激光無線能量傳輸效率的實驗研究

喬 良，楊雁南

（南京航空航天大學應用物理系，南京211106）

激光無線能量傳輸效率的實驗研究

喬 良，楊雁南*

（南京航空航天大學應用物理系，南京211106）

為了提高激光無線能量傳輸系統的轉換效率，基于單結GaAs光電池的工作原理，用調節照射光電池的激光參量的方法，從理論上對激光無線能量傳輸系統的有關部分進行了優化設計，并通過實驗研究了激光波長、激光強度等因素對光電池能量轉換效率的影響。結果表明，單結GaAs光電池對單色激光的光電轉換效率遠高于傳統的單晶硅電池，最高轉化效率可達61.2%。該結果對于激光無線能量傳輸技術的應用具有一定參考價值。

激光技術；激光無線能量傳輸；單結GaAs光電池；轉換效率

引 言

無線能量傳輸技術［1-3］是一種通過真空或空氣介質傳播電磁波以實現電能傳輸的技術。目前，對于長距離的能量傳輸而言，激光和微波被認為是最有應用前景的兩種傳輸載體。由于激光具有單色性好、方向性好、能量集中的優點，即使在較小發射功率的條件下，激光無線能量傳輸系統也能實現遠距離的電能傳輸，同時系統所需的發射和接收設備的體積和質量只需要同類微波設備的1/10，且沒有與通信衛星相互干擾的風險，因此在飛行器、人造衛星、航天器等空間用電設備領域具有較好的應用前景。

基于激光在無線能量傳輸中具備的上述優勢，歐美等發達國家都已對激光無線能量傳輸進行了研究。其中代表性的工作有：2005年美國國家航空和宇宙航行局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的馬歇爾空間飛行中心首次利用強激光（輸出功率500W、輸出波長940nm），通過對15m以外微型飛行器表面的三結Ga∶In∶P2光電池進行照射，保證了微型發動機的正常工作，帶動飛機飛行［4］。在2007年的光能定向傳輸競賽中，為了提高太空電梯的爬升速率，獲得冠軍的加拿大薩斯喀徹溫（Saskatchewan）大學隊首次選擇近紅外激光器（之前使用的光源為聚光燈和太陽光）作為光能定向傳輸系統的光源，充分驗證了運用激光實現無線輸能的優越性［5］。2007年，歐洲宇航防務集團（European Aeronautic Defense and Space Company，EADS）的工程師也采用了激光無線能量傳輸技術為250m以外的微型船---“漫步者”提供電能［6］。此外，在NASA、美國環境和能源技術辦公室及烏克蘭聯合進行的空間太陽能發電計劃中也包含了激光無線能量傳輸系統的部分。按照計劃，他們將在地球同步軌道上建立一個太陽能發電站，并將能量匯聚后通過無線能量傳輸技術傳送到地面［7-8］。

激光無線能量傳輸技術涉及到激光器結構設計、高功率激光在大氣中的傳輸效率、單色激光輻射下光電池的光電轉化效率等問題。目前，國內針對激光無線能量傳輸的研究還鮮有報道［9］，但基于傳統的光學設計和激光應用等領域，已有多位研究者對于大功率激光器、高斯光束整形、光電池光電轉換效率等問題進行了理論研究和實驗測量［10-12］。作者基于他們的相關工作，構建了一套激光無線能量傳輸系統，該系統首先通過電激勵半導體或固體激光器，將電能轉換為激光能量，激光束被擴束準直后自由傳輸，照射到遠處的光電池上再轉換為電能。采用該系統實驗研究了單結GaAs光電池在各種波長情況下，激光照射強度與能量轉換效率之間的關系。結果表明：采用波長為808nm的激光，照射到光電池上的強度為0.230W/cm2時，系統具有最佳的電-光-電轉換效率。

