激光电池技术研究进展及成果

激光无线充电技术有望成为下一代智能电子设备获取电能的重要方式。激光电池作为激光无线充电技术的核心部件，需要具备激光波长响应匹配好、接收激光功率密度高、光电转换效率高等特点。

激光无线充电技术作为一种新型充电技术，具有光束方向性好、充电目标尺寸匹配度高、灵活可移动、易于实现大功率远距离充电等优点。电力、航天飞行器无线能量传输等领域具有巨大的应用前景。电子产品设备在使用过程中，当电量不足时，反复的连接和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连续作业时间和作业半径。

激光电池的基本特性

激光电池的工作原理与传统的太阳能光伏电池基本相同，都是基于pn结的光伏效应。虽然两者的工作原理基本相同，但激光电池设计与太阳能光伏电池还是有很多区别的。

首先，激光电池接受单色或准单色光照射。选择合适带隙的半导体材料（当带隙略小于光子能量且量子效率高时）可以最大限度地利用光子能量，因此往往可以获得远高于光子能量的光电转换效率（PCE）太阳能光伏电池。

 

其次，激光电池接受的辐射强度远大于太阳光的强度，其器件的结构设计也与太阳能光伏电池有明显区别。最后，激光电池接受激光照射的均匀性比较差，其组件结构比传统的太阳能光伏组件难度大很多。激光电池的材料体系与传统太阳能光伏电池相似，主要包括Si材料、GaAs材料、InGaAs材料、GaSb材料等。

激光电池技术研究进展

硅基激光电池技术研究进展

Martin Green使用掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器作为光源，测试了面积为4cm2的单晶硅基电池的激光-电能转换特性。在测试温度25℃、波长1064nm、平均58.4mW/cm2激光照射下，硅基光伏电池的PCE接近40%，而同一器件在AM1下的效率值。 5太阳辐照条件下仅为23%。

Hiroaki Suzuki在单晶硅基激光电池表面镀上增透膜，并在背面引入背反射器结构，并采用集中式细栅电极结构，提高激光吸收效率。在波长为1.07μm的激光照射下，随着平均激光照射强度从0.1W/cm2提高到1.8W/cm2，面积为1.21cm2的硅基激光电池的光电转换效率从19.3%提高到24.2%。

 

GaAs基激光电池技术研究进展

Viacheslav Andreev设计并制备了面积为2mm2的GaAs基激光电池，研究了该激光电池在平均激光照射强度为5-200 W/cm2条件下的光电转换特性。在控制装置温度一定的情况下，开路电压随辐照强度的增加而不断增加。

当辐照强度从5W/cm2增加到200W/cm2时，器件的开路电压从1.1~1.15V增加到1.2~1.26V。激光电池PCE高达56%。随着激光波长从600nm增加到850nm，GaAs基激光电池的效率也在提高。当激光波长大于850nm时，器件效率迅速下降。

原因是当激光波长大于850nm时，光子能量不足以驱动GaAs材料中的电子从价带跃迁到导带。他们制备了由8个子电池扇区串联组成的高输出GaAs电池阵列，总面积为2.45 cm2，在820nm波长下实现了8.8V的输出电压，平均辐照强度为8.5W/cm2 .

最大输出功率近10W。Henning Helmers设计制备了薄膜单结GaAs基激光电池器件，采用MgF2/Ag作为背反射器，提高了激光的吸收效率。在此条件下，器件效率为67.3%，通过串联激光电池实现12V以上的输出电压。

KHVOSTIKOV 设计并制备了具有线性和非线性折射率变化的 AlGaAs 波导结构的 GaAs 激光电池。制备的2mm2激光电池效率为49%。当表面波导的折射率呈线性、指数和对数变化时，激光电池的表面照射强度不同。

使用折射率变化的表面波导可以降低激光电池pn结处的峰值照射强度。对于大功率激光器照射时，采用这种结构有望获得更高的效率。丁彦文制备了尺寸为3mm×3mm的四结和六结GaAs激光电池。

未封装的激光电池在波长为808nm、辐射功率为4.78W的激光照射下可输出1.7W以上的电能。六结GaAs基激光电池采用晶体管外形（TO）工艺封装。TO封装后，六结GaAs基激光电池最大输出功率可达1.08 W。

FAFARD对GaAs基激光电池进行了深入、系统的研究分析，设计制备了直径为2.1mm（面积3.46 mm2）、结数在2~20之间的多结GaAs基激光电池器件采用垂直外延异质结构，通过电池材料的吸收系数和电流匹配原理，精细模拟和计算各层厚度。

 

