激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展

倪 旺，劉興江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所化學(xué)與物理電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

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)(無人車、無人機(jī)等)在生活中占據(jù)越來越重要的位置，人們對(duì)這些電子產(chǎn)品設(shè)備的消費(fèi)體驗(yàn)要求越來越高。在電子產(chǎn)品設(shè)備使用過程中，當(dāng)其缺乏電能時(shí)，反復(fù)連線充電過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)[1-2]，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、航空航天器無線輸能等領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用前景。激光無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[3-4]。伴隨激光無線充電技術(shù)能夠帶來的無限可能，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)也越來越多地開展了激光光伏電池技術(shù)的探索研究。

盡管國(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)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

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(tǒng)的太陽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)的太陽能光伏組件。

激光光伏電池的材料體系和傳統(tǒng)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(jìn)展。

2 激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 Si 基激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展

Martin Green 等[5]以摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器為光源，測(cè)試了面積為4 cm2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)1 064 nm、平均輻照強(qiáng)度58.4 mW/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[6]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(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)1.07 μm 激光輻照下，隨著激光平均輻照強(qiáng)度從0.1 W/cm2提高到1.8 W/cm2，面積為1.21 cm2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[7]以光束質(zhì)量M2<1.2、波長(zhǎng)1 064 nm 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1 cm2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0.1～1 W/cm2輻照下的激光接收轉(zhuǎn)換性能。當(dāng)激光平均輻照為0.2 W/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0.1 W/cm2時(shí)的PCE 最高，為27.78%。

2.2 GaAs 基激光光伏電池技術(shù)研究進(jìn)展

Viacheslav Andreev 等[8]設(shè)計(jì)制備了面積為2 mm2的GaAs基激光光伏電池，并研究了激光平均輻照強(qiáng)度5～200 W/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，開路電壓不斷提高，當(dāng)輻照強(qiáng)度從5 W/cm2提升至200 W/cm2時(shí)，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(dá)56%。隨著激光波長(zhǎng)從600 nm 增加至850 nm，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850 nm 以后，器件效率迅速降低，其原因是當(dāng)激光波長(zhǎng)大于850 nm 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2.45 cm2，在波長(zhǎng)820 nm 和平均輻照強(qiáng)度8.5 W/cm2條件下實(shí)現(xiàn)了輸出電壓8.8 V，最大輸出功率近10 W。

Henning Helmers 等[9]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)860 nm、輻照強(qiáng)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(lián)，實(shí)現(xiàn)超過12 V 的輸出電壓。

KHVOSTIKOV 等[10]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2 mm2激光光伏電池在激光波長(zhǎng)850 nm、平均輻照強(qiáng)度5 W/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[11]，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[12]制備了尺寸為3 mm×3 mm 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)808 nm、輻照功率4.78 W 的激光輻照下可以輸出大于1.7 W 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TO 封裝后，六結(jié)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(duì)尺寸3 mm×3 mm的六結(jié)激光光伏電池器件制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化[13]，經(jīng)過TO 封裝的激光光伏電池可在波長(zhǎng)808 nm、輻照功率2.246 W 的情況下輸出1 W 的電功率，效率可達(dá)44.5%。

FAFARD 等[14]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2.1 mm(面積3.46 mm2)、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)?5 ℃測(cè)試溫度下采用波長(zhǎng)850 nm、輻照功率5 W 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路電壓13.96 V，效率高達(dá)64.3%；PT20(20 結(jié))GaAs 基激光光伏電池的開路電壓高達(dá)23.29 V，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)激光電池的開路電壓均有一定程度降低，溫度系數(shù)約為-0.05%/℃[15]。采用波長(zhǎng)841 nm、輻照功率2.19 W 的激光輻照時(shí)，PT12(十二結(jié))器件的效率高達(dá)66%。

Henning Helmers 等[16]開展了GaAs 基激光光伏電池的光吸收優(yōu)化研究，采用830 nm 激光輻照吸收層厚度3 μm 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%的激光因透射而沒有有效吸收。隨后他們研究了器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]，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(yīng)來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0.054 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(qiáng)度11.4 W/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。

2.3 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～870 nm，無法將波長(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)晶格失配問題，影響了InxGa1-xAs 吸收層的生長(zhǎng)質(zhì)量。

Nikolay A.Kalyuzhnyy 等[17]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0.078 4 cm2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)1 240～1 280 nm，In0.24Ga0.76As 基激光光伏電池的截止吸收波長(zhǎng)藍(lán)移至1 200 nm 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1 064 nm 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路電壓，最終獲得了更高的激光-電轉(zhuǎn)換效率，在波長(zhǎng)1 064nm、輻照強(qiáng)度4.5 W/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[18]，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)1 064 nm、輻照功率0.25～1.00 W 的均勻強(qiáng)度激光輻照時(shí)，面積為0.078 4 mm2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)(0.3 W)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)致器件開路電壓和填充因子降低所致。后來，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[19]，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)1 064 nm、平均輻照強(qiáng)度5.2 W/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[20]制備了更大尺寸(0.302 5 cm2)的In0.24Ga0.76As 基激光光伏電池器件，通過引入多層異質(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)1 080 nm、平均輻照強(qiáng)度538 mW/cm2的激光輻照下，效率為37.87%，開路電壓0.63 V，填充因子0.757 1。隨著激光平均輻照強(qiáng)度增大到978 和1 678 mW/cm2后，器件的填充因子迅速降低至0.680 7 和0.603 9。

2.4 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[8]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2 mm2。在激光輻照光生電流65 A/cm2時(shí)，激光光伏電池的開路電壓為0.57 V，填充因子為0.75。在激光波長(zhǎng)分別為1.68、1.55、1.315 μm 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[21]在InP 襯底上制備尺寸5 mm×5 mm 的InGaAsP 基激光光伏電池，在激光波長(zhǎng)1.55 μm、平均輻照強(qiáng)度為1 kW/m2條件下，激光光伏電池的效率為45.6%。經(jīng)過實(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 太陽光輻照下，InGaAsP 基激光光伏電池的效率僅有13.3%[22]。

Yuki Komuro 等[23]設(shè)計(jì)了尺寸為2.4 mm×2.4 mm 的GaInP基激光光伏電池，通過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，通過將GaInP 基激光光伏電池表面電極間距從485 μm 減小至115 μm，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路電壓和填充因子。在激光波長(zhǎng)632 nm、平均輻照強(qiáng)度1.1 W/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)17 W/cm2時(shí)，GaInP 基激光光伏電池的效率仍可達(dá)43%。

3 總結(jié)與展望

從上述各類激光光伏電池技術(shù)發(fā)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(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800～850 nm 和1 000～1 100 nm 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 也超過了50%。

從未來應(yīng)用來看，激光光伏電池技術(shù)還需要解決以下幾個(gè)問題：(1)高強(qiáng)度激光輻照下的器件穩(wěn)定性問題。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。

隨著激光光伏電池技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，筆者認(rèn)為激光無線充電技術(shù)很快將會(huì)在一些特定場(chǎng)景率先進(jìn)行示范應(yīng)用，并隨著物聯(lián)網(wǎng)、空天地海一體化協(xié)同等概念的發(fā)展而越來越多地滲透到人們的生活中，在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中，激光光伏電池技術(shù)將起到至關(guān)重要的作用。