突破50%效率壁垒：短波红外多结激光功率转换器的设计与优化

这篇研究报道了首个在光纤传输窗口（1.3-1.6 μm）内实现53.6%转换效率的四结InGaAsP激光功率转换器（PPC）。通过建立包含发光耦合（luminescent coupling）效应的漂移扩散模型（drift-diffusion model），团队优化设计了吸收层厚度，解决了传统多结器件电流失配问题。该工作为远程供电系统（power-by-light）与5G通信的集成提供了关键技术突破。

　　

突破效率瓶颈的激光功率转换技术

在光电转换领域，突破50%效率壁垒一直是研究者追逐的目标。这项研究报道了在短波红外波段实现53.6%转换效率的多结激光功率转换器（PPC），为远程供电系统带来了革命性突破。

10结InGaAs PPC的性能突破
研究团队通过金属有机气相外延（MOVPE）技术制备了10结InGaAs PPC器件。这些2.2×2.9 mm²的芯片在1.52 μm激光照射下实现了46.4%的转换效率，开路电压达到5.78 V。值得注意的是，器件的最大功率点电压为5.01 V，完全满足标准电子设备（1.8 V/3.3 V/5 V）的供电需求。

创新性的厚度测量方法
研究团队开发了两种精确测量吸收层厚度的方法：反向偏压法和截面扫描电镜（XSEM）法。通过对比发现，两种方法测得的厚度差异仅为2.9%，验证了反向偏压法这一非破坏性测量技术的可靠性。该方法仅需一次测量就能确定多结器件的各层厚度，误差控制在5%以内。

发光耦合优化的设计突破
通过建立包含发光耦合效应的漂移扩散模型，研究人员发现传统吸收匹配设计的局限性。优化后的10结PPC设计将辐射光子逃逸概率降低了81%，短路电流增益提高了50%。模拟显示，当Shockley-Read-Hall寿命（τ_SRH）从0.11 μs提升到3 μs时，效率可进一步提高至57%。

波长与带隙的精细调控
研究探索了1.0-1.6 μm波长范围内PPC的性能表现。结果显示，效率随吸收层带隙增加而提升，最高可达67%。特别值得注意的是，在光子能量比带隙高35 meV时设计的器件（η_tol），在波长偏移±1%或带隙变化±15 meV时仍能保持最佳性能。

四结InGaAsP PPC的卓越表现
基于上述发现，团队制备了带隙0.8 eV的四结InGaAsP PPC。在1.446 μm激光照射下，该器件实现了53.6%的转换效率，输出电压超过2 V。测试显示，器件的性能在1-20 W/cm²辐照度范围内与模型预测高度吻合，验证了设计方法的可靠性。

技术突破的应用前景
这项研究为远程供电系统与通信基础设施的集成开辟了新途径。在光纤传输窗口内实现超过50%的转换效率，意味着可以大幅减少长距离（>1 km）供电所需的光纤数量和直径。此外，该技术还可应用于5G通信、太空探索等需要电隔离供电的场景。

未来发展方向
研究指出，采用透明前接触电极可进一步提升效率3%，而优化散热设计则能解决高辐照度下的性能衰减问题。通过机器学习算法优化PPC设计，有望在保持高效率的同时缩短外延生长时间，降低制造成本。

这项研究不仅展示了激光功率转换技术的最新突破，更为未来光电集成系统的发展提供了重要技术支撑。通过精确的模型指导和材料优化，研究者成功将理论预测转化为实际器件性能，为清洁能源和远程供电领域树立了新的技术标杆。