半导体纳米棒助力激光供电无人机散热 – Physics World

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远程无人驾驶飞行器（UAV），即无人机，如果配备太阳能电池，就可以通过从地面向其发射激光束进行无线充电，从而取代传统的机载电池。然而，到目前为止，问题在于如何为无人机散热——因为激光会使其发热，从而降低其机翼上携带的光伏电池的效率。中国民航大学的一个研究团队现在通过将基于硒化锑（Sb2Se3）纳米棒的阻热技术融入这些太阳能电池中，克服了这一问题。

随着无人机执行的任务时间越来越长，电池续航已成为最大的障碍之一，领导这项新研究的韩建华解释道。“我们的团队一直在研究激光无线电力传输，这是一种领先的远距离无线能量传输方法，以取代这些电池。”

激光无线电力传输特别适用于配备光伏电池的无人机等航空航天应用。钙钛矿太阳能电池在此背景下展现出巨大的前景，因为它们制造成本低，在电磁光谱的可见光部分具有很强的光吸收能力，并且具有长电荷载流子扩散长度。

钙钛矿激光电池-热电串联器件

在详细发表于《Matter & Light》的新工作中，韩建华及其同事研究了一种被称为钙钛矿激光电池-热电（PLC-TE）串联器件的太阳能电池，该器件由作为PLC的碳基CsPbBr3钙钛矿和作为TE材料的碲化铋（Bi2Te3）组成。TE模块直接固定在激光电池下方，碳电极连接到其负极端以形成串联。当激光照射到该器件上时，碳电极将一部分入射激光能量转化为热量。然后，TE通过热电效应收集这些热量并将其转化为电能。

不仅如此：由于器件的一侧最终比另一侧更热，这种温度梯度也有助于将热能转化为电能。温度梯度越大，TE层能产生的电能就越多。

然而，存在一个问题：虽然混合结构中的碳散发了激光产生的部分热量，但该结构仍然会发热——温度高达90°C，韩建华说。“这远高于我们的预期，使我们意识到热量积聚是一个比我们想象的更严重的问题。”

Sb2Se3 起到热障作用

为了克服这个问题，研究人员转向了Sb2Se3，这是一种很有前途的光伏材料。除了具有良好的光电性能外，这种半导体还具有低热导率，使其在嵌入器件时能够起到热障的作用。

韩建华的团队合成了Sb2Se3纳米棒，并将其掺入CsPbBr3层的上部。Sb2Se3减少了碳电极中的热耗散，从而有助于在TE器件中保持显著的温度梯度，进而提高其整体能量转换效率。其热障特性还有助于在长时间激光照射下降低PLC的整体工作温度。

随后，团队将含有Sb2Se3纳米棒的串联器件插入一架静止无人机的机翼下方，并在机翼上雕刻出空气通道，以模拟真实世界的气流条件。当用波长为520 nm的高功率绿光激光照射时，他们发现该器件将38.49%的入射激光能量转化为电能，并成功驱动了无人机的螺旋桨叶片。韩建华表示，这种功率转换效率是在类似条件下运行的同类技术中报道的最高效率之一。

该器件有助于延长无人机的滞空时间

“在概念上，这是首次将器件的系统级方案应用于无人机电源，将工作从纯粹的材料研究扩展到面向应用的系统设计，”韩建华告诉《Physics World》。“它证明了用光为无人机供电不仅仅是一个理论概念，而是一条可以实际实施的工程路径。”

他表示，该器件可以帮助无人机在空中停留更长时间，这对于森林巡护、灾害监测和包裹递送等应用非常有用。但在这些应用成为现实之前，仍有许多工作要做。首先，研究人员需要将PLC-TE器件集成到轻型无人机中，进行户外飞行测试，并评估其技术的安全性。他们还需要找到一种用激光束准确跟踪移动无人机的方法。

“从地面验证阶段过渡到真实飞行验证阶段，需要解决许多工程挑战，”韩建华说，“但我们的技术是一个很好的起点，验证其可行性是我们下一阶段研究的核心目标。”

资讯来源

- physicsworld.com (2026-08-16) - 原文：半导体纳米棒助力激光供电无人机散热 – Physics World