
Journal Article
2008III-V solar cells under monochromatic illumination
Bett, A.W.; Dimroth, F.; Löckenhoff, R.; Oliva, E.; Schubert, J.
Conference Paper
2008Optically powered fiber networks
Roger, M.; Böttger, G.; Dreschmann, M.; Klamouris, C.; Hübner, M.; Bett, A.W.; Becker, J.; Freude, W.; Leuthold, J.
Journal Article
2008An optically powered video camera link
Böttger, G.; Dreschmann, M.; Klamouris, C.; Hübner, M.; Roeger, M.; Bett, A.W.; Kueng, T.; Becker, J.; Freude, W.; Leuthold, J.
Journal Article
2007Optically powered video camera link
Böttger, G.; Dreschmann, M.; Klamouris, C.; Hübner, M.; Röger, M.; Bett, A.W.; Kueng, T.; Becker, J.; Freude, W.; Leuthold, J.
Conference Paper
2006Optically powered platform with Mb/s transmission over a single fiber
Klamouris, C.; Böttger, G.; Hübner, M.; Dreschmann, M.; Paulsson, K.; Bett, A.W.; Kueng, T.; Becker, J.; Freude, W.; Leuthold, J.
Conference Paper
2002GaAs photovoltaic cells for laser power beaming at high power densities
Riesen, S. van; Schubert, U.; Bett, A.W.
Conference Paper
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