基于光束轮廓与光纤-器件间距对分段式GaAs光伏功率转换器性能的影响研究

《Solar RRL》：Influence of Beam Profile and Fiber-to-Device Separation on Segmented GaAs Photovoltaic Power Converters

　　

分段式光伏（PV）器件在光纤传能系统中对空间非均匀照明敏感，这会影响载流子生成及器件性能。本研究评估了光束轮廓和工作距离对一种四段式、直径为350 μm的GaAs基光伏电池在通过双包层光纤传输的准高斯与环形照明轮廓下的影响。光束传播由有效数值孔径和注入条件决定，从而导致每种轮廓具有不同的发散特性。光纤-器件间距在0至2 mm范围内变化，以确定最佳工作条件。在准高斯照明下，于照明密度为10.7 W/cm2、工作距离为1 mm时，获得了50%的峰值功率转换效率。在环形照明下，于更高照明密度、间距为0.4 mm时实现了47%的效率，相应的填充因子为81%。环形光束将光功率集中在器件边缘附近，减少了与隔离沟槽的相互作用，并改善了各段间载流子收集的均匀性。在照明密度为62.6 W/cm2的环形照明条件下，测得最大开路电压为4.81 V。这些结果表明，光束轮廓相关的发散特性和工作距离共同决定了分段式光伏器件的最佳照明条件。

论文解读：光束轮廓与工作距离对分段式GaAs光伏功率转换器性能的调控机制

**研究背景与问题提出**

光纤传能（power over fiber, POF）技术利用光纤将单色光传输至远端，通过光伏功率转换器（photovoltaic power converter, PPC）将光能转换为电能，为医疗植入设备、海底监测、5G远端天线单元及传感器网络等场景提供具有电流隔离和抗电磁干扰优势的供能方案。GaAs基单结PPC已实现超过60%的转换效率，但实际应用中常需3.3 V或5 V的供电电压。为此，可采用多段横向串联或多结纵向堆叠设计，其中分段式PPC因制造复杂度适中且子电池电流匹配对温度变化不敏感而受到关注。本文所研究的PPC针对导管内医疗应用，器件直径限制为350 μm，采用四段横向串联的p-on-n GaAs结构。在分段串联设计中，各段电压相加，理想情况下每段电流相等，因此对入射光斑的空间均匀性要求很高。实际经多模光纤传输的光束通常呈高斯型分布，中心强度高于边缘，容易导致各段光生电流失配；同时，隔离沟槽和金属栅线会遮挡入射光，造成光学损耗。现有研究多关注均匀光斑或平顶光斑，但对光束轮廓（如环形光束）以及光纤-器件间距如何影响分段器件性能的系统研究仍然缺乏。为此，研究人员拟通过控制双包层光纤（double-clad fiber, DCF）的注入条件产生准高斯光束和环形光束，考察不同光束轮廓及光纤-器件间距对四段式GaAs PPC电学性能的影响，探索改善载流子收集均匀性和提高转换效率的途径。

**研究内容与结论**

研究人员搭建了基于DCF的光束整形实验装置。通过将波长为851 nm的激光经透镜组耦合进DCF，采用轴向注入产生准高斯光束，耦合效率为96%；采用18°角倾斜注入产生环形光束，耦合效率为33%。光纤输出端面与器件表面的距离在0.4至2 mm范围内变化。利用相机记录不同间距下的光束二维强度分布，并计算落入350 μm直径有源区内的光束覆盖率。结果表明，准高斯光束在不同间距下覆盖率约为95%（2 mm时降至91%），而环形光束在0.4至0.6 mm间距下覆盖率为96%–97%。环形光束将光功率重新分配至器件边缘，降低了中心强度。

在电学性能测量中，研究人员记录了不同入射光功率（10–60 mW，对应名义照明密度10.7–62.6 W/cm2）下的I–V特性曲线，提取开路电压（V_oc）、短路电流（I_sc）、最大功率（P_max）、填充因子（FF）和功率转换效率（η）。主要结论如下：

（1）在低功率（10 mW）下，两种光束轮廓的P_max相近（约5.20 mW vs 4.66 mW），但环形光束在最大功率点对应电压更高（4.15 V vs 4.02 V）。高功率下，准高斯光束在1 mm间距时达到最佳性能，环形光束在0.4 mm间距时最佳，两者P_max相当（约27 mW），但环形光束的最大功率点电压（约4.18 V）明显高于准高斯光束（约3.78 V）。

（2）环形照明下V_oc始终高于准高斯照明。在60 mW入射光功率下，准高斯光束的V_oc为4.69–4.73 V（0.6–1 mm间距），环形光束在0.4 mm和0.5 mm间距下分别达到4.78 V和4.81 V，相对提升1.7%；0.6 mm间距时略降至4.77 V。

（3）I_sc随间距的变化趋势相反：准高斯光束下I_sc在0.8 mm附近达到峰值，然后因光斑溢出而下降；环形光束下I_sc随间距减小而增大，在0.4 mm时最大，随后因环形结构径向扩张导致重叠面积减少而降低。

