激光辐照条件下光电电池温度特性的实验研究

崔晓阳，洪延姬，金 星

（装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

激光辐照条件下光电电池温度特性的实验研究

崔晓阳，洪延姬，金 星

（装备学院 激光推进及其应用国家重点实验室，北京 101416）

激光输能具有广阔应用前景，而光电电池是激光输能技术中实现光-电转换的核心部件。文章围绕温度对光电电池输出性能的影响，通过建立电池输出性能实验测试系统，研究了一定激光功率密度下砷化镓电池和硅电池在不同温度下的伏安特性，以及开路电压、短路电流、最大输出功率、匹配负载、转换效率、填充因子随电池温度的变化规律，并给出其定量表达式，可为激光输能条件下光电电池的选择以及光电电池温度特性预测提供参考。

激光推进；光电电池；砷化镓电池；硅电池；温度特性

http://www.bisee.ac.cnE-mail: htqhjgc@126.com Tel: （010）68116407，68116408，68116544

0　引言

利用激光为空中的飞行器充电是一种新型的激光推进技术，不同于烧蚀式激光推进［1-2］，其原理是利用半导体的光电效应将激光能量转换为电能［1］。这种技术可使能量供应系统与飞行器本体系统分离，从而增大了飞行器的有效载荷比。通过向飞行器源源不断地输送能量，可大大延长其工作时间和使用寿命。

用激光为无人机充电是激光供电技术一个可行的应用方向［3］。与太阳光相比，激光的单色性好、能量密度高，可以获得更高的光电转换效率。因此，激光充电无人机可获得更大的有效载荷比、更高的飞行高度、更长的续航时间，在高空监视和通信中继等任务中具有广阔应用前景［4］。2003年NASA 的Dryden飞行研究中心和马歇尔空间飞行中心完成了激光传输能量到无人机的小型演示实验［5］。2009年，美国激光动力公司完成了激光输能给PELICAN四旋翼直升机的飞行试验，使直升机的持续悬停飞行时间达到12.5h［6-8］。2012年，美国激光动力公司与洛克希德⋅马丁公司合作，在美军特种作战部队装备的小型无人机“阔步者（Stalker）”上加装激光输能系统，并完成了室内和野外激光输能飞行试验，取得了里程碑性的成果［9］。

光电电池是激光输能过程中实现光-电转换的核心部件，然而影响其输出性能的因素众多，其中温度是重要因素之一。许多学者针对温度对太阳光照下光电电池的影响展开了相关研究，取得了很多有益成果［10-12］。由于激光的功率密度比太阳光要高得多，所以在激光辐照下温度对光电电池的影响更为突出。

本文针对激光辐照条件下光电电池的温度特性展开实验研究。为准确测量光电电池的输出性能参数，首先建立一套完备的实验测试系统。然后，测试砷化镓（GaAs）和硅（Si）材料的2种光电电池在不同电池温度下的伏安特性，研究开路电压、短路电流、最大输出功率和匹配负载、转换效率、填充因子等随电池温度的变化规律。

1　实验测试系统与原理

为了测试激光辐照条件下的光电电池输出特性，设计了如图1所示的实验测试系统，包括激光器和发射镜部分、激光接收部分、外电路部分、信号采集部分和上位微机。

图1　激光输能光电电池输出性能的实验测试系统示意Fig.1　The output performance test system of laser powered photovoltaic cell

激光器和发射镜部分发射一定功率的激光并以准直模式垂直辐照到激光接收部分。激光接收部分由光电池和温控平台组成，其中温控平台包括铜质热沉和水冷部件，具有加热和冷却2种工作模式，通过PID控制系统实现对电池温度的控制：当温度低于设定值时，自动开启加热模式；当温度高于设定值时，自动开启冷却模式。将光电池用导热胶粘贴到温控平台上，并用3个φ1mm的K型热电偶测量电池的背面温度，采用NI公司的9214温度数据采集卡将采集的温度信号传送至上位微机。光电电池与0.2Ω精密电阻、电子负载仪串联构成回路，采用NI公司的9207采集卡采集电子负载仪的电压信号Uh和0.2Ω精密电阻的电压信号UR并传送至上位微机。上位微机控制测试系统对所有采集信号的数据进行后处理，光电电池的输出电流I和输出电压U分别为：

