激光功率轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于將電磁能轉換為電能的激光功率轉換器(LPC)器件。具體地講，本發(fā)明涉及一種被優(yōu)化以接收期望波長的電磁輻射的LPC。
【背景技術】
[0002]用于將電磁能轉換為電能的器件到如今已經(jīng)存在了幾十年。這些器件常常稱為光伏器件。任何此類器件的基本特性是其效率，即，與接收的電磁能相比提取的電能的量。光伏電池設計的目標是實現(xiàn)最高可能效率，即，從接收的給定量的電磁能提取盡可能多的電會K。
[0003]最常見形式的光伏器件也許是太陽能電池，其被設計為利用太陽能來產(chǎn)生電能。從袖珍計算器到太陽能飛行器的廣泛應用中均可找到太陽能電池。在嘗試使太陽能電池的效率最大化時的一個設計考慮是發(fā)射來自太陽的光的波長范圍。
[0004]還關注用于電力傳輸?shù)牧硪恍问降墓夥骷鹘y(tǒng)上，通過電線將電力從其源頭輸送至其使用地點。然而，利用光伏器件，可接收以高頻電磁輻射的形式傳輸?shù)哪芰俊?br>[0005]已做出努力來設計在電力傳輸系統(tǒng)內(nèi)從窄光譜線寬光源(通常為激光器)接收能量的光伏器件。例如，電驅(qū)動激光器可生成電磁輻射，所述電磁輻射繼而可被光伏器件接收，該光伏器件能夠?qū)㈦姶泡椛滢D換回電能。在這種情況下光伏器件常常被稱作激光功率轉換器(LPC)。
[0006]一般來說，使用光伏器件的電力傳輸適合于傳統(tǒng)電線或者遭受不想要的電磁干擾或者難以安裝的情況。例如，電線在緊鄰高壓時會面臨干擾。如果通過光纖線纜以電磁輻射的形式輸送能量，則這種干擾影響是可忽略的。使用光纖線纜的附加優(yōu)點是降低不想要的電火花(這在許多情況下會很危險)的可能性。
[0007]在難以或無法安裝任何類型的線纜的情況下應用光伏器件來進行電力傳輸可允許通過自由空間來傳輸電磁能。例如，圍繞地球運行的衛(wèi)星處于理想位置來利用太陽能生成電能?？赏ㄟ^激光器將該能量利用光束發(fā)射至地面，隨后可在接收站處通過光伏電池將它重新轉換為電能。這可允許將能量傳輸至出于實際原因無法連接到現(xiàn)有電源的地面區(qū)域。
[0008]另外，LPC還可用于包括用于醫(yī)學診斷的皮下電器件的遠程供電及相關應用、電子設備的視距無線供電在內(nèi)的應用。
[0009]由激光器生成的電磁輻射基本上是單色的，即，與從太陽發(fā)射的寬的波長范圍相比，激光器在非常窄的波長范圍上發(fā)射。因此，使LPC器件的效率最大化的設計考慮不同于使太陽能電池的效率最大化的設計考慮。
[0010]例如，V.Andreev 等人在 “High current density GaAs and GaSb photovoltaiccells for laser power beaming，，(Photovoltaic Energy Convers1n Conference，第761頁(2003))中報告了基于GaAs的光伏器件在820nm至850nm區(qū)域內(nèi)的波長下實現(xiàn)了 50%以上的效率。此文獻描述了形成在GaAs基板上的光伏器件，所述光伏器件包括由AIAs和GaAs的交替層形成的分布式布拉格反射器，以便增加器件在830nm到870nm之間的波長下的響應率。該文獻還描述了在電力傳輸中使用在1315nm的波長下運行的碘激光器，并且研宄了基于GaSb基板的光伏器件接收此波長的電磁輻射的概率。
[0011]A.ff.Bett 等人在 “Ill-V solar cells under monochromaticilluminat1n”(Photovoltaic Specialists Conference，第 I 頁(2008))中比較了利用具有由不同材料(即，GaAs、GalnP和GaSb)形成的有源區(qū)域的光伏器件實現(xiàn)的效率。利用GaAs有源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了 54%的峰值效率，該峰值在810nm左右的波長下實現(xiàn)。該文獻還描述了采用分布式布拉格反射器的雙結GaAs光伏器件。
[0012]盡管設計用于特定波長的LPC的上述努力已得到一些成功，但是它們的應用受到限制。具體地講，盡管實現(xiàn)了 50%以上的最大效率，但是這是在810nm至870nm左右的波長下實現(xiàn)的。實際上，此類波長的使用有限。例如，在此波長下，電磁輻射不是“對人眼安全的”和對皮膚安全的。“對人眼安全的”輻射出現(xiàn)在1.4μπι左右及以上的波長，與較短波長下的輻射相比基本上降低了對人眼造成損害的風險。對人眼安全的輻射通常被認為是對皮膚安全的。顯然在使用激光器來傳輸電力時使用對人眼安全的輻射是有益的。
[0013]具有在810nm至870nm左右的區(qū)域內(nèi)的波長的電磁輻射的另一缺點是此類輻射在其穿過傳統(tǒng)光纖或大氣時發(fā)生的衰減。在任一情況下，能量在被光伏器件接收之前損失。
