西班牙哈恩大学开发出效率近16.3%的激光无线输电光伏接收器

维度网讯，西班牙哈恩大学（Universidad de Jaén）的研究人员开发出一种面向激光无线能量传输（WLPT）的低浓度光伏（LCPV）接收器。该接收器集成交叉复合抛物面聚光器（CCPC）与优化的互连方案，在非均匀激光照明和806 nm波长条件下取得接近16.3%的功率转换效率。

激光无线能量传输无需物理连接即可向自主系统、远程传感器和空中平台等设备输电，但其应用受到光学对准、大气损耗、转换效率、眼睛安全与防火等条件制约，非均匀或动态辐照对光伏接收器的影响也是重要限制因素。

为提升非均匀激光照明下的转换效率与角度容差，团队开发并实验表征了一种3×3配置的LCPV接收器。接收器由9块20×20 mm²的单晶硅电池组成，采用交指式背接触（IBC）架构，每块电池耦合一个CCPC。CCPC的入射孔径为电池面积的2.5倍，与等效非聚光接收器相比，半导体材料用量减少60%；聚光器采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制造，整个接收器的正面孔径为104×104 mm²（含支撑框架），质量为123克。

实验在808 nm单色激光照明下进行，使用功率为1.523 W的高斯光束。团队在有、无CCPC两种条件下开展电流-电压（I-V）测量，并通过光谱响应测量量化聚光器材料造成的光学吸收损耗；同时记录九个电池在不同功率和入射角下的电响应，计算多种串联和并联互连方案下的失配损耗，将模块实测功率与各电池最大功率的理想总和进行比较。

结果显示，短路电流是电池间差异的主要来源：5 W功率下外围电池的短路电流低于0.1 A，中心电池约为0.45 A。开路电压和填充因子相对稳定，表明电流失配是模块层面的主要限制因素。

根据光电流对电池分组可显著减少损耗。环形互连架构的输出接近无失配的理想配置：5 W时损耗保持在3%以下，串联配置超过58%，并联配置约为6%。806 nm波长下，环形配置的功率转换效率接近16.3%，串联互连为6.9%，并联配置为15.2%；955 nm波长下的理论最优值达到18.4%。

接收器还表现出较高的角度容差：30°入射角时最大功率保持在标称值的80%至90%；当光束位移超出有效接收面积，45°入射角下光电流和最大功率明显下降。

后续研究方向包括提高激光到电力的转换效率，开发接受角更宽、对空间可变光照容忍度更大的接收器，以及集成自适应光束定向与能量管理系统，以推动WLPT在传统有线或电池方案难以覆盖的场景中实现更可靠、高效的长距离输电。

团队总结指出，有效的电流均衡策略与适配的互连方案，对真实辐照条件下实现高效激光供电光伏接收至关重要；采用高效半导体器件时，加入特定光学元件成为一项基本设计要求，可在保持高转换效率和角度容差的同时大幅缩减半导体有效面积。

该成果以《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》为题，发表在《光学与激光技术》（Optics & Laser Technology）期刊上。

哈恩大学其他研究人员近期还开发了一款背面带光学聚光器的半透明晶体硅光伏组件，用于农业光伏应用。该设计旨在平衡高效率与光学透明度，并缩减面板阴影以满足农业场景需求。