高功率应用的新型激光光伏转换器中热效应的综合研究

《Results in Engineering》：A comprehensive study of thermal effects in novel laser photovoltaic converters for high power applications

　　

高功率激光传输技术所能传输的功率目前受到串联电阻损耗和光伏接收器内部产生的热量的限制，二者均会导致性能退化。目前已提出多种策略来克服串联电阻问题，然而热效应方面仍未得到充分探索，大多数研究仅侧重于通过温度控制来评估性能。在本研究中，研究人员利用技术计算机辅助设计（Technology Computer-Aided Design，TCAD）方法对一种近期提出的先进4H-SiC光伏接收器进行了温度评估，该方法涵盖了所有相关热源与热现象。所有温度相关模型均根据实验数据进行校准。研究考虑了多种激光功率密度值和散热器场景。对于超高激光功率密度（100–500 W/cm2），还考察了两种接触电阻值，因为在该功率水平下串联电阻损耗对性能具有重要影响。结果表明，在低至中等激光功率密度（1–10 W/cm2）下，即使采用传统热管理方案，4H-SiC器件也能实现超过70%的转换效率，散热器性能在1和10 W/cm2下分别仅造成0.3%和2.3%的效率衰减。在100 W/cm2下，当h=10⁵ W/m2·K且ρ_c=10^-5 Ω/cm2时，器件实现了75.1%的效率。在500 W/cm2下，在最优热和接触条件下可实现70.8%的效率，而接触电阻率增大一个数量级会导致10.4%的效率衰减，这凸显了热管理和低接触电阻率在超高功率密度下的重要性。这些结果也为光伏接收器的综合热管理分析提供了支撑。

**高功率应用的新型激光光伏转换器热效应综合研究解读**

**一、研究背景与意义**

随着远场无线电能传输技术的迅速发展，高功率激光传输（High-Power Laser Transmission，HPLT）技术凭借其固有的电隔离特性和电磁干扰免疫能力，在光纤通信链路、航空航天平台、无人机供电及轨道资产供电等众多领域显示出广阔的应用前景。长期以来，以GaAs为代表的III-V族化合物在激光功率转换器（Laser Power Converter，LPC）研究中占据主导地位，室温下转换效率已达60%以上，最高纪录为68.9%@11.4 W/cm2。然而，随着入射功率密度的不断提高，由欧姆损耗导致的效率退化问题日益显著。为突破这一瓶颈，研究人员提出两大并行策略：一是开发新型器件架构以降低串联电阻，二是引入宽禁带半导体材料。4H-SiC凭借其宽禁带、高热稳定性、优异的抗辐照能力和高介电强度，成为替代传统Si和GaAs的理想候选材料。然而，在超高激光功率密度条件下，器件内部热耗散问题成为制约技术发展的关键因素。以往针对LPC温度效应的研究大多采用加热器或低温恒温器控制器件温度来评估性能，很少从模拟角度系统考察器件在不同激光功率密度下的真实温度动态变化与热管理需求。为了填补这一研究空白，来自西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的Javier F. Lozano、Natalia Seoane、Julián G. Fernández、Enrique Comesa?a和Antonio García-Loureiro等研究人员在《Results in Engineering》期刊上发表论文，对一种近期优化的4H-SiC水平激光功率转换器（horizontal Laser Power Converter，hLPC）进行了全面的热效应研究，建立了可评估LPC运行温度的TCAD仿真方法论，系统探索了器件在不同功率密度、散热条件和接触电阻率下的性能边界与热管理需求。

**二、主要技术方法**

研究人员采用Silvaco TCAD仿真平台及其Giga模块，基于Wachutka热力学晶格加热模型，将焦耳热、载流子产生-复合热、Peltier效应和Thomson效应等全部相关热源纳入自洽求解框架。研究中校准了4H-SiC的热容（拟合自Hsiung等人的DFT数据）、热导率（拟合自Kazan等人实验数据）、带隙收缩（拟合自Choyke实验曲线）、光学吸收系数（拟合自Grivickas等人实验数据）以及电子和空穴的Caughey-Thomas迁移率模型（分别拟合自Pernot和Koizumi等人实验数据）。所研究的hLPC器件采用P+/P/N/N+四层结构，激光波长355 nm，顶部阴极覆盖3%光照面积，底部为全接触阳极并带有背面反射层。仿真的网格经局部加密处理，共包含6046个节点和11756个三角形单元，可准确分辨顶层接触区和PN结附近的电场与电流密度梯度。热沉通过背接触上的热对流系数（h值）建模，初始晶格与热沉温度设为298 K。研究方法采用两阶段流程：先在瞬态模式下求解光生载流子和器件温度至稳态，再进行稳态偏置扫描以确定最大功率点（Maximum Power Point，MPP）温度，并通过迭代更新光吸收参数使结果自洽收敛。

