崔曉陽，洪延姬，金 星

（裝備學(xué)院 激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實驗室，北京 101416）

激光輻照條件下光電電池溫度特性的實驗研究

崔曉陽，洪延姬，金 星

（裝備學(xué)院 激光推進(jìn)及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實驗室，北京 101416）

激光輸能具有廣闊應(yīng)用前景，而光電電池是激光輸能技術(shù)中實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換的核心部件。文章圍繞溫度對光電電池輸出性能的影響，通過建立電池輸出性能實驗測試系統(tǒng)，研究了一定激光功率密度下砷化鎵電池和硅電池在不同溫度下的伏安特性，以及開路電壓、短路電流、最大輸出功率、匹配負(fù)載、轉(zhuǎn)換效率、填充因子隨電池溫度的變化規(guī)律，并給出其定量表達(dá)式，可為激光輸能條件下光電電池的選擇以及光電電池溫度特性預(yù)測提供參考。

激光推進(jìn)；光電電池；砷化鎵電池；硅電池；溫度特性

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0　引言

利用激光為空中的飛行器充電是一種新型的激光推進(jìn)技術(shù)，不同于燒蝕式激光推進(jìn)［1-2］，其原理是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將激光能量轉(zhuǎn)換為電能［1］。這種技術(shù)可使能量供應(yīng)系統(tǒng)與飛行器本體系統(tǒng)分離，從而增大了飛行器的有效載荷比。通過向飛行器源源不斷地輸送能量，可大大延長其工作時間和使用壽命。

用激光為無人機(jī)充電是激光供電技術(shù)一個可行的應(yīng)用方向［3］。與太陽光相比，激光的單色性好、能量密度高，可以獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，激光充電無人機(jī)可獲得更大的有效載荷比、更高的飛行高度、更長的續(xù)航時間，在高空監(jiān)視和通信中繼等任務(wù)中具有廣闊應(yīng)用前景［4］。2003年NASA 的Dryden飛行研究中心和馬歇爾空間飛行中心完成了激光傳輸能量到無人機(jī)的小型演示實驗［5］。2009年，美國激光動力公司完成了激光輸能給PELICAN四旋翼直升機(jī)的飛行試驗，使直升機(jī)的持續(xù)懸停飛行時間達(dá)到12.5h［6-8］。2012年，美國激光動力公司與洛克希德?馬丁公司合作，在美軍特種作戰(zhàn)部隊裝備的小型無人機(jī)“闊步者（Stalker）”上加裝激光輸能系統(tǒng)，并完成了室內(nèi)和野外激光輸能飛行試驗，取得了里程碑性的成果［9］。

光電電池是激光輸能過程中實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換的核心部件，然而影響其輸出性能的因素眾多，其中溫度是重要因素之一。許多學(xué)者針對溫度對太陽光照下光電電池的影響展開了相關(guān)研究，取得了很多有益成果［10-12］。由于激光的功率密度比太陽光要高得多，所以在激光輻照下溫度對光電電池的影響更為突出。

本文針對激光輻照條件下光電電池的溫度特性展開實驗研究。為準(zhǔn)確測量光電電池的輸出性能參數(shù)，首先建立一套完備的實驗測試系統(tǒng)。然后，測試砷化鎵（GaAs）和硅（Si）材料的2種光電電池在不同電池溫度下的伏安特性，研究開路電壓、短路電流、最大輸出功率和匹配負(fù)載、轉(zhuǎn)換效率、填充因子等隨電池溫度的變化規(guī)律。

1　實驗測試系統(tǒng)與原理

為了測試激光輻照條件下的光電電池輸出特性，設(shè)計了如圖1所示的實驗測試系統(tǒng)，包括激光器和發(fā)射鏡部分、激光接收部分、外電路部分、信號采集部分和上位微機(jī)。

圖1　激光輸能光電電池輸出性能的實驗測試系統(tǒng)示意Fig.1　The output performance test system of laser powered photovoltaic cell