[0014]出于這些原因，已對使用較長波長的電磁輻射的電力傳輸進行了研宄。然而，在較長波長下實現(xiàn)的效率與SOOnm區(qū)域中的效率相比降低了許多。
[0015]S.J.Wojtczuk等人在“Long-wavelength laser power converters for opticalfiber(Photovoltaic Specialists Conference，第 971 頁(1997))中討論了用于接收波長為1.55 μπι和2.1 ym的電磁輻射的光伏器件。在這種情況下，該文獻描述了使用形成在InP晶片上的InGaAs的光伏器件。使用InGaAs的光伏電池的報告的最大效率在1.55 ym的波長下為35%左右。
[0016]H.Miyakawa等人在“Photovoltaic cell characteristics for high-1ntensitylaser light”(Solar Energy Materials&Solar Cells，第 253 頁(2005))中也描述了InGaAs/InP光伏器件。然而，此文獻中描述的峰值效率在1480nm的波長下為24%左右。
[0017]可以看出這兩個系統(tǒng)中實現(xiàn)的效率非常低，甚至沒有接近50%。具有這樣效率的器件在實際LPC系統(tǒng)中的益處有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于接收波長為約1550nm的入射電磁輻射的激光功率轉換器‘LPC’器件，該LPC包括:基板；以及有源區(qū)域，該有源區(qū)域包括η摻雜層和P摻雜層，所述η摻雜層和P摻雜層由InGaAsP形成，所述有源區(qū)域被布置為吸收具有約1550nm的關聯(lián)波長的電磁輻射的光子；其中，所述InGaAsP與所述基板晶格匹配。
[0019]與已知LPC相比，該LPC器件將1550nm輻射轉換為電能的效率可增加。例如，效率在IkWnT2的功率密度(太陽能電池效率通常所引用的在地球表面由太陽提供的功率密度)下可為至少44%，并且可為50%以上。
[0020]當光子在光伏器件的有源區(qū)域中生成載流子對時，這涉及橫跨帶隙從價帶至導帶激發(fā)電子。通過此過程形成的電能非常接近于吸收材料的帶隙能(形成的能量接近于帶隙，等于準費米能級的間距乘以電子的電荷)。如果入射光子的能量小于帶隙，則它不被吸收，無法激發(fā)電子，沒有生成電能。另一發(fā)明，如果入射光子的能量大于帶隙，則可激發(fā)電子，但是任何多余能量在可被提取到外部電路之前作為熱損失到系統(tǒng)。所述多余能量稱為量子虧損。通過適當?shù)剡x擇InGaAsP合金組成，從而對于一定范圍的操作條件在由量子虧損引起的損失與器件中的能態(tài)密度的增加帶來的增益之間實現(xiàn)適當平衡，InGaAsP有源區(qū)域的帶隙可被選擇為使得LPC器件的響應率在1550nm的波長下最大。這增加了器件的光電轉換效率或電池效率。
[0021]電磁波在基于二氧化硅的光纖線纜中的衰減在1.55 μm處最小，使得轉換此波長的輻射的LPC特別有用。此外，在此波長下存在大氣窗口(即，穿過大氣的電磁波的最小衰減)。如上所述，波長為1.4μπι以上的激光常常被稱為“對人眼安全的”，因為此頻率的光在可到達并損傷視網(wǎng)膜之前被眼睛中的角膜和水晶體強烈吸收。1.4 μπι及以上的波長對皮膚也是安全的。具體地講，最高至lKW/m2的功率密度，這些波長是對眼睛安全并且對皮膚安全的。因此，使用高于1.4 μπι的波長進行電力傳輸在安全方面是有利的。
[0022]與基板晶格匹配的InGaAsP有源區(qū)域可使由電子或空穴的缺陷相關復合引起的損失最小化。
[0023]所述有源區(qū)域優(yōu)選由InyGahAsxP^形成，其中分別為χ = 0.948,0.957,0.965、
0.968,0.972 或 0.976，y = 0.557,0.553,0.549,0.547,0.545 或 0.544。這些組成可從具有InGaAsP有源區(qū)域的LPC針對1550nm入射輻射實現(xiàn)最大轉換效率。這可在有源區(qū)域的環(huán)境溫度左右，最高至高于環(huán)境溫度30攝氏度左右的溫度下實現(xiàn)。
[0024]所述組成可平衡影響器件效率的因素，態(tài)密度、量子虧損以及吸收LPC中的有源區(qū)域的自熱(導致帶隙收縮)。由于例如上述效應，可選擇比1550nm長的波長下的帶隙以使1550nm輻射的吸收效率最大化。
[0025]由于InGaAsP的吸收在比帶隙波長短的波長下呈平穩(wěn)狀態(tài)，所以在接近于帶隙波長的波長下入射光子至電子的轉換效率(最終決定在單色照明下LPC的光電轉換效率)對于接近于帶隙波長的一定范圍的波長幾乎相同。因此，不止一種組成是可能的。