钜大LARGE | 点击量：936次 | 2023年05月17日
激光光伏电池技术研究进展
随着科学技术的进步，人们对各种消费电子产品和电驱动移动平台的消费体验要求越来越高，激光无线充电技术有望成为下一代智能电子设备产品获取电能的重要方式。
研究背景
随着科学技术的进步，人们对各种消费电子产品和电驱动移动平台的消费体验要求越来越高，激光无线充电技术有望成为下一代智能电子设备产品获取电能的重要方式。激光光伏电池，作为激光无线充电技术的核心组成部分，需要具备激光波长响应匹配好、可接收激光功率密度大、光电转换效率高等特点。结合国内外相关技术研究进展情况，总结分析了各类激光光伏电池在激光波长响应匹配特性和提高光电转换效率方面的研究成果，并对激光光伏电池未来的研究方向和发展趋势进行了展望。
多元化的消费电子产品和电驱动移动平台(无人车、无人机等)在生活中占据越来越重要的位置，人们对这些电子产品设备的消费体验要求越来越高。在电子产品设备使用过程中，当其缺乏电能时，反复连线充电过程影响了便携式电子产品的消费体验，减少了电驱动移动平台的持续作业时间和作业半径。激光无线充电技术，作为一种新型充电技术，具有光束指向性好、充电目标尺寸匹配度高、灵活可移动、易实现大功率远距离充电等优点，在消费电子产品充电、电驱动移动平台补电、航空航天器无线输能等领域都有巨大应用前景。激光无线充电包括了激光发射和激光接收，其中激光发射技术因激光器的广泛使用发展成熟，而以激光光伏电池为代表的激光接收技术发展起步较晚、成熟度低。伴随激光无线充电技术能够带来的无限可能，各国科研机构也越来越多地开展了激光光伏电池技术的探索研究。
尽管国内外就激光光伏电池有了不少研究报道，但相关研究的总结评述鲜有涉及，不便于该领域科研工作者迅速了解相关领域最新研究动态。本文从激光光伏电池基本特性出发，对激光光伏电池的国内外研究进展情况进行阐述，并探讨了激光光伏电池技术的未来发展趋势。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
1. 激光光伏电池基本特性
激光光伏电池的工作原理和传统的太阳光光伏电池基本一致，基于pn结的光生伏特效应。尽管二者工作原理基本相同，但是在激光光伏电池设计时，其与太阳光光伏电池仍有诸多不同。
首先，激光光伏电池接收的是单色或准单色光辐照，选用合适禁带宽度(当禁带宽度略小于光子能量且量子效率高)的半导体材料，能够最大化利用光子能量，因此往往能够获得远高于太阳光光伏电池的光电转换效率(PCE)。其次，激光光伏电池接收的辐照强度远大于太阳光强度，其器件的结构设计(栅电极、掺杂浓度、隧穿结等)也与太阳光光伏电池有明显差异。最后，激光光伏电池接收的激光辐照均匀度相对较差，其组件结构难度远大于传统的太阳能光伏组件。激光光伏电池的材料体系和传统太阳光光伏电池相似，主要包括了Si材料、GaAs材料、InGaAs材料、GaSb材料等。下面将按照不同材料体系分类，介绍各类激光光伏电池的研究进展。
2．激光光伏电池技术研究进展
2.1 Si基激光光伏电池技术研究进展
Martin Green等以掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器为光源，测试了面积为4cm2的单晶硅基电池的激光-电转换特性，在测试温度25℃、波长1064nm、平均辐照强度58.4mW/cm2激光辐照下，Si基光伏电池的PCE接近40%，而同样的器件在AM1.5太阳光辐照条件下的效率值仅为23%。
