隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，多元化的消費(fèi)電子產(chǎn)品和電驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)(無(wú)人車(chē)、無(wú)人機(jī)等)在生活中占據(jù)越來(lái)越重要的位置，人們對(duì)這些電子產(chǎn)品設(shè)備的消費(fèi)體驗(yàn)要求越來(lái)越高。
在電子產(chǎn)品設(shè)備使用過(guò)程中，當(dāng)其缺乏電能時(shí)，反復(fù)連線充電過(guò)程影響了便攜式電子產(chǎn)品的消費(fèi)體驗(yàn)，減少了電驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)的持續(xù)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)半徑。
激光無(wú)線充電技術(shù)，作為一種新型充電技術(shù)，具有光束指向性好、充電目標(biāo)尺寸匹配度高、靈活可移動(dòng)、易實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離充電等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品充電、電驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)補(bǔ)電、航空航天器無(wú)線輸能等領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用前景。
激光無(wú)線充電包括了激光發(fā)射和激光接收，其中激光發(fā)射技術(shù)因激光器的廣泛使用發(fā)展成熟，而以激光光伏電池為代表的激光接收技術(shù)發(fā)展起步較晚、成熟度低。伴隨激光無(wú)線充電技術(shù)能夠帶來(lái)的無(wú)限可能，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)也越來(lái)越多地開(kāi)展了激光光伏電池技術(shù)的探索研究。
盡管?chē)?guó)內(nèi)外就激光光伏電池有了不少研究報(bào)道，但相關(guān)研究的總結(jié)評(píng)述鮮有涉及，不便于該領(lǐng)域科研工作者迅速了解相關(guān)領(lǐng)域最新研究動(dòng)態(tài)。
本文從激光光伏電池基本特性出發(fā)，對(duì)激光光伏電池的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展情況進(jìn)行闡述，并探討了激光光伏電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
激光光伏電池的工作原理和傳統(tǒng)的太陽(yáng)光光伏電池基本一致，基于pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。盡管二者工作原理基本相同，但是在激光光伏電池設(shè)計(jì)時(shí)，其與太陽(yáng)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(zhǔn)單色光輻照，選用合適禁帶寬度(當(dāng)禁帶寬度略小于光子能量且量子效率高)的半導(dǎo)體材料，能夠最大化利用光子能量，因此往往能夠獲得遠(yuǎn)高于太陽(yáng)光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。
其次，激光光伏電池接收的輻照強(qiáng)度遠(yuǎn)大于太陽(yáng)光強(qiáng)度，其器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(柵電極、摻雜濃度、隧穿結(jié)等)也與太陽(yáng)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(duì)較差，其組件結(jié)構(gòu)難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏組件。
激光光伏電池的材料體系和傳統(tǒng)太陽(yáng)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(lèi)，介紹各類(lèi)激光光伏電池的研究進(jìn)展。
Si基激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展
Martin Green等以摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器為光源，測(cè)試了面積為4cm2的單晶硅基電池的激光-電轉(zhuǎn)換特性，在測(cè)試溫度25℃、波長(zhǎng)1064nm、平均輻照強(qiáng)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(yáng)光輻照條件下的效率值僅為23%。
