激光无线能量传输( LWPT )的概念于1968 年提出，是指不使用能量传输线，而使用激光作为能量传输载体。

研究背景

激光无线能量传输( LWPT )的概念于1968 年提出，是指不使用能量传输线，而使用激光作为能量传输载体，利用其优异的方向性以及高功率密度，为目标设备提供能量，使其正常工作。LWPT主要由激光发射系统、能量传输控制系统、激光接收系统、能源管理系统以及负载组成，其具有长距离、高功率密度以及高转换效率且不用能量传输线的优势，在空间飞行器、无人机供能以及空间太阳能电站等方面有潜在的应用前景。

近年来，世界上一些先进国家在该领域开展了较多的研究工作：2005年，美国NASA开展了小型飞行器激光供能实验，为之后的小飞行器激光供能研究提供了相当全面的参考；2007年，日本的Nobuki Kawashima等使用激光对电动风筝进行无线能量传输实验，电动风筝在50m的高度以10m的直径盘旋了1h并安全降落；2009年，美国LLNL 提出了一种新的空间太阳能电站的实现方法，采用激光作为传输手段，并对其工程上需要解决的问题以及经济上的可行性进行了详细分析。

2012年洛克希德·马丁公司和Laser Motive公司合作，采用激光供能方法成功将Stalker无人机系统的空中续航时间由2h提升到了超过48h；2017 年，日本提出在车辆顶部固定光伏电池，在道路两边采用太阳光泵浦激光器接收太阳光并直接转化为激光，照射到车顶的光伏电池上，对车辆进行供能。

与国外主要针对整体系统以及工程问题的研究相比，国内的研究主要侧重于LWPT系统中激光传输及能量转换效率。2013 年，北京理工大学光电学院的何滔等设计了一套地面LWPT系统，研究了能量的传输效率，并通过理论分析了激光波长、光伏器件材料等对能量传输效率的影响；2014年，南京航空航天大学的乔良等研究了激光波长、激光功率密度对GaAs光电池能量转换效率的影响。

2015年，Zhang Yu等通过理论与实验对波长为915nm的激光照射下单晶硅的输出特性进行了研究；2016年，刘晓光等针对不均匀激光照射下的串联与并联光伏器件输出特性进行了理论分析和实验研究，同年，其团队对激光照射下光伏电池的温度和电路对其输出特性的影响进行了研究。

目前限制LWPT系统进入实际应用的主要原因是其系统的能量转换效率较低，其中，光伏电池在激光照射下的光电转换效率是系统能量转换效率的一个重要组成部分。所以，为提高激光辐照下光伏电池的光电转换效率以及输出功率，使得LWPT系统进入实际应用，激光辐照下光伏电池的响应特性、光电转换效率的研究至关重要。

本文采用实验方法，较为系统地进行了研究:首先将激光辐照下光伏电池的输出特性与太阳光辐照下光伏电池的输出特性进行对比;然后采用波长为 808nm和915nm的激光对GaAs与Si光伏电池进行辐照，探究了不同激光功率密度、波长以及温度下光伏电池的输出特性;最后，为了模拟实际中可能出现的激光非垂直入射情况，研究了激光以不同入射角度辐照时光伏电池的输出特性。

实验设计

图1  实验采用的光路图

实验中激光器采用功率可调的波长为 915nm和 808nm的半导体激光器,激光通过准直扩束系统后对光伏电池全覆盖辐照,并使用功率计测量激光功率。分别采用尺寸为3cm×4cm的GaAs光伏电池与尺寸为2cm×2cm的Si光伏电池进行研究。改变激光参量与光伏电池参量,通过 I-V测试仪对光伏电池在不同条件下的输出特性进行动态诊断,同时,通过紧贴在光伏电池背面的热电偶获取不同条件下光伏电池的温度变化数据。最后,在研究入射激光角度对光伏电池输出特性的影响时,将光伏电池固定在一个旋转平台上进行数据获取。

实验结果分析

1. 激光与太阳光照射下光伏电池的输出对比

采用相同功率密度(0.10W/cm2)的808nm激光与太阳光分别对Si电池与GaAs电池进行辐照,得到其伏安特性曲线如图2所示,进一步计算得到电池的其他输出参数如表1所示。

表1 光伏电池的输出参数

图2  激光与太阳光辐照下光伏电池的伏安特性曲线

可以看出,在相同功率密度的激光和太阳光照射下,光伏电池的填充因子(FF )相近,但是激光照射下的光伏电池能量转换效率(PCE)与最大输出功率(Pmax)大大提高,以Si电池为例,在太阳光照射下,其能量转换效率仅为17.4% ,最大输出功率仅为0.069W ,但是在激光照射下,其能量转换效率为40.8% ,最大输出功率为0.179W。这是由于太阳光是宽谱光源,太阳光中,波长过长的部分不能激发光伏电池产生光生载流子,波长过短的部分激发效率极低,而激光是单波长的光源,只要波长满足光子能量大于禁带宽度的条件,就能全部被利用,激发光生载流子,使得激发效率更高。