Hiroaki Suzuki等通过在单晶硅基激光光伏电池表面镀上减反射涂层并在背面引入背面反射器结构，并采用集中式细栅电极结构，从而提高激光吸收效率。在波长1.07μm激光辐照下，随着激光平均辐照强度从0.1W/cm2提高到1.8W/cm2，面积1.21cm2的硅基激光光伏电池的光电转换效率由19.3%提升至24.2%。李盛喆等以光束质量M2 <1.2、波长1064nm的近红外高斯激光光束(非均匀辐照)为辐照光源，研究了面积为1cm2的扩散结结构晶硅基电池与异质结结构硅基电池在0.1～1 W/cm2辐照下的激光接收转换性能。当激光平均辐照为0.2W/cm2时，扩散结结构晶硅基电池的PCE可达26.88%，而异质结结构硅基光伏电池在激光平均辐照为0.1W/cm2时的PCE最高，为27.78%。
2.2 GaAs基激光光伏电池技术研究进展
Viacheslav Andreev等设计制备了面积为2mm2的GaAs基激光光伏电池，并研究了激光平均辐照强度 5～200 W/cm2条件下激光光伏电池的光电转换特性。在控制器件温度恒定条件下，随着辐照强度增加，开路电压不断提高，当辐照强度从 5W/cm2提升至200 W/cm2时，器件开路电压由 1.1～1.15 V提升至1.2～1.26 V。激光光伏电池PCE最高可达56％。随着激光波长从600nm增加至850 nm，GaAs基激光光伏电池的效率也在不断提高，当激光波长大于850nm以后，器件效率迅速降低，其原因是当激光波长大于850 nm后，光子能量不足以驱动GaAs材料中的电子从价带跃迁至导带。他们制备了由8个子电池扇区串联而成的高输出功率GaAs电池阵列，总面积为2.45 cm2，在波长820nm和平均辐照强度8.5W/cm2条件下实现了输出电压8.8V，最大输出功率近10W。
Henning Helmers等设计制备一种薄膜单结GaAs基激光光伏电池器件，以MgF2 /Ag为背反射镜，提升了激光的吸收效率，在波长860 nm、辐照强度9.6 W/cm2 的非均匀激光辐照下，器件效率为67.3%，通过激光光伏电池串联，实现超过12V的输出电压。
KHVOSTIKOV 等设计制备了具有线性和非线性折射率变化 AlGaAs波导结构的GaAs激光光伏电池，所制备的2mm2激光光伏电池在激光波长850 nm、平均辐照强度5W/cm2(非均匀辐照)条件下效率为49%。当表面波导折射率呈线性、指数和对数关系变化时，激光光伏电池表面辐照强度不同，采用折射率指数变化的表面波导可以将激光光伏电池p-n结处的峰值辐照强度降低，对于高功率激光辐照时，采用这种结构有望获得更高的效率。
Ding Yanwen等制备了尺寸为3mm×3mm的四结和六结GaAs激光光伏电池，未封装的激光光伏电池在波长808nm、辐照功率4.78W的激光辐照下可以输出大于1.7W的电功率。采用Transistor Outline(TO)工艺封装了六结GaAs基激光光伏电池，经过TO封装后，六结 GaAs基激光光伏电池可以输出最大1.08 W的功率。随后，他们又对尺寸3mm×3mm的六结激光光伏电池器件制备工艺进行了优化，经过TO封装的激光光伏电池可在波长808nm、辐照功率2.246W的情况下输1W的电功率，效率可达44.5％。
FAFARD等对GaAs基激光光伏电池进行了深入系统的研究分析，采用垂直外延异质结构，设计制备了直径2.1mm(面积3.46 mm2 )、结数在 2～20之间的多结GaAs基激光光伏电池器件，通过电池材料的吸收系数和电流匹配原则，对每一层的厚度进行精细的仿真计算。激光光伏电池顶部设计了较厚的窗口层，有利于高辐照强度下载流子收集。他们在25 ℃测试温度下采用波长850 nm、辐照功率5 W的非均匀辐照激光评测了不同结数GaAs基激光光伏电池的转换效率。其中PT12(12 结)GaAs基激光光伏电池的开路电压13.96V，效率高达 64.3%；PT20(20结)GaAs基激光光伏电池的开路电压高达23.29 V，效率为60.3%。当GaAs基激光光伏电池的温度从25 ℃提升至105 ℃时，多结激光电池的开路电压均有一定程度降低，温度系数约为-0.05%/℃。采用波长841 nm、辐照功率 2.19 W的激光辐照时，PT12(十二结)器件的效率高达66%。