Hiroaki Suzuki等通過(guò)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(jié)構(gòu)，并采用集中式細(xì)柵電極結(jié)構(gòu)，從而提高激光吸收效率。在波長(zhǎng)1.07μm激光輻照下，隨著激光平均輻照強(qiáng)度從0.1W/cm2提高到1.8W/cm2，面積為1.21cm2的硅基激光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率由19.3%提升至24.2%。
李盛喆等以光束質(zhì)量M2<1.2、波長(zhǎng)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(kuò)散結(jié)結(jié)構(gòu)晶硅基電池與異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)硅基電池在0.1~1W/cm2輻照下的激光接收轉(zhuǎn)換性能。當(dāng)激光平均輻照為0.2W/cm2時(shí)，擴(kuò)散結(jié)結(jié)構(gòu)晶硅基電池的PCE可達(dá)26.88%，而異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)硅基光伏電池在激光平均輻照為0.1W/cm2時(shí)的PCE最高，為27.78%。
GaAs基激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展
Viacheslav Andreev等設(shè)計(jì)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(qiáng)度5~200W/cm2條件下激光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換特性。
在控制器件溫度恒定條件下，隨著輻照強(qiáng)度增加，開(kāi)路電壓不斷提高，當(dāng)輻照強(qiáng)度從5W/cm2提升至200W/cm2時(shí)，器件開(kāi)路電壓由1.1~1.15V提升至1.2~1.26V。
激光光伏電池PCE最高可達(dá)56％。隨著激光波長(zhǎng)從600nm增加至850nm，GaAs基激光光伏電池的效率也在不斷提高，當(dāng)激光波長(zhǎng)大于850nm以后，器件效率迅速降低，其原因是當(dāng)激光波長(zhǎng)大于850nm后，光子能量不足以驅(qū)動(dòng)GaAs材料中的電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。
他們制備了由8個(gè)子電池扇區(qū)串聯(lián)而成的高輸出功率GaAs電池陣列，總面積為2.45cm2，在波長(zhǎng)820nm和平均輻照強(qiáng)度8.5W/cm2條件下實(shí)現(xiàn)了輸出電壓8.8V，最大輸出功率近10W。
Henning Helmers等設(shè)計(jì)制備一種薄膜單結(jié)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(zhǎng)860nm、輻照強(qiáng)度9.6W/cm2的非均勻激光輻照下，器件效率為67.3%，通過(guò)激光光伏電池串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超過(guò)12V的輸出電壓。
KHVOSTIKOV等設(shè)計(jì)制備了具有線性和非線性折射率變化AlGaAs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的GaAs激光光伏電池，所制備的2mm2激光光伏電池在激光波長(zhǎng)850nm、平均輻照強(qiáng)度5W/cm2(非均勻輻照)條件下效率為49%。
當(dāng)表面波導(dǎo)折射率呈線性、指數(shù)和對(duì)數(shù)關(guān)系變化時(shí)，激光光伏電池表面輻照強(qiáng)度不同，采用折射率指數(shù)變化的表面波導(dǎo)可以將激光光伏電池p-n結(jié)處的峰值輻照強(qiáng)度降低，對(duì)于高功率激光輻照時(shí)，采用這種結(jié)構(gòu)有望獲得更高的效率。
Ding Yanwen等制備了尺寸為3mm×3mm的四結(jié)和六結(jié)GaAs激光光伏電池，未封裝的激光光伏電池在波長(zhǎng)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(jié)GaAs基激光光伏電池，經(jīng)過(guò)TO封裝后，六結(jié)GaAs基激光光伏電池可以輸出最大1.08W的功率。
隨后，他們又對(duì)尺寸3mm×3mm的六結(jié)激光光伏電池器件制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過(guò)TO封裝的激光光伏電池可在波長(zhǎng)808nm、輻照功率2.246W的情況下輸出1W的電功率，效率可達(dá)44.5％。
FAFARD等對(duì)GaAs基激光光伏電池進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究分析，采用垂直外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制備了直徑2.1mm(面積3.46mm2)、結(jié)數(shù)在2~20之間的多結(jié)GaAs基激光光伏電池器件，通過(guò)電池材料的吸收系數(shù)和電流匹配原則，對(duì)每一層的厚度進(jìn)行精細(xì)的仿真計(jì)算。
