硅电池对脉冲激光光电转化效率的研究王文康I王文伟I王苏铉I李昭文I武寄洲「21）（量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学激光光谱研究所，物理电子工程学院，山西大学，太原030006 ）2）（极端光学协同创新中心，山西大学，太原030006 ）摘要：针对基于激光的无线电力传输效率受限的问题，提出了将脉冲激光用于无线电力传输的设想，设计 了脉冲激光无线电力传输系统，研究了脉冲激光的占空比和脉冲频率与光电转化效率的关系系统以 808nm半导体激光器为电力发射装置，以多晶硅太阳能电池板为电力接收装置，以脉冲激光为电力的载体， 从而实现无线电力传输测量结果表明，在脉冲激光平均输出功率一定的前提下，多晶硅太阳能电池板对 脉冲激光的光电转化效率与其占空比正相关，与其脉冲频率无明显联系关键词：无线电力传输；脉冲激光；光电转化；多晶硅电池1引言无线电力传输这种特殊的供电方式，已成为日前最热门的研究领域Z—白从初步实验演示川以来， 无线电力传输研究取得了不断进展⑵无线电力传输通常采川微波或激光作载体，而这两种传输技术是近 年发展起来的新技术，目前均处于研究阶段卩利用激光进行远程无线电力传输，相比于微波无线电力传 输技术，它具有传输距离远、效率高、装置小、无电磁干扰等优点，在航空航天、军事装备、机器人等领 域有广阔的应用前景虜刃。
2005年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）马歇尔空间飞行中心的科学家利 用波长940nm,输岀功率500W的强激光，成功为与激光器相距15m的微型飞机传输电力，并使其正常工 作〔⑼2012年，北京理工大学光电学院以793nm激光为传输介质，基于GaAs材料的无线能量传输演示系统对 激光光■电的转换效率最高达48%[1,]O 2013年，光机电装备技术北京市重点实验室通过在SF6气体氛围中采 用6ns激光脉冲辐照硅片表面的方法获得了硅片表面峰状结构，将激光处理后的硅片制成的硅电池片光电转 换效率提高到15%〜25%[,2Jo 2015年，山东航天电子技术研究设计了一种激光传能系统採川相位阵列提高光 束接收端光强分布的均匀度，同时提高激光发射端与光束接收端之间的瞄准猎度，优化了光电池排列设计,提高了 激光传能的电到电转换效率〔叫综合考虑，国内外研究的主要方向是：1•改造光也也的微观结构以提高光电转 化效率2.研究不同频率的激光对光电转化效率的影响3.采用大功率的激光进行电力传输4.激光在大气中的传 播114-16]0这些研究都未涉及到对脉冲激光的转化，而我们创新性的研究基于脉冲激光的无线电力传输，主要考 虑到以下儿点：1.脉冲激光输出能量集中，其输出激光的间隙对于光电池的散热可能右一定帮助2.脉冲激光作 为一种激光形式拥有占空比和脉冲频率两个连续激光所不具备的参数3.基于脉冲激光的无线电力传输相关 研究鲜有报道。
根据太阳能电池的工作原理，如果采用单色性良好的激光，当激光光子的能量与光电池材料的带隙能 量匹配时，光电池将有更高的转换效率综合考虑应用的普遍性和性能，我们选择了多晶硅电池作为本课 题的研究对象根据不同种类激光器的电光转换效率、发射激光波长、功率、光斑形状等特点，结合木课 题的研究日地和接收系统中光电池的性能，考虑到实验条件所限，选取了功率可调、输出波长为808nm的 半导体激光器（发散角小）作为激光无限电力传输系统的发射器件2硅电池板吸收脉冲激光的光生电原理硅光电池是脉冲激光无线电力传输系统中重要的能量转换部件，是某种结构的半导体器件它是在一 块低掺杂浓度的N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（如硼）而形成一个大面积的PN结再在 该硅片的上下两血各制一个电极（其中光照面的电极成“梳状”，以减少光生载流子的复合而提高转换效率 并在幣个光照面镀上增透膜，利于光的入射这样就构成了硅光电池，如图下图（a）所示其中P 层做得很薄，从而使脉冲激光能穿透到PN结上,羡至更深入到半导体内部当照射到PN结区的光了能最大 于半导体能隙宽度时，光子能量将在一定范围内被木征吸收，若此时吸收范围大于PN结厚度，则入射光 将会在PN结区及其附近区域激发电子■空穴对。
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子 浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流了的运动脉冲激光照射/n n 增透膜（a）硅光电池结构原理由于PN结势垒区内存在较强的内建场（HN区指向P区）,所以结区和结区附近吸收范围内的光生 电子和空穴在半导体结电场的作用下各自向相反方向运动P区的光生电了在结电场的作用下穿过PN结 漂移至N区，同时N区的空穴在结电场的作用下穿过PN结漂移至P区，这就形成了一条由N区流向P 区的电流，即光生电流随着光生电子和空穴的漂移与堆积，使N区显负电性，使P区显正电性PN结 两端将会形成一个与结电场方向相反的电场，即补偿电场，并产生一个与光生电流方向相反的电流，即正 向电流当正向电流与光生电流相等的时候，电池达到动态平衡，PN结两端建立稳定的电势羌，即光生 电压若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区若将外 电路断开，就可测出光生电动势这就是硅光电池发生光电转换的原理下图（b）是硅光电池电路中的 符号和基木工作电路示意图，图（c）是硅光电池的一个实物图 U\/Rl(c)硅光电池实物图(b)硅光电池符号和基木T作电路我们实验上利川硅电池板将光转换为电这一过程中，采川脉冲激光替代连续激光照射硅电池板，主要 是考虑到脉冲激光相比于连续激光有更高的输出功率。
