基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法与流程

本发明属于激光应用技术领域，是一种提高激光输能光电转换效率的方法。

背景技术：

由于单个光电池的输出电压和输出电流很小，一般不能单独作为电源使用。激光输能的光电转换装置需将多片光电池进行若干次串联(增大输出电压)或并联(增大输出电流)组合成光电池阵列再对外输出，使得光电池阵列面积较大，而激光束实际是高斯光束，其功率密度分布不均匀(中心辐照功率密度高，边缘低)使光电池阵列中各片光电池接收到的激光辐照功率密度不一致，各光电池输出特性不同，会造成失配损失并对光电转换效率产生不利影响。对并联电路、串联电路和串并联电路下光电池阵列的输出特性进行理论分析和实验测定的结果表明：并联光电池阵列受不均匀激光辐照的影响最小，串联光电池阵列损失的能量最多，串并联光电池阵列电路兼并并联电路和串联电路的特点，不均匀激光辐照对阵列输出特性影响相对于串联电路较好。因此，若能合理选用串联、并联连接方式则可以减小失配损失，提高光电转换效率。目前，激光输能增效方法主要有光电池材料优选、光电池结构优化、接收装置改进等。

不同光电池材料对光的吸收能力不同，与激光波长和强度相匹配的光电池材料能获得更高的光电转换效率。光电池材料一般为半导体，其光谱特性使电池只吸收一定光谱范围内的光束，而激光是单色光，只有特定能量间隙的半导体材料才能与一定波长的激光产生响应，而且光能不能完全被材料吸收，一个光子只能产生一个电子-空穴对，其余能量转化为热能散失。因此，选择与激光波长最相匹配的光电池材料，能获得最佳的光电转换效率(Krupke W F,Beach R J,Payne S A,et al.DPAL:A new class of lasers for cw power beaming at ideal photovoltaic cell wavelengths[C]AIP Conference Proceedings,2004:367-377.)；

优化光电池结构，可减少光的反射损失，降低串联电阻、表面金属栅线遮挡等因素对激光输能光电转换效率产生的不利影响。通过优化光电池减反射涂层和绒面结构可有效降低光的反射损失，提高了光电转换效率。光电池内部电阻越大，光生电流流经时损耗的功率越多，因此，优化光电池结构，减小内部电阻能有效提高转换效率。(肖俊峰.晶体硅太阳电池表面陷光结构的研究[D].浙江,浙江大学,2010:45-47.)。

西安航谷微波光电科技有限公司研究了一种三角形和扇形单元GaAs电池的电极结构及其组合电池，这两种结构都减小了载流子由P型主电极向N型电极的传输距离，从而减小了外延层薄层电阻(自身体电阻)，减小的串联电阻，有利于提高光电转换效率(宋婷.一种GaAs扇形单元激光电池的电极结构及其组合电池[P].中国专利:203760490U,2014-08-06.宋婷.一种GaAs三角形单元激光电池的电极结构及其组合电池[P].中国专利:203910816U,2014-10-29.)；

美国联合创新公司的Ugur Ortabasi等人研究了一种空腔式球体接收装置。该装置由两个半球组成一个空腔，每个半球内部用11个Si光电池板，22个光电池板面积占球体腔内总面积的24％，腔体其他内表面涂上了一种高反射标准面板(Spectralon)和金色薄膜。采用1064nm、200W的激光进行输能实验，得到了14.2％的转换效率。虽然转换效率比较低，但这主要是受光电池板面积占总面积比例小以及激光功率设置不合理影响导致的，理论上转换效率可以超过60％(UgurOrtabasi,Herbert Friedman.Powersphere:A Photovoltaic Cavity Converter for Wireless Power Transmission Using High Power Lasers[C].Conference Record of the 2006IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,Waikoloa.Hi,USA,2006:1-4.)；