激光光伏電池頂部設(shè)計(jì)了較厚的窗口層，有利于高輻照強(qiáng)度下載流子收集。
他們?cè)?span lang="EN-US">25℃測(cè)試溫度下采用波長(zhǎng)850nm、輻照功率5W的非均勻輻照激光評(píng)測(cè)了不同結(jié)數(shù)GaAs基激光光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。其中PT12(12結(jié))GaAs基激光光伏電池的開(kāi)路電壓13.96V，效率高達(dá)64.3%；PT20(20結(jié))GaAs基激光光伏電池的開(kāi)路電壓高達(dá)23.29V，效率為60.3%。
當(dāng)GaAs基激光光伏電池的溫度從25℃提升至105℃時(shí)，多結(jié)激光電池的開(kāi)路電壓均有一定程度降低，溫度系數(shù)約為-0.05%/℃。采用波長(zhǎng)841nm、輻照功率2.19W的激光輻照時(shí)，PT12(十二結(jié))器件的效率高達(dá)66%。
Henning Helmers等開(kāi)展了GaAs基激光光伏電池的光吸收優(yōu)化研究，采用830nm激光輻照吸收層厚度3μm的GaAs基激光光伏電池時(shí)，約有4.7%的激光光子能量變?yōu)榫Ц駸岫鴵p失，約有4.2%的激光因透射而沒(méi)有有效吸收。
隨后他們研究了器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在激光光伏電池有源層下方引入背面反射器(BSR)來(lái)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(yīng)來(lái)提高近帶隙光子的光譜吸收率，使接近帶隙的頻譜響應(yīng)最大化，實(shí)現(xiàn)光子傳輸和熱損失的最小化。
他們制備了面積為0.054cm2的GaAs基激光光伏電池，使用光 子能量更接近禁帶寬度的858nm激光，在平均輻照強(qiáng)度11.4W/cm2時(shí)激光-電轉(zhuǎn)換效率68.9%，這也是目前實(shí)驗(yàn)報(bào)道的最高效率值。
InGaAs基激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展
GaAs基激光光伏電池盡管已經(jīng)取得了非常高的激光-電轉(zhuǎn)換效率，但是其截止吸收波長(zhǎng)在~870nm，無(wú)法將波長(zhǎng)更長(zhǎng)的激光能量轉(zhuǎn)換為電能，采用三元III-V族半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的吸收。
然而當(dāng)In含量提高到一定比例時(shí)，InxGa1-xAs材料的晶格尺寸與常用襯底(GaAs)出現(xiàn)晶格失配問(wèn)題，影響了InxGa1-xAs吸收層的生長(zhǎng)質(zhì)量。
Nikolay A. Kalyuzhnyy等在InGaAs吸收層外延生長(zhǎng)前預(yù)先生長(zhǎng)了多層異質(zhì)結(jié)緩沖層(七層)，通過(guò)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(zhì)結(jié)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In0.27Ga0.73As和In0.24Ga0.76As，其中In0.27Ga0.73As基激光光伏電池的截止吸收波長(zhǎng)1240~1280nm，In0.24Ga0.76As基激光光伏電池的截止吸收波長(zhǎng)藍(lán)移至1200nm左右。
與In0.27Ga0.73As基激光光伏電池相比，In0.24Ga0.76As基激光光伏電池在1064nm激光輻照下的光譜響應(yīng)略低一點(diǎn)，但其可以獲得更高的開(kāi)路電壓，最終獲得了更高的激光-電轉(zhuǎn)換效率，在波長(zhǎng)1064nm、輻照強(qiáng)度4.5W/cm2的激光輻照下，PCE為41.4%。
他們隨后又對(duì)In0.24Ga0.76As基激光光伏電池器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，研究了基區(qū)固定濃度摻雜(1×1018cm-3)和階梯濃度摻雜(5×1016~1.5×1018cm-3)對(duì)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(nèi)量子效率。
此外，通過(guò)引入漸變緩沖層可以降低位錯(cuò)密度，提升少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。
采用波長(zhǎng)1064nm、輻照功率0.25~1.00W的均勻強(qiáng)度激光輻照時(shí)，面積為0.0784mm2的In0.24Ga0.76As基激光光伏電池的PCE為44.9%，而采用相同波長(zhǎng)的非均勻強(qiáng)度激光輻照時(shí)，在高輻照功率時(shí)(0.3W)PCE明顯降低，這主要是由于更高強(qiáng)度光照的熱效應(yīng)導(dǎo)致器件開(kāi)路電壓和填充因子降低所致。