1 激光無線能量傳輸系統的設計與分析

1.1 激光無線能量傳輸系統的組成

激光無線能量傳輸系統由激光器、激光擴束準直系統、單結GaAs光電池及光功率、電功率測量系統組成，如圖1所示。

系統通過電激勵激光器發射激光，激光經擴束準直系統整形后可均勻照射在整個光電池表面，傳輸的激光光功率、光電池的開路電壓、短路電流等參量可由光功率、電功率測量系統測量得出。

1.2 系統各部分設計及能量傳輸效率分析

1.2.1 激光器 激光器作為激光無線能量傳輸的重要發射部件，其性能、參量直接影響到整個系統的能量傳輸效率。目前激光器根據工作物質不同可以分為氣體激光器、固體激光器和半導體激光器等。對于激光無線能量傳輸系統而言，激光器的選擇應遵從以下原則：（1）較高的電光轉換效率；（2）較小的光束發散角；（3）較高的發射功率；（4）較小的尺寸；（5）較低的價格。半導體激光器價格低廉，電光轉換效率高（可達70%），遠高于氣體激光器和固體激光器（大約30%）。由于采用激光二極管陣列組成的疊陣陣列結構，半導體激光器可以根據需要實現各種功率級的激光輸出。而德國DILAS公司也在2007年成功研制出適用于遠距離無線能量傳輸的10kW級半導體激光器模塊，發散角滿足快軸小于6mrad、慢軸小于30mrad［5］。故本實驗中采用了半導體激光器（輸出激光波長為808nm和980nm的紅外光半導體激光器），同時，為了研究GaAs光電池對不同波長單色光的轉換效率，也對由固體激光器輸出的波長為671nm的紅光與波長為532nm的綠光的轉換效率進行了測量。

1.2.2 擴束準直系統 雖然激光器輸出方向性極好的細激光束，但由于激光無線傳輸系統需要光束在空間長距離傳播。為了實現能量轉化的高效率，理論上要求激光束能夠準直均勻地耦合到光電池的全表面。因此，激光器輸出的光束，需要根據光電池表面的尺寸和傳輸距離等數據進行擴束和準直，以獲得發散角極小、光斑尺寸合適的激光束。

本實驗中選用倒置的開普勒望遠鏡系統作為擴束準直系統。系統由一個短焦距的正透鏡1（焦距為f1）和較長焦距的正透鏡2（焦距為f2）組成，可實現對由左向右入射光束的擴束和準直，如圖2所示。激光器輸出的高斯光束通過透鏡1后其束腰半徑由w0縮小到發散角由θ增大到θ′；正透鏡2的焦點與′位置重合，光束經透鏡2后束腰半徑由增大到發散角由θ′縮小到θ″。根據高斯光束性質可推出由該系統出射的高斯光束束腰半徑″= λf2/（π′）［11］，其中λ為高斯光束的波長。″隨著w0′的縮小而增大，從而實現擴束。

為了增加系統的總傳輸效率，減少因通過透鏡而產生的光束形變，獲得截面較大的光束，透鏡1和透鏡2根據激光器輸出波長選用相應光學鍍膜的玻璃透鏡，且透鏡2采用大口徑的雙膠合消像差透鏡。高斯光束的擴束倍率和發散角壓縮率分別由下式給出［11］：

本實驗中半導體激光器輸出光束光斑為5mm× 8mm、光電池表面積為30mm×40mm，取f1=45mm，由上式可估算f2≈220mm，實驗中采用f2=200mm。

1.2.3 光電池 光電池按照材料分類可分為硅光電池、多元化化合物光電池、聚合物多層修飾電極型光電池、納米晶光電池、有機光電池等，按照結晶薄膜層數分類可以分為單結光電池和多節光電池。

對于不同波長的單色光，即使輻照度相同，光電池單位面積產生的光電流密度也不同。光電池的短路電流與入射光波長有關的特性稱為光電池的光譜響應。光譜響應表明了光電池對不同波長光的光電轉換能力。