2. 入射激光功率密度与波长对光伏电池输出特性的影响

使用波长为808nm的激光在不同功率密度下对 GaAs与Si光电池进行照射,得到不同入射激光功率密度下光伏电池的输出特性如图3所示。由图3(a)可知,短路电流随入射激光功率密度的增强而线性增加,这是由于在入射激光功率密度较低时,光生载流子随着入射激光功率密度的增强而增多,光生电流随之升高,最终使得短路电流增大。图3(b)表明,开路电压随着入射激光功率密度的增大略有增加,然后趋于饱和。这是因为光伏电池的开路电压主要由组成光伏电池的半导体性质,如禁带宽度等决定,受入射激光功率的影响不大。

图3 (a)短路电流;(b)开路电压;(c)最大输出功率;

(d)能量转换效率随入射激光功率密度的变化图

光伏电池最大输出功率随入射激光功率密度的变化情况由图3 (c)表示,可以看出光伏电池的最大输出功率随入射激光的增加先升高后趋于饱和,结合图4 分析可知,这是由于在入射激光功率密度较小时,随着激光功率密度增加,短路电流线性增加,且伏安特性曲线退化不严重,所以光伏电池的最大输出功率增加;但是当入射激光功率进一步增加时,短路电流趋于饱和,且伏安特性曲线逐渐退化为一条斜线,所以最大输出功率也趋于不变。图3(d)中,光伏电池的能量转换效率随着入射激光功率密度的增加而逐渐减小,这是因为随着入射激光功率密度的增加,虽然光生电流增加,但是由于光伏电池的热阻效应也更加明显,减小了光伏电池输出电流的增幅,而开路电压基本不变,所以输出功率跟不上入射激光功率的涨幅,即能量转换效率逐渐减小。

图4  Si电池在不同功率密度与波长激光照射下的伏安特性曲线

同时,由图3可以看出,波长为808nm的激光照射下,GaAs光伏电池的能量转换效率略大于Si光伏电池,开路电压、短路电流和最大输出功率远大于Si光伏电池,这种差异主要是由于实验样品制造工艺、电池尺寸以及材料的特性,如禁带宽度等引起的。但是 GaAs与Si光伏电池随入射激光功率密度的输出特性变化趋势基本一致。此后,为了探究不同激光波长对光伏电池输出特性的影响,分别采用了波长为915nm与808nm的激光对Si电池进行辐照,得到伏安特性曲线如图 4 所示,可以看出,在相同功率密度下,相对于808nm激光, 915n激光辐照下Si电池的短路电流更大,开路电压相似,且填充因子更高,所以其能量转换效率也更高。这是因为Si材料的光谱响应曲线峰值在900nm左右,所以Si电池对915nm激光的转化更为充分。

同时,由图4也可以看出短路电流和开路电压随着入射激光功率升高而变化的趋势,在波长为808nm的激光辐照下,短路电流在入射激光功率为0.37W/cm2左右趋于饱和,这一方面是由于随着入射激光功率密度的增加,虽然光生电流随之升高,但是光伏电池等效电路中串联电阻对电流的消耗增大,减小了短路电流的增幅;另一方面,随着入射激光功率密度的增加,光伏电池的耗尽区变宽,导致复合电流升高,同样减小了短路电流增幅。所以这两方面的因素共同导致了短路电流在高功率密度激光照射下的饱和效应。同时,可以很明显的看出,伏安特性曲线在不断退化,最后甚至变为一条斜线,这就说明光伏电池的填充因子大大降低了,原因是高功率密度激光照射下的热阻效应以及由于耗尽区变宽引起的复合电流升高对输出电流的消耗。

图5  Si电池的温升曲线

3. 温度对光伏电池输出特性的影响

利用波长为808nm的激光与 AM1.5的太阳光对Si光伏电池进行时长为4min50s的辐照,光伏电池在自然对流换热情况下进行实验,通过紧贴光伏电池背面的热电偶得到光伏电池的温度变化情况如图5所示。由图可知,光伏电池在激光开始照射的30s中,温度迅速上升,之后缓慢趋于热平衡。当采用与 AM1.5 太阳光功率密度相近的激光照射光伏电池时,其温升略高于太阳光照射下的温升。同时,在激光功率密度为较高的0.44W/cm2时,光伏电池的温度上升较为明显,达到热平衡后,温度升高了约35K。由于光伏电池在工作时所处的环境温度可能变化很大,且由以上光伏电池的温升实验可知,在激光照射下,光伏电池吸收热量,若不采用任何冷却措施,其温度会随之上升,所以有必要了解温度对光伏电池输出特性的影响。采用波长为808nm的激光,在功率密度为0.44W/cm2下对 Si与 GaAs光伏电池进行长时间辐照,得到光伏电池随其温度的输出特性变化情况。图 6展示了GaAs与Si光伏电池的各输出特性随着电池温度的升高而变化的趋势。