本实验将在建立的试验测试系统上完成。

2　测试方法

实验中的光电电池采用天津电源研究所研制的空间用单结砷化镓电池和硅电池，电池的面积均为2cm×2cm。测试时，对砷化镓电池的辐照选用波长为780nm的激光，对硅电池选用波长为940nm的激光，2种激光均为高斯光束，光斑呈圆形。调整电池与激光发射镜之间的距离，以保证激光光斑恰好全部落在电池表面，没有漏光。

实验中采用热像仪检测电池表面温度分布，结果显示电池表面温度因电池面积较小而分布较为均匀，其中心处温度略高于边缘温度，两者相差最多不超过2K。因此，研究中采用电池中心处温度来表征电池温度。

测试中，设定电池温度后要经过一定时间使温控平台和光电电池温度达到平衡状态，待温度信号稳定后再进行后续操作。调节电子负载仪阻值，使其在短时间内完成阻值从0～∞的扫描，以减小测量期间的温度误差。整个测试过程的流程如图2所示。

测试中分别完成短路电流Isc、开路电压Uoc、转换效率η和填充因子FF的测量。短路电流是指电路负载为0时电池的输出电流，其大小与电池的串联电阻密切相关。开路电压是指电路负载无穷大时电池的输出电压，其大小与电池的并联电阻密切相关。

转换效率是指电池的最大输出功率Pmax与入射激光功率Pin之比，

它反映了光电电池将激光能转换成电能的能力，是表征电池性能的重要参数之一。

填充因子是指电池的最大输出功率与短路电流和开路电压的乘积之比，它是表征电池优劣的一个重要指标，填充因子越大表明光电电池输出功率越接近其极限功率。填充因子与电池的材料和制作工艺等都有密切关系［13］。

图2　光电电池温度特性测试流程Fig.2　Temperature performance test flow for photovoltaic cell

3　实验结果与分析

3.1温度对砷化镓电池性能的影响

实验中设定激光功率为0.8W，使电池接收到的激光功率密度可达到2000W·m-2（2倍太阳光当量），砷化镓电池温度控制在298～344K之间。图3所示为在不同的电池温度Tp下，砷化镓电池的伏安特性曲线，即电流I随输出电压U的变化。

图3　不同电池温度下砷化镓电池伏安特性曲线Fig.3　U-I characteristics of GaAs photovoltaic cell at different temperatures

由图可见：不同温度条件下，随着U的增大，I均呈现先缓慢减小后迅速下降的趋势。随着电池温度的升高，伏安特性曲线逐渐靠近，这将导致输出功率的减小，且I在U较大时的下降趋势更加显著。

图4所示为开路电压Uoc和短路电流Isc随Tp的变化。由图可见：Uoc随Tp的增大而线性下降，Isc随Tp的增大而增大的幅度则很小。Tp从298K增大到344K，Uoc从约1.061V下降至约0.964V，Isc则仅从约0.416A增大至约0.421A。砷化镓电池的Isc和Uoc随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率就是温度系数。

图4　砷化镓电池开路电压与短路电流随温度的变化Fig.4　Open-circuit voltage and short-circuit current versus temperature of GaAs photovoltaic cell

图5所示为最大输出功率Pmax和匹配负载RLm随Tp的变化。由图可见：随着Tp的增大，Pmax和RLm分别呈现线性减小和小幅增大的趋势。砷化镓电池的Pmax和RLm随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率即为温度系数。输出电压的下降是导致输出功率下降的直接原因。匹配负载主要受电池材料电阻率的影响，对于砷化镓材料而言，电阻率在此温度范围内随温度升高而增大，但幅度很小。

图5　砷化镓电池最大功率和匹配负载随温度的变化Fig.5　Max output power and matching load versus temperature of GaAs photovoltaic cell

图6所示为转换效率η与填充因子FF随Tp的变化。由图可见：随Tp的升高，η和FF均呈减小趋势，其中η同最大输出功率有着相同的变化规律。砷化镓电池的η和FF随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率即为温度系数。

3.2温度对硅电池性能的影响

实验中设定激光功率为2W，使得电池接收到的激光功率密度达到5000W·m-2（5倍太阳光当量），硅电池温度范围控制在347～408K之间。图7所示为不同的电池温度Tp下，硅电池的伏安特性曲线。对比图3和图7可见：硅电池的伏安特性曲线的变化趋势与砷化镓电池的有所不同，电池温度Tp不同时，随着U的增大，I均呈现了线性下降的趋势。而随着Tp的升高，输出电压U的变化范围大幅缩小，将导致输出功率下降。

图6　砷化镓电池转换效率和填充因子随温度的变化关系Fig.6　Conversion efficiency and fill factor versus temperature of GaAs photovoltaic cell

