鉅大LARGE | 點擊量：1006次 | 2023年05月17日
激光光伏電池技術研究進展
隨著科學技術的進步，人們對各種消費電子產品和電驅動移動平臺的消費體驗要求越來越高，激光無線充電技術有望成為下一代智能電子設備產品獲取電能的重要方式。
研究背景
隨著科學技術的進步，人們對各種消費電子產品和電驅動移動平臺的消費體驗要求越來越高，激光無線充電技術有望成為下一代智能電子設備產品獲取電能的重要方式。激光光伏電池，作為激光無線充電技術的核心組成部分，需要具備激光波長響應匹配好、可接收激光功率密度大、光電轉換效率高等特點。結合國內外相關技術研究進展情況，總結分析了各類激光光伏電池在激光波長響應匹配特性和提高光電轉換效率方面的研究成果，并對激光光伏電池未來的研究方向和發展趨勢進行了展望。
多元化的消費電子產品和電驅動移動平臺(無人車、無人機等)在生活中占據越來越重要的位置，人們對這些電子產品設備的消費體驗要求越來越高。在電子產品設備使用過程中，當其缺乏電能時，反復連線充電過程影響了便攜式電子產品的消費體驗，減少了電驅動移動平臺的持續作業時間和作業半徑。激光無線充電技術，作為一種新型充電技術，具有光束指向性好、充電目標尺寸匹配度高、靈活可移動、易實現大功率遠距離充電等優點，在消費電子產品充電、電驅動移動平臺補電、航空航天器無線輸能等領域都有巨大應用前景。激光無線充電包括了激光發射和激光接收，其中激光發射技術因激光器的廣泛使用發展成熟，而以激光光伏電池為代表的激光接收技術發展起步較晚、成熟度低。伴隨激光無線充電技術能夠帶來的無限可能，各國科研機構也越來越多地開展了激光光伏電池技術的探索研究。
盡管國內外就激光光伏電池有了不少研究報道，但相關研究的總結評述鮮有涉及，不便于該領域科研工作者迅速了解相關領域最新研究動態。本文從激光光伏電池基本特性出發，對激光光伏電池的國內外研究進展情況進行闡述，并探討了激光光伏電池技術的未來發展趨勢。
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1. 激光光伏電池基本特性
激光光伏電池的工作原理和傳統的太陽光光伏電池基本一致，基于pn結的光生伏特效應。盡管二者工作原理基本相同，但是在激光光伏電池設計時，其與太陽光光伏電池仍有諸多不同。
首先，激光光伏電池接收的是單色或準單色光輻照，選用合適禁帶寬度(當禁帶寬度略小于光子能量且量子效率高)的半導體材料，能夠最大化利用光子能量，因此往往能夠獲得遠高于太陽光光伏電池的光電轉換效率(PCE)。其次，激光光伏電池接收的輻照強度遠大于太陽光強度，其器件的結構設計(柵電極、摻雜濃度、隧穿結等)也與太陽光光伏電池有明顯差異。最后，激光光伏電池接收的激光輻照均勻度相對較差，其組件結構難度遠大于傳統的太陽能光伏組件。激光光伏電池的材料體系和傳統太陽光光伏電池相似，主要包括了Si材料、GaAs材料、InGaAs材料、GaSb材料等。下面將按照不同材料體系分類，介紹各類激光光伏電池的研究進展。
2．激光光伏電池技術研究進展
2.1 Si基激光光伏電池技術研究進展
Martin Green等以摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器為光源，測試了面積為4cm2的單晶硅基電池的激光-電轉換特性，在測試溫度25℃、波長1064nm、平均輻照強度58.4mW/cm2激光輻照下，Si基光伏電池的PCE接近40%，而同樣的器件在AM1.5太陽光輻照條件下的效率值僅為23%。