图6  (a)短路电流;(b)开路电压;(c)填充因子;(d)能量转换效率随温度的变化图

由图6(a)可以看出,随着电池温度升高,短路电流在一定范围内线性减小,这是因为温度较高时,电池内部载流子浓度也随之提高,导致复合电流增大,所以光伏电池的短路电流随温度的增加而减小。图6(b)表明, 随着电池温度升高,开路电压在一定范围内线性减小,这是因为Si与GaAs材料在温度升高时,其禁带宽度会随之减小,使得本征载流子浓度指数增加,而反向饱和电流正比于本征载流子浓度的平方,所以反向饱和电流大大提高,而开路电压随反向饱和电流的增加而对数减小,所以，随着电池温度的升高,开路电压线性减小。光伏电池填充因子与能量转换效率随温度的变化情况见图6(c)与图6 (d),可以看出,随着电池温度升高,填充因子与能量转换效率均在一定范围内线性减小,由FF与Voc的经验公式可知, FF与 Voc的变化情况基本一致,且在入射功率一定的情况下,能量转换效率与填充因子、开路电压与短路电流三者的乘积成正比,而这三个参数均随温度的增加而减小,所以能量转换效率也随着温度的升高而减小。所以,较高的温度会严重影响光伏电池的输出表现,而光伏电池温度的升高往往主要由高功率密度的激光辐射引起,但在实际应用中,为了提高光伏电池的输出功率,又需要采用较高功率密度的激光辐照光伏电池,所以这是一个难以解决的矛盾。针对这一矛盾,存在两种主要的解决思路:选择功率密度合适的激光照射光伏电池;给予电池有效的冷却。

4. 入射激光角度对光伏电池输出特性的影响

在激光无线传能系统中,固定于目标设备上的光伏电池会随着设备的移动而移动,如果不加以校正,就会造成激光在光伏电池表面的入射角度发生变化。所以,研究激光在不同角度下入射对光伏电池输出特性的影响是十分必要的。采用波长为915nm的激光以不同入射角度照射尺寸为2cm×2cm的Si光伏电池,获取了光伏电池在不同入射角度下的输出特性,如图7所示,随着入射角度在一定范围内增加,光伏电池的能量转换效率略微增加,短路电流减小较为明显,开路电压也一定程度地减小。这种变化趋势与激光功率密度对光伏电池输出特性的影响基本一致。这种一致性可以解释为:在不同入射角度下,入射参量中发生变化的主要为激光功率密度,所以入射角度越大,光伏电池上接收的激光功率密度越小。

图7  (a)短路电流、开路电压;(b)能量转换效率随入射激光角度的变化图

研究结论

本文通过实验得到了激光照射下光伏电池输出特性以及能量转换效率随入射激光参量及光伏电池材料、温度改变而变化的趋势,并对这些趋势进行了分析。分析表明:在波长为808nm的激光照射下, GaAs与Si两种材料的电池的输出特性随激光功率密度改变而变化趋势基本一致;随着入射激光功率密度的增加光伏电池的输出功率先增加后趋于饱和,且能量转换效率降低,在波长为808nm的激光功率密度从0.06W/cm2上升至0.37W/cm2的过程中,Si电池的最大输出功率从 0.12W上升至0.32W ,但是其能量转换效率从50.9%下降至21.2% , GaAs电池的最大输出功率从0.40W上升到1.07W ,但是其能量转换效率从57.9%下降至23.8% 。这是由于光伏电池内部的热阻效应以及复合电流的增大导致的随着光伏电池温度的增加,其能量转换效率以及输出特性均降低;激光非垂直入射与余弦减小入射激光功率密度对光伏电池输出的影响类似。可以看出,在无线能量传输系统中,为达到较大的输出功率与能量转换效率,首先需要光伏电池的材料与激光波长相匹配。然后,为了进一步提高输出功率,就需要增大入射激光功率密度,但是大激光功率密度下,会造成光伏电池的显著温升,引起热阻效应及复合电流增大,最终导致光伏电池的能量转换效率显著下降。所以,为提高光伏电池的能量转换效率,就要求光伏电池在激光照射下的热阻效应与复合电流尽可能小,同时,需要采用高效的冷却系统对光伏电池的温度进行控制。

文章来源：《强激光与粒子束》期刊第30卷第11期

文章作者：李巍，吴凌远，王伟平，张家雷，刘国栋，张大勇