图7　硅电池温度不同时电流随电压的变化关系Fig.7　Relationship between voltage and current at different temperatures of Si photovoltaic cell

图8所示为开路电压Uoc和短路电流Isc随Tp的变化。由图可见：与砷化镓电池类似，随着Tp的增大，Uoc会显著减小且呈线性变化，而Isc则有小幅的上升。硅电池的Isc和Uoc随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率即为温度系数。显然硅电池的温度系数要比砷化镓电池的大得多。

图8　硅电池的开路电压与短路电流随温度的变化关系Fig.8　Open-circuit voltage and short-circuit current versus temperature of Si photovoltaic cell

图9所示为最大输出功率Pmax和匹配负载RLm随Tp的变化。由图可见：随着Tp的增大，Pmax线性减小，RLm亦显著减小。硅电池的Pmax和RLm随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率即为温度系数。匹配负载主要受电池材料电阻率的影响，对于硅材料而言，电阻率在此温度范围内随温度升高而增大，且变化幅度较大。

图9　硅电池最大输出功率和匹配负载随温度的变化关系Fig.9　Max output power and matching load versus temperature of Si photovoltaic cell

图10所示为硅电池转换效率η与填充因子FF 随Tp的变化。由图可见：随Tp的升高，η和FF均呈减小趋势，其中η同最大输出功率有着相同的变化规律。硅电池的η和FF随Tp变化的拟合公式分别为：

直线的斜率即为温度系数。在实验条件下，硅电池的填充因子变化范围在0.2～0.25之间，这也与图7所反映的伏安特性曲线呈直线相吻合，说明对于硅电池来说，实验条件下的激光波长不是最佳响应波长。

图10　硅电池转换效率和填充因子随温度的变化关系Fig.10　Conversion efficiency and fill factor versus temperature of Si photovoltaic cell

3.3对比分析

对比2种不同材料光电电池的温度系数（如表1所示）。

表1　光电电池的温度系数Table 1　Temperature coefficient of the photovoltaic cell

可以看出：短路电流呈现出正的温度系数，即随着温度的升高而短路电流增大，其原因是材料的禁带宽度会随温度的升高而变窄，这使得更多电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，并产生更多的光生载流子，从而使光生电流增大；在短路条件下，短路电流等于光生电流，因而表现为电池的短路电流增大。同时也可以看到：短路电流的温度系数较小，这是由于温度升高而增加的光生载流子有限所致。随着温度的升高，开路电压、最大输出功率、转换效率均呈线性减小的趋势。这是由于随着温度的升高，光电电池的内阻显著增大，导致电池内阻消耗的电压增大，使输出电压变小，因而输出功率和转换效率均减小。开路电压、输出功率和转换效率的温度系数普遍比短路电流的温度系数大1个数量级，说明这些参数对温度的依赖性大于短路电流。

电池串联内阻越大、并联内阻越小，则他们对最佳负载的影响越大［13］。对比实验中的2种电池的最佳负载温度系数，发现规律不一致，这是2种光电电池对波长响应不同而导致其输出状态不一样所致；但从绝对值来看，相比硅电池，砷化镓电池对温度不敏感。

4　结束语

本文设计了在激光辐照条件下光电电池温度特性的实验测试系统，并对砷化镓和硅2种材料的电池开展了不同波长激光辐照下的实验研究。对实验结果进行分析得到了各项电池特性参数的温度系数，分析了这些系数产生的原因。得到以下结论：

1）在波长780nm、功率0.8W激光的辐照下，实验温度298～344K范围内，砷化镓电池的转换效率可达16%以上，最高为23.5%，具有很好的输出响应。在波长940nm、功率2W激光辐照下，实验温度347～408K范围内，硅电池输出响应差，转换效率最高仅为2.75%。

2）温度对电池的各项输出参数均存在不同程度的影响，其影响程度可以用温度系数来表征。其中开路电压、最大输出功率、转换效率、填充因子的温度系数均为负，短路电流温度系数为正。开路电压的温度系数比短路电流的大1个数量级，说明开路电压较短路电流对温度更敏感。

3）砷化镓电池的开路电压和匹配负载的温度系数均比硅电池的小，说明砷化镓的温度响应比硅的好。

（Referemces）

［1］李倩，洪延姬，杨鹏涛，等.基于准静态波的吸气式高重频脉冲激光推进性能数值研究［J］.强激光与粒子束，2011，23（9）: 2282-2286 Li Qian，Hong Yanji，Yang Pengtao，et al.Numerical study on performance of air-breathing high frequency pulsed laser propulsion［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（9）: 2282-2286