**三、研究结果**

**（一）低至中等激光功率密度（1–10 W/cm2）下的性能表现**

模拟结果显示，在1和10 W/cm2功率密度下，不同热沉（热对流系数250至10⁵ W/m2·K）对器件性能的影响总体有限。短路电流密度（Short-Circuit Current Density，J_SC）几乎不受热沉性能影响，在10 W/cm2时最高与最低热对流系数之间的J_SC差异小于2%。开路电压（Open-Circuit Voltage，V_OC）在1 W/cm2时降低2.5%，10 W/cm2时降低7.1%，但最大功率点电压（Voltage at Maximum Power Point，V_M）的下降幅度远小于V_OC，仅分别在0.3%和3.2%范围内。这主要是因为最大功率点温度（T_VM）在不同热沉条件下的变化较小，1 W/cm2时温差仅5.1 K，对应电压偏移约10.2 mV，10 W/cm2时温差43.8 K，对应约87.6 mV的电压变化。在效率方面，1 W/cm2下所有热沉方案的效率在67.1%–67.4%之间，10 W/cm2下为70.4%–72.7%，表明在此功率区间无需复杂热沉技术即可维持较高转换效率。

**（二）超高激光功率密度（100–500 W/cm2）下的性能与热管理**

在100 W/cm2条件下，器件效率范围从最优条件（h=10⁵ W/m2·K，ρ_c=10^-5 Ω/cm2）下的75.1%降至最差条件（h=2×103 W/m2·K，ρ_c=10^-4 Ω/cm2）下的70.4%，热沉性能导致约2.6%的效率衰减。在500 W/cm2下，最高效率在h=10⁵ W/m2·K和ρ_c=10^-5 Ω/cm2时达到70.8%；将接触电阻率增大至10^-4 Ω/cm2后效率降至60.5%，衰减达10.3%—10.4%，说明在超高功率密度下低接触电阻率是确保器件性能的关键因素。此外，将热沉性能从10⁵降至10⁴ W/m2·K会导致效率从70.8%降至66.2%（ρ_c=10^-5 Ω/cm2），进一步降为55.8%（ρ_c=10^-4 Ω/cm2）。由于500 W/cm2条件下短路状态器件温度可超过1000 K，无法对更低热沉系数（h=2×103 W/m2·K）实现数值收敛，这也从侧面体现了极端热条件下器件性能的急剧退化趋势。

**（三）瞬态热响应与热源分析**

在100 W/cm2激光功率密度下，采用h=10⁵ W/m2·K时器件温度在0.05 s内稳定于305.6 K；h=10⁴ W/m2·K时温度在0.3 s后达到376.5 K；而h=2×103 W/m2·K时，仿真1 s内温度升至638.6 K且仍在上升，说明散热能力对瞬态热平衡时间和稳态温度具有决定性影响。进一步的热源分解分析表明，器件的两个主要热源为焦耳热和产生-复合热。焦耳热在短路条件下于PN结附近达到最大，其数值较器件其余区域高出约3个数量级，但随着偏置向最大功率点移动，耗尽区收窄并注入了大量自由载流子，焦耳热显著降低；产生-复合热则在低偏置时基本保持恒定，当偏置越过最大功率点后，二极管的指数行为导致载流子复合急剧增强，该热源迅速上升，这也是V_OC附近温度急剧升高和J-V曲线收敛困难的原因。研究人员通过三次样条外推法获得了相应V_OC值，并以此作为评估基准。

**四、讨论与结论**

本研究表明，在低至中等激光功率密度（1–10 W/cm2）范围内，4H-SiC LPC器件即使采用强制气体对流等常规热管理方案也能保持超过70%的转换效率，散热器的性能影响甚微，这意味着简单的散热方案在此功率区间具有充足的设计余量。然而，在100–500 W/cm2的超高功率密度下，热沉性能和接触电阻率同时成为决定器件效率的关键设计参数。研究人员建立的TCAD仿真框架能够捕获LPC在广泛工作条件下的稳态热行为，为热评估和可行性验证提供了有效工具。研究结论指出，器件在100 W/cm2且h=10⁵ W/m2·K、ρ_c=10^-5 Ω/cm2时可实现75.1%的效率，在500 W/cm2最优条件下可达70.8%，但接触电阻率增大一个数量级将造成约10.4%的效率损失。该项研究还明确了瞬态热响应时间仅反映LPC本身的热特性，热沉作为全局参数处理，未来工作将探索替代半导体材料、面向空间应用的初始温度条件以及热沉和热界面材料对瞬态特性的影响。这一系统性的热管理分析方法为高功率LPC的设计优化及应用场景选择提供了重要的理论指导。