Henning Helmers等开展了GaAs基激光光伏电池的光吸收优化研究，采用 830 nm激光辐照吸收层厚度3μm的GaAs基激光光伏电池时，约有4.7%的激光光子能量变为晶格热而损失，约有4.2%的激光因透射而没有有效吸收。随后他们研究了器件结构优化，在激光光伏电池有源层下方引入背面反射器(BSR)来提高光子吸收效率;另一方面，利用腔中的法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振效应来提高近带隙光子的光谱吸收率，使接近带隙的频谱响应最大化，实现光子传输和热损失的最小化。他们制备了面积为0.054 cm2的GaAs基激光光伏电池，使用光子能量更接近禁带宽度的858 nm 激光，在平均辐照强度11.4 W/cm2时激光-电转换效率68.9%，这也是目前实验报道的最高效率值。
2.3 InGaAs基激光光伏电池技术研究进展
GaAs基激光光伏电池尽管已经取得了非常高的激光-电转换效率，但是其截止吸收波长在870 nm，无法将波长更长的激光能量转换为电能，采用三元III-V 族半导体材料InxGa1-xAs，能降低材料的禁带宽度(随着In含量增加，禁带宽度降低)，实现更长波长激光的吸收。然而当In含量提高到一定比例时，InxGa1-xAs材料的晶格尺寸与常用衬底(GaAs)出现晶格失配问题，影响InxGa1-xAs吸收层的生长质量。
Nikolay A. Kalyuzhnyy等在InGaAs吸收层外延生长前预先生长了多层异质结缓冲层(七层)，通过缓慢提升In的含量(每层In的含量提升3.5%)，使得衬底和多层异质结缓冲层的晶格失配缓慢提升。他们制备了0.0784cm2的 InGaAs 电池器件，吸收层分别为 In0.27Ga0.73 As和In0.24Ga0.76As，其中In0.27Ga0.73 As基激光光伏电池的截止吸收波长1240～1280nm，In0.24Ga0.76As基激光光伏电池的截止吸收波长蓝移至1200nm左右。与In0.27 Ga 0.73As 基激光光伏电池相比，In 0.24 Ga0.76As基激光光伏电池在1064 nm激光辐照下的光谱响应略低一点，但其可以获得更高的开路电压，最终获得了更高的激光-电转换效率，在波长1064nm、辐照强度 4.5 W/cm 2的激光辐照下，PCE为41.4%。他们随后又对In0.24 Ga0.76As基激光光伏电池器件结构进行了优化，研究了基区固定浓度掺杂(1×1018 cm-3 )和阶梯浓度掺杂(5×1016 ～1.5×1018 cm-3 )对激光光伏电池器件性能的影响，采用阶梯掺杂浓度方式有效提升了器件的内量子效率。此外，通过引入渐变缓冲层可以降低位错密度，提升少数载流子的扩散长度。采用波长1064 nm、辐照功率 0.25～1.00 W的均匀强度激光辐照时，面积为0.078 4mm2的In0.24Ga0.76As基激光光伏电池的PCE为44.9%，而采用相同波长的非均匀强度激光辐照时，在高辐照功率时(0.3W)PCE明显降低，这主要是由于更高强度光照的热效应导致器件开路电压和填充因子降低所致。后来，他们又进一步对InxGa1-x As基激光光伏电池进行了优化研究，对吸收层的In含量进行微调(In含量在0.22～0.26之间)，当吸收层 In含量为0.23 时，激光光伏电池器件的性能达到最佳，在波长1064nm、平均辐照强度 5.2 W/cm2 (非均匀辐照)的激光照射下，In0.23 Ga0.77As基激光光伏电池的效率为50.6%。
