Design of new high-efficiency silicon carbide-based laser power converters

A transmisión de potencia láser está chamada a revolucionar a transimisón de potencia sen fíos. A tecnoloxía baséase na emisión dun feixe monocromático para transferires potencia a un receptor remoto ou laser power converter (LPC). Isto permite acadar illamento eléctrico e moi baixas interferencias electromagnéticas. As aplicacións para esta tecnoloxía pasan por transferir simultáneamente datos e enerxía ou alimentar antenas remotas, rovers ou satélites. A tecnoloxía permite transferir potencia a través de fibra óptica ou inclusive a través do espacio, reemplazando ao cableado convencional. Na actualidade esta tecnoloxía baséase no emprego do arseniuro de galio (GaAs), con LPCs que superan o 50% de eficiencia. O dispositivo con maior rendimento acada un 68.9% a unha densidade de potencia láser de 11.4 W cm-2. Non obstante, este dispositivo perde eficiencia conforme aumenta a potencia do láser debido as perdas por resistencia serie. Isto representa unha importante limitación para a tecnoloxía, xa que impide enviar maiores densidades de potencia a dispositivos que requiran un consumo maior, tendo que aumentar tanto o área do LPC como a anchura do feixe láser. Para mellorar este paradigma, desenrrólanse novas arquitecturas que lidien con este efecto. Para mellorar este paradigma, desenrrólanse novas arquitecturas que lidien con este efecto. Unha delas é a vertical laser power converter ou vLPC, que evita o sombreado debido aos contactos metálicos e permite reducir as operdas por resistencia serie varios ordes de magnitude. Outra é a chamada Vertical Epitaxial Hetero-Structure Architecture ou VEHSA, que consiste en apilar verticalmente células para dividir a corrente e aumentar a voltaxe, disminuíndo así as perdas por resistencia serie. Esta arquitectura presenta o problema de optimizar ben a estructura, dado que a corrente que proporciona cada célula ten que ser a mesma, tendo en conta que a corrente total que se extrae do dispositivo é a menor das correntes proporcionadas por cada célula. Outra vía para mellorar a eficiencia dos LPCs é empregar materiais de moi alto bandgap. Estos materiais poden reducir tanto as perdas entrópicas (intrínsecas á conversión fotón-par) como as perdas por resistencia serie, dado que para unha mesma densidade de potencia láser o feixe monocromático terá menos fotóns con máis enerxía, aumentando a voltaxe e disminuíndo a corrente que provee o dispositivo. Uns materiais prometedores son os politipos de carburo de silicio (SiC). Os politipos máis habituais son o cúbico (3C-SiC), 4H hexagonal (4H-SiC) e o 6H hexagonal (6H-SiC). Os dous politipos hexagonais son os máis empregados na industria, en particular no campo da electrónica de potencia. O 3C está a ser investigado polas propiedades isotrópicas e altas movilidades de portadores. Ademais, estes politipos presentan propiedades moi interesantes como estabilidade térmica e resistencia á radiación, o que os converte en candidatos moi interesantes para aplicación espaciais, onde os dispositivos sofren condicións extremas. Por último, os procesos de fabricación de LPCs feitos destes politipos empregarían materiais non críticos, abundantes (carbono e silicio) e con procesos que non involucran axentes tóxicos, ao contrario que no arseniuro de galio. Neste traballo impleméntanse os tres politipos de carburo de silicio na arquitectura máis común de LPC, a horizontal laser power converter (hLPC), a fin de comprobar o potencial destes semiconductores. Para eso empréganse softwares comerciales de modelización de dispositivos semiconductores. Os dispositivos modelados optimízanse mediante algoritmos desenrrolados polo noso grupo de investigación. O 3C SiC presenta a maoir eficiencia dos tres politipos en todo o rango de potencia estudado, mellorando o actual record dun LPC a temperatura ambiente por un 13.4% a 10 W cm-2. Para mellorar a arquitectura VEHSA, desenrrólase un algoritmo de optimización dedicado, o Photogeneration and Performance Optimization ou PhPO. Este software permite reducir enormemente as perdas por "current matching" e mellorar o desempeño das celdas individualmente. Para demostralo, valídase unha VEHSA de 5 celdas fronte a un dispositivo experimental, o actual record desa tecnoloxía. O dispositivo modelado reproduce fidedignamete as curvas IV experimentais. Unha vez validado, aplícase ao deseño TCAD o algoritmo PhPO, aumentando a eficiencia un 9.5% debido á notable reducción das perdas por "current matching". Finalmente, emprégase o politipo que máis eficiencia acada, o 3C, nas arquitecturas avanzadas vLPC e VEHSA. Para o vLPC non hai ningunha degradación notable debido á resistencia serie en ningún valor de potencia, ao contrario que no hLPC, onde este efecto é notable a 1000 W cm-2 e degrada significativamente o rendemento do hLPC a valores de potencia máis altos. A eficiencia dos vLPC crece linealmente co logaritmo da potencia para o rango estudado. Este resultado, oposto ao comportamento no hLPC, provén da baixa resistencia serie e da menor presenza de recombinación Auger nos dispositivos vLPC. A implementación de 3C-SiC faise en dispositivos tipo VEHSA con 2, 3 e 4 células. Optimízanse diferentes dispositivos para o rango de potencia 1-3000 W cm-2 . O algoritmo PhPO axusta as alturas individuais das células (CH) para minimizar a diferenza de corrente producida entre as células. Os dispositivos 3C-SiC VEHSA obteñen eficiencias un ≈2% superiores que os dispositivos hLPC e vLPC no rango de 1-100 W cm-2. É importante destacar que os dispositivos propostos de 3C empregando a arquitectura VEHSA superan o actual dispositivo experimental de mellor rendemento por un 19.7%. A 3000 W cm-2 todos os dispositivos amosan sinais de degradación da eficiencia agás o VEHSA-4. Esta estrutura supera o resto dos dispositivos VEHSA a este valor de potencia, mostrando unha eficiencia do 87,4%. Como conclusión, os resultados deste traballo xeran confianza nunha nova xeración de convertidores de potencia por láser coa capacidade de revolucionar o mercado e ampliar as posibles aplicacións da tecnoloxía de transmisión de potencia sen fíos. Aínda que o rendemento dos LPC baseados en SiC real pode verse afectado por problemas de fabricación, o traballo presentado mostra que o uso combinado de 3C-SiC e arquitecturas avanzadas son adicións beneficiosas e abren unha ruta prometedora cara á transmisión eficiente de densidades de potencia láser ultra-altas.

keywords: Laser power converters, High power laser transmission, Device modeling