激光电池光谱响应特性的研究

Laser photovoltaics are conversion devices transforming the laser beam to electric power. This kind of special device is the most important part of “wireless power transport technology” for its high conversion efficiency and power density, which can be applied for both military use and civil use. By now, the research on laser photovoltaics is deficient, and some basic issues are far from well understanding. In this project, we will build an ABX2 type chalcopyrite structure material for laser photovoltaics with a laser wavelength of 1064nm. Based on the investigation of “band edge absorption” and “high injection”, we will find out the factors influencing the spectral response characteristic for long wave and the methods to improve the band edge absorption ability. We will also study the carrier excitation, transportation and recombination behaviors under different injection levels to establish the relationship between conversion efficiency and incident power. This project provides new ideas and access for the development of laser photovoltaics.

激光电池是一种将激光能量转换为电能的特殊器件，它具有高转换效率、高能量密度等特点，是“无线能量传输技术”中的关键核心，具有广阔的军民两用前景。目前对激光电池器件的研究尚处于初级阶段，许多基础科学问题还没有得到深入认识和理解。本项目将针对ABX2型黄铜矿结构的材料体系特性构建1064nm波长激光电池，通过对“带边吸收”和“高注入”两个关键问题的深入研究，认识影响器件长波光谱响应能力的因素，掌握提高材料带边吸收能力的方法，认识光注入强度对于载流子激发、输运及复合等电学行为的影响规律，建立电池性能与入射光功率的内在关联。本项目能够为无线能量传输技术的发展提供新的思路和途径。

激光电池，是一种将激光（或高能量密度单色光）能量转换为电能的特殊器件，作为激光无线能量传输技术的核心，具有重要的研究价值与广泛的应用前景。当前研究者对于激光电池的研究主要致力于以GaAs等III-V族半导体材料光伏电池为基础的效率测试以及器件优化设计，并未有基于材料层面的相关理论研究。激光电池工作的物理机理决定了该器件的两大重要特征：带边吸收和高注入，而钙钛矿材料以其一系列优良的特性：理想的直接带隙、带边态密度高、光吸收系数高、载流子寿命长、缺陷能级浅等，很好地契合了激光电池的要求，具有作为单色光能量转换应用的潜在优势。.本项目以有机无机杂化卤素钙钛矿材料及器件为基础，从材料层面出发，对其单色光能量转换特性开展了系统的研究。为了实现钙钛矿材料禁带宽度与特定波长的激光相匹配，系统开展了混合卤素钙钛矿材料(FA,MA)Pb(I,Br)3（FA：甲脒基，MA：甲胺基）禁带宽度调控的研究。混合卤素钙钛矿材料禁带宽度的调控是通过调节组分中卤素比例实现的。制备了相应的钙钛矿薄膜与电池器件，薄膜的光学表征以及器件的电学测试显示出，卤素成分的改变成功实现了对混合卤素钙钛矿材料禁带宽度从1.55eV到1.8eV的线性调节。在禁带宽度调控结果的基础上，重点开展了钙钛矿电池器件的单色光转换性能的研究。系统研究了不同禁带宽度的钙钛矿电池器件在特定波长激光(683nm、733nm、786nm)下的光电转换特征，通过对带边附近单色光响应的分析，获得了钙钛矿器件在单色光能量转换过程中光谱响应特性；同时探究了不同能量密度条件下器件单色光能量转换性能的差异，获得了器件性能参数随单色光功率增加的变化规律，分析得出高能量密度条件下钙钛矿器件性能衰减的主要因素并提出了相应的解决方案。在683nm、100mW/cm2的单色光辐照条件下，钙钛矿器件获得了最高45%的光电转换效率。本项目的研究结果可以为未来单色光能量转换技术的研究及发展起到一定的借鉴作用。