Hiroaki Suzuki等通過在單晶硅基激光光伏電池表面鍍上減反射涂層并在背面引入背面反射器結構，并采用集中式細柵電極結構，從而提高激光吸收效率。在波長1.07μm激光輻照下，隨著激光平均輻照強度從0.1W/cm2提高到1.8W/cm2，面積1.21cm2的硅基激光光伏電池的光電轉換效率由19.3%提升至24.2%。李盛喆等以光束質量M2 <1.2、波長1064nm的近紅外高斯激光光束(非均勻輻照)為輻照光源，研究了面積為1cm2的擴散結結構晶硅基電池與異質結結構硅基電池在0.1～1 W/cm2輻照下的激光接收轉換性能。當激光平均輻照為0.2W/cm2時，擴散結結構晶硅基電池的PCE可達26.88%，而異質結結構硅基光伏電池在激光平均輻照為0.1W/cm2時的PCE最高，為27.78%。
2.2 GaAs基激光光伏電池技術研究進展
Viacheslav Andreev等設計制備了面積為2mm2的GaAs基激光光伏電池，并研究了激光平均輻照強度 5～200 W/cm2條件下激光光伏電池的光電轉換特性。在控制器件溫度恒定條件下，隨著輻照強度增加，開路電壓不斷提高，當輻照強度從 5W/cm2提升至200 W/cm2時，器件開路電壓由 1.1～1.15 V提升至1.2～1.26 V。激光光伏電池PCE最高可達56％。隨著激光波長從600nm增加至850 nm，GaAs基激光光伏電池的效率也在不斷提高，當激光波長大于850nm以后，器件效率迅速降低，其原因是當激光波長大于850 nm后，光子能量不足以驅動GaAs材料中的電子從價帶躍遷至導帶。他們制備了由8個子電池扇區串聯而成的高輸出功率GaAs電池陣列，總面積為2.45 cm2，在波長820nm和平均輻照強度8.5W/cm2條件下實現了輸出電壓8.8V，最大輸出功率近10W。
Henning Helmers等設計制備一種薄膜單結GaAs基激光光伏電池器件，以MgF2 /Ag為背反射鏡，提升了激光的吸收效率，在波長860 nm、輻照強度9.6 W/cm2 的非均勻激光輻照下，器件效率為67.3%，通過激光光伏電池串聯，實現超過12V的輸出電壓。
KHVOSTIKOV 等設計制備了具有線性和非線性折射率變化 AlGaAs波導結構的GaAs激光光伏電池，所制備的2mm2激光光伏電池在激光波長850 nm、平均輻照強度5W/cm2(非均勻輻照)條件下效率為49%。當表面波導折射率呈線性、指數和對數關系變化時，激光光伏電池表面輻照強度不同，采用折射率指數變化的表面波導可以將激光光伏電池p-n結處的峰值輻照強度降低，對于高功率激光輻照時，采用這種結構有望獲得更高的效率。
Ding Yanwen等制備了尺寸為3mm×3mm的四結和六結GaAs激光光伏電池，未封裝的激光光伏電池在波長808nm、輻照功率4.78W的激光輻照下可以輸出大于1.7W的電功率。采用Transistor Outline(TO)工藝封裝了六結GaAs基激光光伏電池，經過TO封裝后，六結 GaAs基激光光伏電池可以輸出最大1.08 W的功率。隨后，他們又對尺寸3mm×3mm的六結激光光伏電池器件制備工藝進行了優化，經過TO封裝的激光光伏電池可在波長808nm、輻照功率2.246W的情況下輸1W的電功率，效率可達44.5％。
FAFARD等對GaAs基激光光伏電池進行了深入系統的研究分析，采用垂直外延異質結構，設計制備了直徑2.1mm(面積3.46 mm2 )、結數在 2～20之間的多結GaAs基激光光伏電池器件，通過電池材料的吸收系數和電流匹配原則，對每一層的厚度進行精細的仿真計算。激光光伏電池頂部設計了較厚的窗口層，有利于高輻照強度下載流子收集。他們在25 ℃測試溫度下采用波長850 nm、輻照功率5 W的非均勻輻照激光評測了不同結數GaAs基激光光伏電池的轉換效率。其中PT12(12 結)GaAs基激光光伏電池的開路電壓13.96V，效率高達 64.3%；PT20(20結)GaAs基激光光伏電池的開路電壓高達23.29 V，效率為60.3%。當GaAs基激光光伏電池的溫度從25 ℃提升至105 ℃時，多結激光電池的開路電壓均有一定程度降低，溫度系數約為-0.05%/℃。采用波長841 nm、輻照功率 2.19 W的激光輻照時，PT12(十二結)器件的效率高達66%。