（4）在最佳间距下，准高斯照明在10 mW时获得50.4%的η，随后随功率增加降至45%（60 mW），FF从85%降至76%；环形照明在50 mW时达到47%的η，FF从83%仅缓慢降至80%，显示出在高功率下更好的性能稳定性和电压特性。

**关键技术方法**

本研究采用以下主要方法：（1）基于DCF的角注入光束整形技术，通过改变激光入射角产生准高斯或环形光束轮廓；（2）光束轮廓表征与图像校正技术，利用Dino-Eye Edge相机在45°角采集光束图像，并以USAF 1951分辨率测试靶标定像素尺寸，经旋转和投影变换获得等效正向强度分布，计算有源区光束覆盖率；（3）I–V特性测试系统，在不同光纤-器件间距和入射光功率（10–60 mW）下测量PV参数。样本为自制的四段横向串联GaAs PPC，有源区直径350 μm，采用p-on-n同质结结构，具有AlGaAs前后场限制层及n⁺GaAs横向导电层，SiN减反射膜（320 nm），Ti/Pt/Au前金属栅线，隔离沟槽宽3 μm，沟槽和金属栅线面积占比分别为2.2%和1.4%。

**研究结果分述**

**（1）光束特性分析：** 准高斯光束呈散斑状强度分布，随间距增大逐渐扩展，覆盖率在0.4–1.0 mm内保持95%，2 mm时降至91%；环形光束呈环状分布，中心强度低，覆盖率在0.4–0.5 mm为97%，0.6 mm为96%，环形结构随间距增大向器件边界扩张，0.6 mm时与350 μm直径基本匹配。

**（2）I–V特性与最佳工作条件：** 准高斯照明和环形照明分别在1.0 mm和0.4 mm间距下获得最大P_max。环形照明在最大功率点电压上具有明显优势，高功率下仍保持较高输出电压。

**（3）开路电压行为：** 环形照明在所有功率和间距下均获得更高的V_oc，最高达4.81 V（0.5 mm，60 mW），而准高斯照明最高仅4.73 V（1 mm，60 mW）。V_oc随功率增加呈对数增长趋势，环形照明在高功率下增益更显著。

**（4）短路电流与光束重叠：** I_sc与光束轮廓和间距密切相关。准高斯光束通过适度扩展改善与有源区的重叠，最佳间距约0.8 mm；环形光束则受益于强约束，间距越小I_sc越大，最佳间距为0.4 mm。两者趋势相反，说明光生电流主要受光束轮廓决定的光学重叠效率控制。

**（5）效率与填充因子：** 准高斯照明在低功率下η达到50.4%，随功率增加下降至45%；环形照明在中等功率（50 mW）下η达47%，且FF下降幅度更小（83%–80%）。这表明环形照明通过重新分配光强至段边缘，减少了隔离沟槽附近的局部强吸收和金属栅线的电流拥挤效应，从而在高功率下维持较高的FF和电压输出。

**讨论与结论**

讨论部分指出，准高斯光束下最佳工作距离（1 mm）大于根据光纤数值孔径（NA）几何估算的距离，原因是多模光纤输出的近轴模式主导了光束发散，使光斑扩展速度低于预期。环形光束通过角注入产生，虽然耦合效率较低（33%），但能在高功率下提供更高的V_oc和更稳定的FF，改善器件对非均匀照明的耐受性。然而，环形光束的生成需以牺牲光源-光纤耦合效率为代价，实际应用中需在PPC性能提升与耦合损耗之间进行权衡。未来可通过采用更大芯径光纤和偏移注入技术来优化环形光束形成，并结合对齐过程中的实时光束监测，以改善控制精度和促进在POF系统中的实际部署。

研究结论可翻译为：这项工作展示了通过控制DCF注入条件形成环形光束，及其对具有350 μm有源直径的四段式GaAs PPC性能的影响。准高斯照明下的最佳器件性能在光纤-器件距离为1 mm时获得，该距离超过了基于光纤NA的几何估算值，突出了多模强度分布对有效光束发散的影响。环形光束将光强度重新分配至器件周边，从而增强了电压特性，在62.6 W/cm2（60 mW）下获得最大4.81 V的开路电压和工作电压超过4 V，同时保持约80%的填充因子，表明其对照明变化具有改善的耐受性。在环形照明下，最佳光纤-器件间距减小至0.4 mm，这由受限的环形强度分布决定。在所研究的条件下，环形配置改善了PPC响应，特别是在较高DCF输出功率下，但这一改善伴随因光束整形所需的角注入条件而导致的源至DCF耦合效率降低。这些结果将环形照明确定为一种用于调控横向互连分段PV器件中空间强度分布的光束整形方法，同时强调了平衡PPC性能与注入耦合效率的必要性。通过更大光纤直径和偏移注入技术进一步优化光束形成，并辅以对准过程中光束轮廓的实时监测，将改善控制精度并促进在POF系统中的实际实施。