激光器和發(fā)射鏡部分發(fā)射一定功率的激光并以準(zhǔn)直模式垂直輻照到激光接收部分。激光接收部分由光電池和溫控平臺組成，其中溫控平臺包括銅質(zhì)熱沉和水冷部件，具有加熱和冷卻2種工作模式，通過PID控制系統(tǒng)實現(xiàn)對電池溫度的控制：當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，自動開啟加熱模式；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，自動開啟冷卻模式。將光電池用導(dǎo)熱膠粘貼到溫控平臺上，并用3個φ1mm的K型熱電偶測量電池的背面溫度，采用NI公司的9214溫度數(shù)據(jù)采集卡將采集的溫度信號傳送至上位微機(jī)。光電電池與0.2?精密電阻、電子負(fù)載儀串聯(lián)構(gòu)成回路，采用NI公司的9207采集卡采集電子負(fù)載儀的電壓信號Uh和0.2?精密電阻的電壓信號UR并傳送至上位微機(jī)。上位微機(jī)控制測試系統(tǒng)對所有采集信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，光電電池的輸出電流I和輸出電壓U分別為：

本實驗將在建立的試驗測試系統(tǒng)上完成。

2　測試方法

實驗中的光電電池采用天津電源研究所研制的空間用單結(jié)砷化鎵電池和硅電池，電池的面積均為2cm×2cm。測試時，對砷化鎵電池的輻照選用波長為780nm的激光，對硅電池選用波長為940nm的激光，2種激光均為高斯光束，光斑呈圓形。調(diào)整電池與激光發(fā)射鏡之間的距離，以保證激光光斑恰好全部落在電池表面，沒有漏光。

實驗中采用熱像儀檢測電池表面溫度分布，結(jié)果顯示電池表面溫度因電池面積較小而分布較為均勻，其中心處溫度略高于邊緣溫度，兩者相差最多不超過2K。因此，研究中采用電池中心處溫度來表征電池溫度。

測試中，設(shè)定電池溫度后要經(jīng)過一定時間使溫控平臺和光電電池溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，待溫度信號穩(wěn)定后再進(jìn)行后續(xù)操作。調(diào)節(jié)電子負(fù)載儀阻值，使其在短時間內(nèi)完成阻值從0～∞的掃描，以減小測量期間的溫度誤差。整個測試過程的流程如圖2所示。

測試中分別完成短路電流Isc、開路電壓Uoc、轉(zhuǎn)換效率η和填充因子FF的測量。短路電流是指電路負(fù)載為0時電池的輸出電流，其大小與電池的串聯(lián)電阻密切相關(guān)。開路電壓是指電路負(fù)載無窮大時電池的輸出電壓，其大小與電池的并聯(lián)電阻密切相關(guān)。

轉(zhuǎn)換效率是指電池的最大輸出功率Pmax與入射激光功率Pin之比，

它反映了光電電池將激光能轉(zhuǎn)換成電能的能力，是表征電池性能的重要參數(shù)之一。

填充因子是指電池的最大輸出功率與短路電流和開路電壓的乘積之比，它是表征電池優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，填充因子越大表明光電電池輸出功率越接近其極限功率。填充因子與電池的材料和制作工藝等都有密切關(guān)系［13］。

圖2　光電電池溫度特性測試流程Fig.2　Temperature performance test flow for photovoltaic cell

3　實驗結(jié)果與分析

3.1溫度對砷化鎵電池性能的影響

實驗中設(shè)定激光功率為0.8W，使電池接收到的激光功率密度可達(dá)到2000W·m-2（2倍太陽光當(dāng)量），砷化鎵電池溫度控制在298～344K之間。圖3所示為在不同的電池溫度Tp下，砷化鎵電池的伏安特性曲線，即電流I隨輸出電壓U的變化。

圖3　不同電池溫度下砷化鎵電池伏安特性曲線Fig.3　U-I characteristics of GaAs photovoltaic cell at different temperatures

由圖可見：不同溫度條件下，隨著U的增大，I均呈現(xiàn)先緩慢減小后迅速下降的趨勢。隨著電池溫度的升高，伏安特性曲線逐漸靠近，這將導(dǎo)致輸出功率的減小，且I在U較大時的下降趨勢更加顯著。