Henning Helmers等開展了GaAs基激光光伏電池的光吸收優化研究，采用 830 nm激光輻照吸收層厚度3μm的GaAs基激光光伏電池時，約有4.7%的激光光子能量變為晶格熱而損失，約有4.2%的激光因透射而沒有有效吸收。隨后他們研究了器件結構優化，在激光光伏電池有源層下方引入背面反射器(BSR)來提高光子吸收效率;另一方面，利用腔中的法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振效應來提高近帶隙光子的光譜吸收率，使接近帶隙的頻譜響應最大化，實現光子傳輸和熱損失的最小化。他們制備了面積為0.054 cm2的GaAs基激光光伏電池，使用光子能量更接近禁帶寬度的858 nm 激光，在平均輻照強度11.4 W/cm2時激光-電轉換效率68.9%，這也是目前實驗報道的最高效率值。
2.3 InGaAs基激光光伏電池技術研究進展
GaAs基激光光伏電池盡管已經取得了非常高的激光-電轉換效率，但是其截止吸收波長在870 nm，無法將波長更長的激光能量轉換為電能，采用三元III-V 族半導體材料InxGa1-xAs，能降低材料的禁帶寬度(隨著In含量增加，禁帶寬度降低)，實現更長波長激光的吸收。然而當In含量提高到一定比例時，InxGa1-xAs材料的晶格尺寸與常用襯底(GaAs)出現晶格失配問題，影響InxGa1-xAs吸收層的生長質量。
Nikolay A. Kalyuzhnyy等在InGaAs吸收層外延生長前預先生長了多層異質結緩沖層(七層)，通過緩慢提升In的含量(每層In的含量提升3.5%)，使得襯底和多層異質結緩沖層的晶格失配緩慢提升。他們制備了0.0784cm2的 InGaAs 電池器件，吸收層分別為 In0.27Ga0.73 As和In0.24Ga0.76As，其中In0.27Ga0.73 As基激光光伏電池的截止吸收波長1240～1280nm，In0.24Ga0.76As基激光光伏電池的截止吸收波長藍移至1200nm左右。與In0.27 Ga 0.73As 基激光光伏電池相比，In 0.24 Ga0.76As基激光光伏電池在1064 nm激光輻照下的光譜響應略低一點，但其可以獲得更高的開路電壓，最終獲得了更高的激光-電轉換效率，在波長1064nm、輻照強度 4.5 W/cm 2的激光輻照下，PCE為41.4%。他們隨后又對In0.24 Ga0.76As基激光光伏電池器件結構進行了優化，研究了基區固定濃度摻雜(1×1018 cm-3 )和階梯濃度摻雜(5×1016 ～1.5×1018 cm-3 )對激光光伏電池器件性能的影響，采用階梯摻雜濃度方式有效提升了器件的內量子效率。此外，通過引入漸變緩沖層可以降低位錯密度，提升少數載流子的擴散長度。采用波長1064 nm、輻照功率 0.25～1.00 W的均勻強度激光輻照時，面積為0.078 4mm2的In0.24Ga0.76As基激光光伏電池的PCE為44.9%，而采用相同波長的非均勻強度激光輻照時，在高輻照功率時(0.3W)PCE明顯降低，這主要是由于更高強度光照的熱效應導致器件開路電壓和填充因子降低所致。后來，他們又進一步對InxGa1-x As基激光光伏電池進行了優化研究，對吸收層的In含量進行微調(In含量在0.22～0.26之間)，當吸收層 In含量為0.23 時，激光光伏電池器件的性能達到最佳，在波長1064nm、平均輻照強度 5.2 W/cm2 (非均勻輻照)的激光照射下，In0.23 Ga0.77As基激光光伏電池的效率為50.6%。