Youngjo Kim等制备了更大尺寸 (0.3025cm2)的In0.24Ga0.76 As基激光光伏电池器件，通过引入多层异质缓冲层和厚的金属栅电极，提高了器件的外量子效率(最高为82.16%)，在波长1080nm、平均辐照强度538 mW/cm2的激光辐照下，效率为37.87%，开路电压0.63V，填充因子0.7571。随着激光平均辐照强度增大到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电池技术研究进展
除了上述几类材料，其他几类材料也在激光光伏电池器件研究中崭露头角。Viacheslav Andreev等设计制备了带有Bragg反射器结构的GaSb基激光光伏电池，电池面积2mm2。在激光辐照光生电流65A/cm2时，激光光伏电池的开路电压为 0.57V，填充因子为0.75。在激光波长分别为1.68、1.55、1.315μm 条件下，GaSb基激光光伏电池效率分别为49%、45%、39%，对于特定结构激光光伏电池器件，随着激光波长的减小，激光光子能量增大，光电转换过程中的光子能量损失不断增加，激光光伏电池的效率随着波长减小而降低。Mukherjee J等在InP 衬 底上制备尺寸5mm×5 mm的InGaAsP基激光光伏电池，在激光波长1.55μm、平均辐照强度为1kW/m2条件下，激光光伏电池的效率为45.6%。经过实验室(温度变化范围 16～26℃)和外场实验(温度变化范围为14～40℃)测试，结果表明所研制的 InGaAsP基激光光伏电池的温度系数约为-0.1 %/℃。而在AM1.5太阳光辐照下，InGaAsP基激光光伏电池的效率仅有13.3%。
Yuki Komuro等设计了尺寸为2.4mm×2.4mm的GaInP基激光光伏电池，通过引入分布式布拉格反射器(DBR)结构改善了激光吸收性能，通过将GaInP基激光光伏电池表面电极间距从485μm减小至115μm，降低了横向扩散电阻。利用这两种方法有效提升了GaInP基激光光伏电池的开路电压和填充因子。在激光波长632 nm、平均辐照强度1.1W/cm2条件下，GaInP基激光光伏电池的效率达到46%，在激光平均辐照功率密度高达 17W/cm2时，GaInP基激光光伏电池的效率仍可达43%。
总结与展望
从上述各类激光光伏电池技术发展来看，硅基激光光伏电池由于开路电压低且接近禁带宽度处的光谱响应较差，激光-电的转换效率相对较低。GaAs基激光光伏电池和InGaAs基激光光伏电池分别在波长分别为800～850nm和1000～1 100nm 激光辐照下能获得高的激光-电转换效率，目前GaAs基激光光伏电池的最高PCE已经接近70%，而InGaAs基激光光伏电池的PCE也超过了50%。从未来应用来看，激光光伏电池技术还需要解决以下几个问题：
(1) 高强度激光辐照下的器件稳定性问题。尽管激光光伏电池器件有着更高的光电转换效率，同时高强度辐照有利于器件获得更高的激光-电转换效率，但是在实际应用中，激光辐照往往是持续进行的，热量积累会大幅降低激光光伏器件的性能；
(2)高性能大面积激光光伏电池器件制备。尽管目前激光光伏电池器件效率最高值已经接近70%，但是从目前文献报道的结果来看，高的激光-电转换效率值往往是在小面积器件下取得的，器件面积增大不仅需要更高质量的外延生长，同时也对器件栅电极集流和热控制提出更高的要求。
随着激光光伏电池技术的发展与进步，激光无线充电技术很快将会在一些特定场景率先进行示范应用，并随着物联网、空天地海一体化协同等概念的发展而越来越多地渗透到人们的生活中，在实现这一目标的过程中，激光光伏电池技术将起到至关重要的作用。
文章来源：《电源技术》第 46 卷第 4 期
DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2022.04.004
文章编号：1002-087 X(2022)04-0356-04
文章作者：倪旺、刘兴江
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