圖4所示為開路電壓Uoc和短路電流Isc隨Tp的變化。由圖可見：Uoc隨Tp的增大而線性下降，Isc隨Tp的增大而增大的幅度則很小。Tp從298K增大到344K，Uoc從約1.061V下降至約0.964V，Isc則僅從約0.416A增大至約0.421A。砷化鎵電池的Isc和Uoc隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率就是溫度系數(shù)。

圖4　砷化鎵電池開路電壓與短路電流隨溫度的變化Fig.4　Open-circuit voltage and short-circuit current versus temperature of GaAs photovoltaic cell

圖5所示為最大輸出功率Pmax和匹配負(fù)載RLm隨Tp的變化。由圖可見：隨著Tp的增大，Pmax和RLm分別呈現(xiàn)線性減小和小幅增大的趨勢。砷化鎵電池的Pmax和RLm隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率即為溫度系數(shù)。輸出電壓的下降是導(dǎo)致輸出功率下降的直接原因。匹配負(fù)載主要受電池材料電阻率的影響，對于砷化鎵材料而言，電阻率在此溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大，但幅度很小。

圖5　砷化鎵電池最大功率和匹配負(fù)載隨溫度的變化Fig.5　Max output power and matching load versus temperature of GaAs photovoltaic cell

圖6所示為轉(zhuǎn)換效率η與填充因子FF隨Tp的變化。由圖可見：隨Tp的升高，η和FF均呈減小趨勢，其中η同最大輸出功率有著相同的變化規(guī)律。砷化鎵電池的η和FF隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率即為溫度系數(shù)。

3.2溫度對硅電池性能的影響

實驗中設(shè)定激光功率為2W，使得電池接收到的激光功率密度達(dá)到5000W·m-2（5倍太陽光當(dāng)量），硅電池溫度范圍控制在347～408K之間。圖7所示為不同的電池溫度Tp下，硅電池的伏安特性曲線。對比圖3和圖7可見：硅電池的伏安特性曲線的變化趨勢與砷化鎵電池的有所不同，電池溫度Tp不同時，隨著U的增大，I均呈現(xiàn)了線性下降的趨勢。而隨著Tp的升高，輸出電壓U的變化范圍大幅縮小，將導(dǎo)致輸出功率下降。

圖6　砷化鎵電池轉(zhuǎn)換效率和填充因子隨溫度的變化關(guān)系Fig.6　Conversion efficiency and fill factor versus temperature of GaAs photovoltaic cell

圖7　硅電池溫度不同時電流隨電壓的變化關(guān)系Fig.7　Relationship between voltage and current at different temperatures of Si photovoltaic cell

圖8所示為開路電壓Uoc和短路電流Isc隨Tp的變化。由圖可見：與砷化鎵電池類似，隨著Tp的增大，Uoc會顯著減小且呈線性變化，而Isc則有小幅的上升。硅電池的Isc和Uoc隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率即為溫度系數(shù)。顯然硅電池的溫度系數(shù)要比砷化鎵電池的大得多。

圖8　硅電池的開路電壓與短路電流隨溫度的變化關(guān)系Fig.8　Open-circuit voltage and short-circuit current versus temperature of Si photovoltaic cell

圖9所示為最大輸出功率Pmax和匹配負(fù)載RLm隨Tp的變化。由圖可見：隨著Tp的增大，Pmax線性減小，RLm亦顯著減小。硅電池的Pmax和RLm隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率即為溫度系數(shù)。匹配負(fù)載主要受電池材料電阻率的影響，對于硅材料而言，電阻率在此溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大，且變化幅度較大。

圖9　硅電池最大輸出功率和匹配負(fù)載隨溫度的變化關(guān)系Fig.9　Max output power and matching load versus temperature of Si photovoltaic cell

圖10所示為硅電池轉(zhuǎn)換效率η與填充因子FF 隨Tp的變化。由圖可見：隨Tp的升高，η和FF均呈減小趨勢，其中η同最大輸出功率有著相同的變化規(guī)律。硅電池的η和FF隨Tp變化的擬合公式分別為：