Youngjo Kim等制備了更大尺寸 (0.3025cm2)的In0.24Ga0.76 As基激光光伏電池器件，通過引入多層異質緩沖層和厚的金屬柵電極，提高了器件的外量子效率(最高為82.16%)，在波長1080nm、平均輻照強度538 mW/cm2的激光輻照下，效率為37.87%，開路電壓0.63V，填充因子0.7571。隨著激光平均輻照強度增大到978和1678 mW/cm2后，器件的填充因子迅速降低至0.6807和0.6039。
2.4 基于其他材料的激光光伏電池技術研究進展
除了上述幾類材料，其他幾類材料也在激光光伏電池器件研究中嶄露頭角。Viacheslav Andreev等設計制備了帶有Bragg反射器結構的GaSb基激光光伏電池，電池面積2mm2。在激光輻照光生電流65A/cm2時，激光光伏電池的開路電壓為 0.57V，填充因子為0.75。在激光波長分別為1.68、1.55、1.315μm 條件下，GaSb基激光光伏電池效率分別為49%、45%、39%，對于特定結構激光光伏電池器件，隨著激光波長的減小，激光光子能量增大，光電轉換過程中的光子能量損失不斷增加，激光光伏電池的效率隨著波長減小而降低。Mukherjee J等在InP 襯 底上制備尺寸5mm×5 mm的InGaAsP基激光光伏電池，在激光波長1.55μm、平均輻照強度為1kW/m2條件下，激光光伏電池的效率為45.6%。經過實驗室(溫度變化范圍 16～26℃)和外場實驗(溫度變化范圍為14～40℃)測試，結果表明所研制的 InGaAsP基激光光伏電池的溫度系數約為-0.1 %/℃。而在AM1.5太陽光輻照下，InGaAsP基激光光伏電池的效率僅有13.3%。
Yuki Komuro等設計了尺寸為2.4mm×2.4mm的GaInP基激光光伏電池，通過引入分布式布拉格反射器(DBR)結構改善了激光吸收性能，通過將GaInP基激光光伏電池表面電極間距從485μm減小至115μm，降低了橫向擴散電阻。利用這兩種方法有效提升了GaInP基激光光伏電池的開路電壓和填充因子。在激光波長632 nm、平均輻照強度1.1W/cm2條件下，GaInP基激光光伏電池的效率達到46%，在激光平均輻照功率密度高達 17W/cm2時，GaInP基激光光伏電池的效率仍可達43%。
總結與展望
從上述各類激光光伏電池技術發展來看，硅基激光光伏電池由于開路電壓低且接近禁帶寬度處的光譜響應較差，激光-電的轉換效率相對較低。GaAs基激光光伏電池和InGaAs基激光光伏電池分別在波長分別為800～850nm和1000～1 100nm 激光輻照下能獲得高的激光-電轉換效率，目前GaAs基激光光伏電池的最高PCE已經接近70%，而InGaAs基激光光伏電池的PCE也超過了50%。從未來應用來看，激光光伏電池技術還需要解決以下幾個問題：
(1) 高強度激光輻照下的器件穩定性問題。盡管激光光伏電池器件有著更高的光電轉換效率，同時高強度輻照有利于器件獲得更高的激光-電轉換效率，但是在實際應用中，激光輻照往往是持續進行的，熱量積累會大幅降低激光光伏器件的性能；
(2)高性能大面積激光光伏電池器件制備。盡管目前激光光伏電池器件效率最高值已經接近70%，但是從目前文獻報道的結果來看，高的激光-電轉換效率值往往是在小面積器件下取得的，器件面積增大不僅需要更高質量的外延生長，同時也對器件柵電極集流和熱控制提出更高的要求。
隨著激光光伏電池技術的發展與進步，激光無線充電技術很快將會在一些特定場景率先進行示范應用，并隨著物聯網、空天地海一體化協同等概念的發展而越來越多地滲透到人們的生活中，在實現這一目標的過程中，激光光伏電池技術將起到至關重要的作用。
文章來源：《電源技術》第 46 卷第 4 期
DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2022.04.004
文章編號：1002-087 X(2022)04-0356-04
文章作者：倪旺、劉興江
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