電流-電壓曲線（I-V曲線）可以直觀地描述光電池的電學特性（見圖3）。其中Is為光電池的短路電流，Vo為光電池的開路電壓，Pmax為光電池輸出的最大電功率，其相應的電流值為Ip，電壓值為Vp，Pmax與Is和Vo的關系為：

式中，F為光電池的填充因子，它與Vo之間存在直接關系，有經驗公式［13］：

式中，k為玻爾茲曼常數，T為光電池的溫度，q為單電子電荷量。因此在實驗中通過測量短路電流Is和開路電壓Vo可求出光電池輸出的最大電功率Pmax。

目前市場上大部分光電池材料的帶隙寬度僅能實現與太陽光譜的部分匹配，雖然通過設計多結層結構可以拓展光電池的響應光譜范圍，但對太陽光的轉換效率仍普遍較低。不同于傳統的光電池設計要求，由于本實驗中所用能量載體為單一頻率的激光，單結光電池即可滿足要求。根據光電池的光譜響應曲線，選擇入射光的波長為光譜響應曲線峰值處的波長，即可實現能量轉換效率的優化。在光電池材料選擇方面，已報道的經過光譜響應優化的單結硅光電池最高轉化效率為27.7%［14］，而近年來隨著多元化化合物光電池研究的不斷深入，經過光譜響應優化的單結GaAs光電池的最高轉化效率已經突破50%［8］，較之于硅光電池有很大優勢。此外，GaAs光電池還具有更高的開路電壓，更加理想的光學帶隙，抗輻射能力強，對溫度不敏感等優點。并且選擇單結光電池還有利于簡化光電池的制作工藝，減少電池內阻，降低系統成本。因此，本系統采用了單結GaAs光電池作為激光能量傳輸的接收組件。

2 激光無線能量傳輸效率的實驗測量與結果分析

實驗中分別選用了4個不同頻率的半導體或固體激光器（輸出激光波長分別為532nm，671nm，808nm，980nm）作為發射系統，它們的輸出功率均連續可調，其大小由激光功率計測量。準直擴束系統選擇倒置的開普勒望遠鏡系統（焦距分別為45mm和200mm），規格為30mm×40mm的單結GaAs光電池作為接收裝置。兩個萬用表分別測量激光照射下光電池的短路電流Is和開路電壓Vo。

激光無線能量傳輸效率的測量方法如下：對某種輸出波長的激光器，調節其工作電流在不同數值（即激光器輸出功率不同），分別測量激光器輸出端、擴束準直透鏡后以及在空氣中傳輸一端距離到達光電池處這3個位置上的激光功率和光斑大小，即可得到不同激光強度下擴束準直透鏡、空氣對激光強度的衰減以及光電池對激光的轉換效率。實驗中激光器與光電池距離為2m，到達光電池處的激光光斑與光電池大小吻合。依次采用輸出波長為532nm，671nm，808nm，980nm的激光照射光電池，測得了單結GaAs光電池輸出端的開路電壓/短路電流隨激光強度的變化曲線如圖4a～圖4d所示。由圖可知，對于波長為532nm，671nm，808nm的激光，光電池的開路電壓不隨激光強度變化，數值穩定在1V左右，短路電流開始隨著入射光強的增強線性增加，當光強達到吸收閥值后，短路電流趨于飽和。而對于980nm的激光，雖然存在0.5V左右的開路電壓，但無論光強如何，短路電流幾乎為0。

通常定義激光無線能量傳輸系統的能量轉換效率=光電池輸出的最大功率/激光器輸出總功率。由實驗測量的激光強度及上述光電池輸出的最大功率，即可得到不同波長和強度下該傳輸系統的能量轉換效率隨激光強度的變化關系，如圖5所示。