上述几种增效方法虽然都在一定程度提高了光电转换效率，但光电池材料受光谱特性限制，不能突破各自光电转换效率的极限，需研究更加高效的新型半导体材料；光电池结构由于需考虑实际应用情况，厚度不能太薄，优化结构的操作空间较小；改进接收装置使得激光接收端的结构更加复杂，并增大了输能目标的重量和体积，进行地对空和空对空激光输能时需进一步考虑其经济性和实际性。因此，仍需寻找或开发新的激光输能光电转换增效方法。

技术实现要素：

本发明的基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法是一种基于光电池阵列结构优化的方法，目的是降低激光输能时的失配损失，提高光电转换效率。

实际应用中通常会采取串联或并联方式分别提高光电池阵列的输出电压和输出电流，从而提高输出功率。因此，优化光电池阵列可由2种方式组成：一种是串并联光电池阵列，即先将若干个光电池串联组成多条串联支路(即多个串联光电池单元)，再将串联光电池单元进行并联组成光电池阵列；另一种是并串联光电池阵列，即先将若干个光电池并联，再将各并联光电池单元进行串联组成光电池阵列。

本发明的优势是：

1)光电池阵列呈圆形布局，可以使阵列被激光光斑充分覆盖，增大光斑的覆盖率，减少能量浪费。

2)由于激光输能过程中激光束需要进行跟踪瞄准，光斑在光电池阵列表面难免来回偏移，优化的光电池阵列可以在激光束偏移的情况下有效保证辐照区域内的光电池单元正常工作，降低了对激光束跟踪瞄准精度的要求。

附图说明

图1优化串并联光电池阵列结构示意图；

图2优化并串联光电池阵列结构示意图；

具体实施方式

结合附图对本发明的基于光电池阵列电路优化的激光输能光电转换增效方法做进一步的详细描述。

本发明针对的激光光斑能量是呈轴对称分布的，4个象限内光电池阵列接收的激光辐照功率完全相同，其输出特性也是一样的，因此，仅对第一象限的光电池阵列进行标注说明，其余象限与第一象限一致。优化串并联光电池阵列如图1所示，最外围的圆表示激光光斑边界，数字相同的光电池表示同一组光电池单元。光电池阵列总共由96片光电池组成，单片光电池尺寸为10mm×10mm，分为16组串联光电池单元，每组单元由6片光电池串联而成，将光斑分割成4个对称的区域后，对应4个象限内各含4组串联光电池单元，且各单元内光电池呈环形布局，最后16组串联光电池单元并联后组成6×16的光电池阵列对外输出。

上述设计的依据是考虑串联电路受不均匀激光辐照影响大。因此，串并联光电池阵列中串联光电池单元内的电池应呈环形布局，才能使每个电池接收到的激光辐照功率密度大致相同，从而使各电池的输出电流相差不大，进而减小失配损失。各串联光电池单元需并联后组成串并联光电池阵列，而并联电路受不均匀激光辐照影响小。因此，为减小失配损失，各串联光电池单元包含的光电池数目应相同。

优化并串联光电池阵列如图2所示，最外围的圆表示激光光斑边界，数字相同的光电池表示同一组光电池单元。并串联光电池阵列总共由96片光电池组成，单片光电池尺寸为10mm×10mm，分为16组并联光电池单元，4个象限内各有4组，各象限内并联光电池单元的光电池布局和光电池数目完全相同。从第一象限可看出，标示数字为1的光电池单元由4片光电池并联而成，标示数字为2和标示数字为4的光电池单元都由6片光电池并联而成，标示数字为3的光电池单元由8片光电池并联而成，最后所有并联光电池单元通过串联组成并串联光电池阵列对外输出。

上述设计的依据是考虑光斑呈圆形，其能量轴对称分布，且中心强度高，边缘低。为使各并联光电池单元区域内的辐照强度相同，减小失配损失，以对激光光斑进行分割以获得辐照强度相等的区域。考虑光斑越靠近边缘，辐照强度越低，以用较大的面积弥补较小的辐照强度，则分割的中心区域面积小，边缘区域面积大。