直線的斜率即為溫度系數(shù)。在實驗條件下，硅電池的填充因子變化范圍在0.2～0.25之間，這也與圖7所反映的伏安特性曲線呈直線相吻合，說明對于硅電池來說，實驗條件下的激光波長不是最佳響應(yīng)波長。

圖10　硅電池轉(zhuǎn)換效率和填充因子隨溫度的變化關(guān)系Fig.10　Conversion efficiency and fill factor versus temperature of Si photovoltaic cell

3.3對比分析

對比2種不同材料光電電池的溫度系數(shù)（如表1所示）。

表1　光電電池的溫度系數(shù)Table 1　Temperature coefficient of the photovoltaic cell

可以看出：短路電流呈現(xiàn)出正的溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高而短路電流增大，其原因是材料的禁帶寬度會隨溫度的升高而變窄，這使得更多電子吸收光子能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，并產(chǎn)生更多的光生載流子，從而使光生電流增大；在短路條件下，短路電流等于光生電流，因而表現(xiàn)為電池的短路電流增大。同時也可以看到：短路電流的溫度系數(shù)較小，這是由于溫度升高而增加的光生載流子有限所致。隨著溫度的升高，開路電壓、最大輸出功率、轉(zhuǎn)換效率均呈線性減小的趨勢。這是由于隨著溫度的升高，光電電池的內(nèi)阻顯著增大，導(dǎo)致電池內(nèi)阻消耗的電壓增大，使輸出電壓變小，因而輸出功率和轉(zhuǎn)換效率均減小。開路電壓、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的溫度系數(shù)普遍比短路電流的溫度系數(shù)大1個數(shù)量級，說明這些參數(shù)對溫度的依賴性大于短路電流。

電池串聯(lián)內(nèi)阻越大、并聯(lián)內(nèi)阻越小，則他們對最佳負(fù)載的影響越大［13］。對比實驗中的2種電池的最佳負(fù)載溫度系數(shù)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律不一致，這是2種光電電池對波長響應(yīng)不同而導(dǎo)致其輸出狀態(tài)不一樣所致；但從絕對值來看，相比硅電池，砷化鎵電池對溫度不敏感。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了在激光輻照條件下光電電池溫度特性的實驗測試系統(tǒng)，并對砷化鎵和硅2種材料的電池開展了不同波長激光輻照下的實驗研究。對實驗結(jié)果進(jìn)行分析得到了各項電池特性參數(shù)的溫度系數(shù)，分析了這些系數(shù)產(chǎn)生的原因。得到以下結(jié)論：

1）在波長780nm、功率0.8W激光的輻照下，實驗溫度298～344K范圍內(nèi)，砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16%以上，最高為23.5%，具有很好的輸出響應(yīng)。在波長940nm、功率2W激光輻照下，實驗溫度347～408K范圍內(nèi)，硅電池輸出響應(yīng)差，轉(zhuǎn)換效率最高僅為2.75%。

2）溫度對電池的各項輸出參數(shù)均存在不同程度的影響，其影響程度可以用溫度系數(shù)來表征。其中開路電壓、最大輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、填充因子的溫度系數(shù)均為負(fù)，短路電流溫度系數(shù)為正。開路電壓的溫度系數(shù)比短路電流的大1個數(shù)量級，說明開路電壓較短路電流對溫度更敏感。

3）砷化鎵電池的開路電壓和匹配負(fù)載的溫度系數(shù)均比硅電池的小，說明砷化鎵的溫度響應(yīng)比硅的好。

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（編輯：張艷艷）

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

武器裝備探索研究項目“激光推力發(fā)動機(jī)概念研究”（編號：7130629）

崔曉陽（1987—），女，博士研究生，從事激光輸能技術(shù)研究；E-mail: maplecui@163.com。指導(dǎo)教師：洪延姬（1963—），女，朝鮮族，博士學(xué)位，研究員，研究方向為先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)、發(fā)動機(jī)熱能工程；E-mail: hongyanji@vip.sina.com。