InGaAs基激光电池技术研究进展

虽然GaAs基激光电池已经实现了非常高的激光-电能转换效率，但其截止吸收波长为870 nm，无法将更长波长的激光能量转化为电能。采用三元III-V族半导体材料InxGa1-xAs，可以降低材料的禁带宽度（随着In含量的增加，禁带宽度减小），实现对更长波长激光的吸收。

但是，当In含量增加到一定比例时，InxGa1-xAs材料的晶格尺寸与常用衬底（GaAs）会出现晶格失配问题，影响InxGa1-xAs吸收层的生长质量。Nikolay A. Kalyuzhnyy 在外延生长 InGaAs 吸收层之前预生长了多层异质结缓冲层（七层）。通过缓慢增加In含量（每层In含量增加3.5%），衬底与多层和异质结缓冲层的晶格失配缓慢增加。

与In0.27Ga0.73As基激光电池相比，In0.24Ga0.76As基激光电池在1064nm激光照射下的光谱响应略低，但可以获得更高的开路电压，最终获得更高的激光电转换效率，在波长为1064nm、辐射强度为4.5W/cm 2 的激光照射下，PCE为41.4%。

然后他们优化了In0.24Ga0.76As基激光电池的器件结构，研究了基极的固定浓度掺杂（1×1018 cm-3）和阶跃浓度掺杂（5×1016 ~ 1.5×1018 cm-3）地区。3）对激光电池器件性能的影响，采用阶梯掺杂浓度的方法有效提高了器件的内量子效率。

此外，梯度缓冲层的引入可以降低位错密度，增加少数载流子的扩散长度。在波长为1064 nm、照射功率为0.25~1.00 W的均匀强度激光照射下，面积为0.078 4mm2的In0.24Ga0.76As基激光电池的PCE为44.9%，同时被照射通过具有相同波长的非均匀强度激光以高辐照度功率 (0.3W)。

PCE明显下降，这主要是由于较高强度光的热效应导致器件的开路电压和填充因子降低。

 

基于其他材料的激光电池技术研究进展

除了上述几类材料，在激光电池器件的研究中也出现了其他几类材料。Viacheslav Andreev 设计并制备了具有布拉格反射器结构的 GaSb 基激光电池，电池面积为 2mm2。当激光照射下光生电流为65A/cm2时，激光电池的开路电压为0.57V，填充因子为0.75。

在1.68、1.55和1.315 μm激光波长条件下，GaSb基激光电池的效率分别为49%、45%和39%。对于特定结构的激光电池器件，随着激光波长的减小，激光光子的能量增加。光电转换过程中的光子能量损失越来越大，激光电池的效率随着波长的减小而降低。

Mukherjee J 在 InP 衬底上制备了尺寸为 5 mm×5 mm 的 InGaAsP 基激光电池。在激光波长为1.55 μm、平均照射强度为1 kW/m2条件下，激光电池的效率为45.6%。经过实验室（温度范围16-26℃）和现场实验（温度范围14-40℃）测试，结果表明，所研制的InGaAsP基激光电池的温度系数约为-0.1%/摄氏度。

在AM1.5太阳光照射下，InGaAsP基激光电池的效率仅为13.3%。Yuki Komuro设计了一款尺寸为2.4mm×2.4mm的GaInP基激光电池。通过引入分布式布拉格反射器（DBR）结构提高了激光吸收性能，GaInP基激光电池的表面电极间距从485 μm减小到115 μm，降低了横向扩散电阻。

通过这两种方法，有效提高了GaInP基激光电池的开路电压和填充因子。在激光波长632 nm、平均照射强度1.1W/cm2条件下，GaInP基激光电池的效率达到46%。当平均激光照射功率密度高达17W/cm2时，GaInP基激光电池的效率仍可达到43%。 

总结与展望

从上述各种激光电池技术的发展来看，硅基激光电池由于开路电压低、禁带附近的光谱响应差，激光电转换效率相对较低。GaAs基激光电池和InGaAs基激光电池在波长为800-850nm和1000-1 100nm的激光照射下分别可以获得较高的激光-电转换效率。

 

目前GaAs基激光电池的最高PCE接近70%。InGaAs基激光电池的PCE也超过50%。从未来的应用来看，激光电池技术还需要解决以下问题：

• 器件在高强度激光照射下的稳定性

虽然激光电池器件具有较高的光电转换效率，高强度照射有利于器件获得较高的激光-电转换效率，但在实际应用中，激光照射往往是连续进行的，热积累会大大减少。 

• 高性能大面积激光电池器件的制备

虽然目前激光电池器件的最大效率接近70%，但在小面积器件下往往能获得较高的激光-电转换效率值。器件面积的增加不仅需要更高质量的外延生长，而且对器件栅极也有影响。电极电流采集和热控制提出了更高的要求。