后來(lái)，他們又進(jìn)一步對(duì)InxGa1-xAs基激光光伏電池進(jìn)行了優(yōu)化研究，對(duì)吸收層的In含量進(jìn)行微調(diào)(In含量在0.22~0.26之間)，當(dāng)吸收層In含量為0.23時(shí)，激光光伏電池器件的性能達(dá)到最佳，在波長(zhǎng)1064nm、平均輻照強(qiáng)度5.2W/cm2(非均勻輻照)的激光照射下，In0.23Ga0.77As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In0.24Ga0.76As基激光光伏電池器件，通過(guò)引入多層異質(zhì)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(zhǎng)1080nm、平均輻照強(qiáng)度538mW/cm2的激光輻照下，效率為37.87%，開(kāi)路電壓0.63V，填充因子0.7571。
隨著激光平均輻照強(qiáng)度增大到978和1678mW/cm2后，器件的填充因子迅速降低至0.6807和0.6039。
基于其他材料的激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展
除了上述幾類(lèi)材料，其他幾類(lèi)材料也在激光光伏電池器件研究中嶄露頭角。Viacheslav Andreev等設(shè)計(jì)制備了帶有Bragg反射器結(jié)構(gòu)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(shí)，激光光伏電池的開(kāi)路電壓為0.57V，填充因子為0.75。在激光波長(zhǎng)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(duì)于特定結(jié)構(gòu)激光光伏電池器件，隨著激光波長(zhǎng)的減小，激光光子能量增大，光電轉(zhuǎn)換過(guò)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(zhǎng)減小而降低。
Mukherjee J等在InP襯底上制備尺寸5mm×5mm的InGaAsP基激光光伏電池，在激光波長(zhǎng)1.55μm、平均輻照強(qiáng)度為1kW/m2條件下，激光光伏電池的效率為45.6%。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室(溫度變化范圍16~26℃)和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)(溫度變化范圍為14~40℃)測(cè)試，結(jié)果表明所研制的InGaAsP基激光光伏電池的溫度系數(shù)約為-0.1%/℃。而在AM1.5太陽(yáng)光輻照下，InGaAsP基激光光伏電池的效率僅有13.3%。
Yuki Komuro等設(shè)計(jì)了尺寸為2.4mm×2.4mm的GaInP基激光光伏電池，通過(guò)引入分布式布拉格反射器(DBR)結(jié)構(gòu)改善了激光吸收性能，通過(guò)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(kuò)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(kāi)路電壓和填充因子。在激光波長(zhǎng)632nm、平均輻照強(qiáng)度1.1W/cm2條件下，GaInP基激光光伏電池的效率達(dá)到46%，在激光平均輻照功率密度高達(dá)17W/cm2時(shí)，GaInP基激光光伏電池的效率仍可達(dá)43%。
從上述各類(lèi)激光光伏電池技術(shù)發(fā)展來(lái)看，硅基激光光伏電池由于開(kāi)路電壓低且接近禁帶寬度處的光譜響應(yīng)較差，激光-電的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低。
GaAs基激光光伏電池和InGaAs基激光光伏電池分別在波長(zhǎng)分別為800~850nm和1000~1100nm激光輻照下能獲得高的激光-電轉(zhuǎn)換效率，目前GaAs基激光光伏電池的最高PCE已經(jīng)接近70%，而InGaAs基激光光伏電池的PCE也超過(guò)了50%。
從未來(lái)應(yīng)用來(lái)看，激光光伏電池技術(shù)還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
(1)高強(qiáng)度激光輻照下的器件穩(wěn)定性問(wèn)題。
盡管激光光伏電池器件有著更高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)高強(qiáng)度輻照有利于器件獲得更高的激光-電轉(zhuǎn)換效率，但是在實(shí)際應(yīng)用中，激光輻照往往是持續(xù)進(jìn)行的，熱量積累會(huì)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(jīng)接近70%，但是從目前文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果來(lái)看，高的激光-電轉(zhuǎn)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(zhì)量的外延生長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)器件柵電極集流和熱控制提出更高的要求。
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