В Университете Хаэна разработали лазерный фотоприёмник для беспроводной передачи энергии с КПД почти 16,3%

Репортаж от Wedoany，Исследователи Университета Хаэна (Universidad de Jaén) разработали низкоконцентрирующий фотогальванический (LCPV) приёмник для лазерной беспроводной передачи энергии (WLPT). Приёмник объединяет перекрёстный составной параболический концентратор (CCPC) с оптимизированной схемой межсоединений и достигает эффективности преобразования мощности почти 16,3% при неравномерном лазерном освещении на длине волны 806 нм.

Лазерная беспроводная передача энергии позволяет снабжать электроэнергией автономные системы, удалённые датчики и воздушные платформы без физического соединения, однако её применение ограничено такими факторами, как оптическое юстирование, атмосферные потери, эффективность преобразования, безопасность глаз и противопожарная защита; влияние неравномерного или динамического облучения на фотоприёмники также является важным ограничивающим фактором.

Для повышения эффективности преобразования и угловой толерантности при неравномерном лазерном освещении команда разработала и экспериментально охарактеризовала LCPV-приёмник конфигурации 3×3. Приёмник состоит из девяти монокристаллических кремниевых элементов размером 20×20 мм² с архитектурой межпальцевых тыловых контактов (IBC), каждый из которых соединён с CCPC. Входная апертура CCPC в 2,5 раза превышает площадь элемента, что позволяет сократить расход полупроводникового материала на 60% по сравнению с эквивалентным неконцентрирующим приёмником; концентратор изготовлен из полиметилметакрилата (ПММА), а общая фронтальная апертура приёмника составляет 104×104 мм² (включая опорную раму) при массе 123 г.

Эксперименты проводились при монохроматическом лазерном освещении на длине волны 808 нм с использованием гауссова пучка мощностью 1,523 Вт. Команда выполнила измерения вольт-амперных характеристик (I-V) в условиях с CCPC и без него, а также количественно оценила оптические потери на поглощение, вызванные материалом концентратора, с помощью измерений спектральной чувствительности; одновременно регистрировались электрические отклики девяти элементов при различных мощностях и углах падения, рассчитывались потери на рассогласование для различных схем последовательного и параллельного межсоединения, а фактическая мощность модуля сравнивалась с идеальной суммой максимальных мощностей отдельных элементов.

Результаты показали, что ток короткого замыкания является основным источником различий между элементами: при мощности 5 Вт ток короткого замыкания периферийных элементов составлял менее 0,1 А, а центрального элемента — около 0,45 А. Напряжение холостого хода и коэффициент заполнения оставались относительно стабильными, что указывает на то, что токовое рассогласование является основным ограничивающим фактором на уровне модуля.

Группировка элементов по фототоку позволяет значительно снизить потери. Кольцевая архитектура межсоединений обеспечивает выход, близкий к идеальной конфигурации без рассогласования: при 5 Вт потери остаются ниже 3%, тогда как при последовательной конфигурации они превышают 58%, а при параллельной составляют около 6%. На длине волны 806 нм эффективность преобразования мощности при кольцевой конфигурации приближается к 16,3%, при последовательном межсоединении составляет 6,9%, а при параллельной конфигурации — 15,2%; теоретический оптимум на длине волны 955 нм достигает 18,4%.

Приёмник также демонстрирует высокую угловую толерантность: при угле падения 30° максимальная мощность сохраняется на уровне 80–90% от номинального значения; при смещении пучка за пределы эффективной приёмной площади фототок и максимальная мощность заметно снижаются при угле падения 45°.

Дальнейшие направления исследований включают повышение эффективности преобразования лазерного излучения в электричество, разработку приёмников с более широким углом приёма и большей устойчивостью к пространственно изменяющемуся освещению, а также интеграцию адаптивных систем наведения луча и управления энергией для обеспечения более надёжной и эффективной передачи энергии на большие расстояния в сценариях, где традиционные проводные или аккумуляторные решения затруднены.

Команда резюмирует, что эффективные стратегии выравнивания тока и адаптированные схемы межсоединений имеют решающее значение для создания высокоэффективных фотоприёмников лазерного питания в реальных условиях облучения; при использовании высокоэффективных полупроводниковых устройств включение специальных оптических элементов становится основным проектным требованием, позволяющим значительно сократить эффективную площадь полупроводника при сохранении высокой эффективности преобразования и угловой толерантности.

Результаты опубликованы в журнале «Оптика и лазерные технологии» (Optics & Laser Technology) под названием «Development and experimental characterization of a c-Si low concentrator photovoltaic receiver for wireless laser power transmission (WLPT) under non-uniform irradiance of 808 nm».

Другие исследователи Университета Хаэна также недавно разработали полупрозрачный кристаллический кремниевый фотогальванический модуль с оптическим концентратором на тыльной стороне для агрофотоэлектрических применений. Данная конструкция направлена на достижение баланса между высокой эффективностью и оптической прозрачностью, а также на уменьшение тени от панели для удовлетворения потребностей сельскохозяйственных сценариев.