半导体纳米棒有助于激光无人机保持冷却

配备太阳能电池的远程无人机（UAV），未来或许不必再依赖机载电池，而是可以通过地面发射的激光束实现无线充电。但这一设想一直面临一个棘手的问题：激光在为无人机供能的同时也会让它发热，进而拖累机翼上光伏电池的转换效率。如今，中国民航大学的一支研究团队找到了破解之道——他们将基于纳米棒结构的锑硒化锑（Sb2Se3）隔热材料应用到太阳能电池中，成功解决了这一难题。

电池续航仍是无人机的最大瓶颈

"随着无人机执行的任务时间越来越长，电池续航已经成为制约其发展的最大障碍之一，"这项研究的负责人韩建华解释道。"我们团队一直在研究激光无线电力传输技术——这是目前最前沿的远程无线能量传输方式，有望替代传统电池。"

激光无线功率传输尤其适合航空航天领域的应用场景，比如搭载光伏电池的无人机。而在这一背景下，钙钛矿太阳能电池格外受到看好：它制造成本低，对可见光波段的吸收能力强，而且电荷载流子的扩散距离也比较长。

钙钛矿—激光—热电三合一装置

在这项发表于《Matter and Light》（论文链接）的新研究中，韩建华团队开发出一种名为"钙钛矿激光热电电池"（PLC-TE）的串联装置。其光伏部分（PLC）采用碳基CsPbBr3钙钛矿材料制成，热电部分（TE）则使用碲化铋（Bi2Te3）。TE模块被直接固定在激光接收单元下方，并通过碳电极与其负极相连，形成串联结构。

当激光照射到这套装置上时，碳电极会把部分入射的激光能量转化为热能，随后这部分热量被TE模块吸收，并通过热电效应转化为电能。

不仅如此——由于装置一侧比另一侧温度更高，这种"温差"本身也能被用来发电：温差越大，TE层能产生的电量就越多。

问题来了：装置本身也会过热

不过这里存在一个矛盾：虽然碳材料能散发激光产生的部分热量，但整套装置仍然会持续升温，温度最高可达90°C。"这比我们预想的要高得多，也让我们意识到热量积聚的问题比想象中严重得多，"韩建华说。

Sb2Se3化身"隔热屏障"

为解决这个问题，研究团队盯上了一种颇具潜力的光伏材料——Sb2Se3。这种半导体材料不仅光电性能优良，导热率还很低，一旦嵌入器件中，就能像一道隔热屏障一样发挥作用。

韩建华团队合成了Sb2Se3纳米棒，并将其整合进CsPbBr3层的上部。这样一来，碳电极的散热被有效抑制，TE器件能够维持更明显的温度梯度，从而提升整体的能量转换效率。这层"隔热屏障"同时也降低了PLC在长时间激光照射下的整体工作温度。

实测：功率转换效率达38.49%

接下来，团队把搭载了Sb2Se3纳米棒的串联装置安装在一架静止无人机的机翼下方，并在机翼上开凿气道来模拟真实飞行时的气流环境。用波长520纳米的高功率绿色激光照射后，他们发现该装置成功将38.49%的入射激光能量转化为电能，并顺利驱动了无人机的螺旋桨叶片转动。韩建华表示，在同类实验条件下，这一功率转换效率已属目前报道过的最高水平之一。

这项技术或将让无人机飞得更久

"从概念层面来看，这是首次把系统级器件方案真正应用到无人机供电上，把研究范围从纯粹的材料科学，拓展到了面向实际应用的系统设计，"韩建华在接受《物理世界》（Physics World）采访时表示。"这证明，用光来驱动无人机不只是纸上谈兵的理论构想，而是一条切实可行的工程路径。"

他认为，这项技术有望让无人机实现更长时间的飞行，这对森林巡护、灾害监测、包裹投递等应用场景都将大有裨益。不过，距离真正落地，还有不少工作要做：研究人员首先需要把PLC-TE装置集成到轻量化无人机中，进行户外飞行测试，评估这项技术的安全性；此外，他们还得想办法让激光束能够精准追踪飞行中的无人机。

"从地面验证走向实际飞行验证，中间还有许多工程难题要解决，"韩建华说，"但我们的技术已经是一个不错的起点，验证其可行性正是我们下一阶段研究的核心目标。"

本文原载于《物理世界》（Physics World），原标题为《半导体纳米棒助力激光驱动无人机保持凉爽》。