由圖5可以看出，當采用532nm激光照射光電池時，最大能量轉換效率為32.8%，此時光電池上的激光功率密度為0.596W/cm2。當采用671nm激光照射光電池時，最大能量轉換效率為54.1%，此時光電池上的激光功率密度為0.393W/cm2。當采用808nm激光照射光電池時，能量轉換效率最高，達到了61.2%，此時光電池上的激光功率密度為0.23W/cm2。對于980nm的激光，光電池的能量轉換效率幾乎為0。上述實驗結果可由光電池的工作原理和GaAs的能帶結構得到合理解釋：根據光生伏特原理，當頻率為ν的激光照射在光電池表面時，若光子能量hν（h為普朗克常數）大于光電池材料的能隙寬度，則該光子可打出電子-空穴對，相反地，若光子的能量hν小于光電池材料的能隙寬度，該光子則無法打出電子-空穴對，只能轉化成熱能。因此，對于能隙寬度Eg=1.42eV的GaAs光電池，只有當入射光的頻率ν＞Eg/h，即波長λ＜c/ν≈874nm時才會有光電轉換效率。又由于光強I= Nhν=Nhc/λ（N為單位時間內照射到材料單位面積上的光子數），故在保證光子能量大于光電池能隙寬度，即λ＜874nm的前提下，對于同一光強，頻率小（波長大）的光，光子數N更大，從而打出的電子-空穴對數量更多，光電池輸出的電能也更多，因此得到了更高的能量轉換效率。

另外，由圖5中還可以看出，隨著激光輸出功率的增加，單結GaAs光電池的能量轉換效率呈現先快速增加后緩慢減小的趨勢。這是因為對于光電池而言存在著復合輻射機制。由于復合輻射發射的光子能量通常略大于電池材料的能隙寬度，導致光電池內部存在著再吸收過程，因此只有凈復合對系統效率才有貢獻。當入射光強較小時，輻射復合在總入射能量中所占的比例較大，系統能量轉換效率也較低，隨著入射光強的增加，輻射復合比例不斷下降，系統效率因此得到提高，當輻射復合比例下降為0時，系統轉換效率達到最大值。又因高強度激光照射下光電池的熱阻效應表現明顯，因此入射光強再增加時，系統的轉換效率又呈現緩慢減小的趨勢。

3 結 論

在激光傳輸能量過程中，單結GaAs光電池表現出良好的性能，當光電池由808nm的激光以0.23W/cm2的功率密度照射時，系統最大能量轉換效率可達61.2%，且當光功率密度增強到1.15W/ cm2時，系統最大能量轉換效率仍可以保持在40%以上。本實驗中使用的1塊表面積為30mm×40mm的光電池產生了1W以上的輸出功率，這為光電池接收系統的小型化提供了條件。此外，與傳統硅光電池（輸出電壓約為0.5V）相比，單結GaAs光電池穩定的高開路電壓（輸出電壓為1V）也更易于被充電設備利用。在工程上，還可通過多個光電池串聯或增加升壓電路模塊的方式，實現光電池對鋰電池的充電，從而為遠距離工作又不易實施有線能量輸送的設備進行能量補充。

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Experimental research of laser wireless power transmission efficiency

QIAO Liang，YANG Yannan
（Department of Physics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

In order to improve the conversion efficiency of the laser wireless power transmission system，based on the working principle of single junction GaAs photovoltaic cell，by the method of adjusting the parameter of laser which irradiated the photovoltaic cell，an optimization scheme was designed to each part of the laser wireless power transmission system theoretically.The relation between the conversion efficiency with laser wavelength and incident intensity was measured experimentally and discussed theoretically.The results show that the conversion efficiency of GaAs photovoltaic cell is improved obviously compared with monocrystalline silicon photovoltaic cell for monochromatic laser.The maximum conversion efficiency reaches 61.2%.The conclusions have a certain reference value for the application of laser wireless power transmission.

laser technique；laser wireless power transmission；single junction GaAs photovoltaic cell；conversion efficiency

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.003

1001-3806（2014）05-0590-05

國家自然科學基金資助項目（51377080）

喬 良（1990-），男，碩士研究生，現從事激光應用方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail：yangyn@nuaa.edu.cn

2013-09-25；

2013-11-19