激光电力传输是以激光为能量载体的能量传输方 式，激光经过大气媒介在大气中传输的过程中，会受到大气的散射、折射、吸收以及大气湍流等作用影响 大气对激光的吸收主要是由大气中的二氧化碳与水蒸气造成的激光散射是由于大气中尘埃、水滴、烟雾 等微粒直径与可见光波长尺寸相近，从而影响激光在大气中的传播因此在远距离的空间照射过程中激光 的功率会有部分损耗，而选择输出功率较高的脉冲激光更加有利于确保经过远距离空间传输示，照射到硅 电池板表面光的能量是大于半导体能隙宽度的脉冲激光是在光泵浦初期设法将激光器谐振腔的Q值调低, 从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能量粒了数得到积累随看光泵的继续激励，上能级粒了数逐渐 积累到最大值此时突然将谐振腔的Q值调高，那么积累在上能级的大量粒了便雪刖式地跃迁到激光下能 级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输岀3基于脉冲激光的无线电力传输实验系统3.1工作原理为了在电力传输过程中使用激光代替导线成为电力的载体，所设计的传输系统应具备电能-光能-电 能的能量转化功能系统的一部分将电能转化为光能并以激光的形式发射岀去，我们称其为发射端；系统 的另一部分接收到激光并将其重新转化为电能储存或利用起來，我们称具为接收端。
在这样的考虑下，我 们设计的基于脉冲激光的无线电力传输实验系统如下图所示：Transmitting terminalOscilloscopereceiving terminalOptical powermeter该系统由发射端和接收端两部分组成o 发射端负责发射脉冲激光以及调整脉冲激光的占空比、脉冲频率、输出功率等参数，接收端负责将激光能量转化为电能我们将接收端与一个可变电阻连接，可变电 阻作为接收端的负载，负载上消耗的功率即为接收端的输岀功率接收端接收到的激光不变的情况下，改 变负载的阻值，负载上的电流【及其两端的电压会相应改变，负载上的功率P = IxU也随Z变化不断 改变负载的阻值以找到其上的最大功率化，若此时接收端接收到的脉冲激光的平均功率为匕，则接收端 的光电转化效率为〃二巴/心改变发射端发射的脉冲激光的参数，便可测量得到接收端对各种参数下的 脉冲激光的光电转化效率3.2发射端的构建由于我们采用硅电池作为进行光电转化的部件，硅电池对于不同波长的光有不同的响应程度实验中 硅电池的响丿应范围为400-1 lOOnm,峰值波长为800〜900nm,如下图所示：入射光强度X/gm为了提高实验中的光电转化效率，使硅电池工作在其响应度峰值范围附近，使实验现象更加明显，我们采 用宁波远明激光技术有限公司生产的808nm半导体激光器（可TTL调制，最大输出功率为7.5W）作为发 射端的主要部件。
该激光器配合数字信号发生器即可输出占空比、频率可调的脉冲激光同时，在激光器 的适配电源上有电流调节旋钮，可以调节激光器的平均输出功率3.3接收端的构建我们使用多晶硅太阳能电池板（5V 160mA）作为接收端的主要部分，硅电池的正负极两端连接可变 电阻箱作为负载，同时有电流表与电压表对负载上的电流及其两端的电压进行测量池板能够高效率的工 作，需要将激光通过扩束镜扩束以得到较大的光斑，当光斑血积与电池板面积相当时效率最高为了实现 这一点，我们在接收端适当的位置放置了一个扩束镜4结果与分析4」占空比与光电转化效率我们固定发射端输出激光的脉冲频率为1000Hz,激光的平均输出功率为0.67W不断改变输出激光的 占空比，同时测算备个占•空比下接收端的最大光电转化效率，最终得到了该条件下占空比与光电转化效率 的曲线如下:206000800Frequency (Hz)在其他的脉冲频率、激光平均输出功率下，曲线的形状相似C可以看到，光电转化效率与皆空比有正相关 的关系，此时脉冲频率与激光平均输出功率是固定不变的，仅仅是输出激光的方式就可以影响光电转化效 率的大小4.2脉冲频率与光电转化效率我们尚定发射端输出激光的占一空比为0.75,激光的平均输出功率为4.00W。
不断改变输出激光的脉冲 频率，同时测算备个脉冲频率下接收端的最大光电转化效率，最终得到了该条件下脉冲频率与光电转化效 率的曲线如下:Duty在其他占空比、激光平均输岀功率下，曲线的形状相似C可以看到，光电转化效率与脉冲频率没有明显的 相关性参考文献[1] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, et al. “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances". Science, 2007,317(5834):83-86.[2] 杨鹏.激光无线电力传输效率的研究[叨.南京：南京航空航天大学,2012.[3] R. M. Dickison. "Wireless power transmission technology state of the art—the first Bill Brown lecture". Acta Astronautica, 2003, 53(4):561-570.[4] J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, et al. "Lunar laser ranging: A continuing legacy of the Apollo program". Science, 1994, 265(5171):482-490.⑸ H. A. Bcthc, R. Garwin, K. Gottfried, et al. 44Spacc-bascd ballistic missile defense". Scientific American, 1984, 251(4):39-49.[6] 杨成英，陈勇.中程距离无线输电的实现.科技信2009,10(3):410-411.[7] 侯清江.无线供电技术方案及应用.光盘技术,2009,2:32-33.[8] R. C. Michelso。