硅电池对脉冲激光光电转化效率的研究

1、硅电池对脉冲激光光电转化效率的研究王文康1王文伟1王苏钰1李昭文1武寄洲1,21）（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

2、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，已成为目前最热门的研究领域之一。自从初步实验演示1以来，无线电力传输研究取得了不断进展2。无线电力传输通常采用微波或激光作载体，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3-7。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8,9。2005年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）马歇尔空间飞行中心

3、的科学家利用波长940nm，输出功率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10。2012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-电的转换效率最咼达48%11。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咼到15%25%12。2015年，山东航天电子技术研究设计了一种激光传能系统，米用相位阵列提咼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精度，优化了

4、光电池排列设计，提高了激光传能的电到电转换效率13。综合考虑，|国内外研究的主要方向是：|1.改造光电池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.米用大功率的激光进行电力传输4.激光在大气中的传播14-16。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，主要考虑到以下几点：1.脉冲激光输岀能量集中，其输岀激光的间隙对于光电池的散热可能有一定帮助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

5、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，结合本课 题的研究目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

6、面各制一个电极（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。 并在整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,甚至更深入到半导体内部。 当照射到PN结区的光子能量大 于半导体能隙宽度时，光子能量将在一定范围内被本征吸收，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子的运动。脉冲激光照射增透膜（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（自N区

7、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区的光生电子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差，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

8、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本工作电路示意图，图（c）是硅光电池的一个实物图。I (c)硅光电池实物图(b)硅光电池符号和基本工作电路我们实验上利用硅电池板将光转换为电这一过程中，采用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

9、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后，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子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐 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子便雪崩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出。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

10、导线成为电力的载体，所设计的传输系统应具备电能t光能t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出去，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来，我们称其为接收端。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 terminalreceiving terminalOscilloscope该系统由发射端和接收端两部分组成。其中，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

11、负载，负载上消耗的功率即为接收端的输出功率。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 U会相应改变，负载上的功率P = l U也随之变化。不断改变负载的阻值以找到其上的最大功率pm,若此时接收端接收到的脉冲激光的平均功率为PO，则接收端的光电转化效率为 =Pm / P。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 硅电池的响应范围为 4001100 nm，峰值波长为 800900nm,如下图所示：入射光强度

12、/度应响对相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

13、到较大的光斑，当光斑面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 4.1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，同时测算各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：10.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.0200400600800 1000Freque ncy (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。可以看到，光电转化效率与占空比有正相关 的关系，此时脉冲频率

14、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固定发射端输出激光的占空比为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，同时测算各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、激光平均输出功率下，曲线的形状相似。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A. Kurs, A. Kar alis, R. Moffatt, et al.“ Wireless power tran sfer via stro ngly cou

15、pled magn etic resonancesScienee, 2007, 317(5834):83-86.杨鹏.激光无线电力传输效率的研究D.南京：南京航空航天大学，2012.R. M. Dickis on.Wireless power tran smissi on tech no logy state of the art the first Bill Brow n lecture ”. ActaAstro nautica, 2003, 53(4):561-570.J. O. Dickey, P. L. Bender, J. E. Faller, et al. Lunar laser

16、ranging: A continuing legacy of the Apollo program ”.Scie nee, 1994, 265(5171):482-490.H. A. Bethe, R. Garwi n, K. Gottfried, et al. Space-based ballistic missile defe nse ”. Scien tific America n, 1984, 251(4):39-49. 杨成英，陈勇.中程距离无线输电的实现.科技信息，2009, 10(3):410-411.侯清江.无线供电技术方案及应用.光盘技术，2009, 2:32-33.R.

17、C. Michelso n. “ Testa nd evaluation for fully aut on omous Micro Air Vehicles ITEA Journal, 2008, 29(4):367-374.M. C. Zhang, J. H. Wang, Y. W. Shi. Review of the wireless power tran smissi on tech no logy”.Cho ngqingTechnol Business Univ, 2009, 26(5):485-488.薛亮，黄茜.激光技术在电力工程中的应用J.上海电力学院学报，2014, 30(4):383-387.何滔，杨苏辉,张海洋，等.高效激光无线能量传输及转换实验J.中国激光，2013, 40(3):247-252.黄继强，胡传忻，刘颖,等.纳秒脉冲激光处理后硅电池光电转换效率研究J.激光技术，2013, 37(3):317-320.程坤，董昊，蔡卓燃，等.高效率远距离激光无线