［2］程富强，窦志国，李倩.带延长圆柱形喷管激光推力器推进性能数值研究［J］.强激光与粒子束，2011，23（9）: 2341-2345 Cheng Fuqiang，Dou Zhiguo，Li Qian.Numerical study on propulsion performance of laser thruster with elongate cylindrical nozzle［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（9）: 2341-2345

［3］Williams M D，Conway E J.Space laser power transmission system studies，198108233［R］.Langley: NASA Research Center，1981

［4］金星，常昊，崔晓阳.激光输能无人机的概念研究［J］.航空学报，2013，34（9）: 2074-2080 Jin Xing，Chang Hao，Cui Xiaoyang.Concept research of laser-motive UAV［J］.Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica，2013，34（9）: 2074-2080

［5］Mason R.Feasibility of laser power transmission to a high-altitude unmanned aerial vehicle，RAND978-0-8330-5135-6［R］，2011

［6］NASA Dryden Flight Research Center.Laser powered model airplane［EB/OL］.［2010-04-05］.http://www.nasa.gov/ -centers/dryden/news/FactSheets/FS-087-DFRC.html

［7］NASA power beaming competition［EB/OL］.［2010-08-19］.http://www.spaceward.org/elevator2010-pb and http://www.nasa.gov/ offices/oct/ early_stage_innovation/centennial_ challenges/beaming_tether/index.html

［8］Video of the 12.5 hour demonstration compressed into 3 minutes［EB/OL］.［2010-11-12］.http://lasermotive.com/ 2010/11/12/video-of-laser-powered-quadrocopter-endura nce-flight/

［9］UAV demonstrates utility of laser power［EB/OL］.［2012-09-03］.http://www.aviationweek.com/Article.aspx？ id=/article-xml/ AW_09_ 03_2012_ p64-486128.xml

［10］刘锋，黄建华，陈军，等.温度对晶体硅电池模型参数的影响［J］.太阳能学报，2012，33（7）: 1154-1157 Liu Feng，Huang Jianhua，Chen Jun，et al.Affect of temperature on silicon solar cell parameters［J］.Acta Energlage Solaris Sinica，2012，33（7）: 1154-1157

［11］薛继元，冯文林，赵芬，等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究［J］.红外与激光工程，2015，44（1）: 176-181 Xue Jiyuan，Feng Wenlin，Zhao Fen，et al.Research on the output characteristics of the solar cell panel and the practical application［J］.Infrared and Laser Engineering，2015，44（1）: 176-181

［12］Huanga B J，Yanga P E，Lina Y P，et al.Solar cell junction temperature measurement of PV module［J］.Solar Energy，2011，85（2）: 388-392

［13］Ai Bin，Zhang Yonghui，Deng Youjun，et al.Study on device simulation and performance optimization of the epitaxial crystalline silicon thin film solar cell［J］.Science China Technological Sciences，2012，55（11）: 3187-3199

（编辑：张艳艳）

Experimental study of temperature performance of photovoltaic cells under laser irradiation

Cui Xiaoyang，Hong Yanji，Jin Xing
（State Key Laboratory of Laser Propulsion & Application，Academy of Equipment，Beijing 101416，China）

The photovoltaic cells are the core components for photovoltaic conversion of the laser-powered UAV.An output performance testing system is designed and built to investigate the influence of temperature on the output performance of the photovoltaic cells.The U-I characteristics of the GaAs and Si cells irradiated at some specific laser power density and different temperatures，the open-circuit voltage，the short-circuit current，the max output power，the matching load，the conversion efficiency and the fill factor under the same condition are experimented.The expressions of these parameters vs.the temperature are obtained.The results can help the choice of photovoltaic cells and the prediction of their temperature performance.

laser propulsion； photovoltaic cell； GaAs cell； silicon cell； temperature performance

V279+； TN249

A

1673-1379（2015）05-0515-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.05.011

2015-07-28；

2015-09-16

武器装备探索研究项目“激光推力发动机概念研究”（编号：7130629）

崔晓阳（1987—），女，博士研究生，从事激光输能技术研究；E-mail: maplecui@163.com。指导教师：洪延姬（1963—），女，朝鲜族，博士学位，研究员，研究方向为先进推进技术、发动机热能工程；E-mail: hongyanji@vip.sina.com。