如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，光伏裝置利用單光子吸收(SPA)過程操作，其中光子具有等于或大于半導(dǎo)體本體帶隙的能量，所述半導(dǎo)體本體具有產(chǎn)生單一電子-空穴(e-h)對的p-n結(jié)，如圖1A中所示。然后光子-產(chǎn)生的(有時也被稱為“光生的”)電子和空穴被利用p-n結(jié)二極管收集用于產(chǎn)生電功率。光生的電子和空穴橫跨p-n結(jié)的流動生成流經(jīng)本體的電流并且在本體的p和n區(qū)域處產(chǎn)生橫跨端端子的電壓。能量低于半導(dǎo)體帶隙能量的光子對e-h對的產(chǎn)生沒有貢獻。在半導(dǎo)體本體中流動的電流依賴于光生的電子和空穴的數(shù)量。橫跨端端子產(chǎn)生的電壓依賴于半導(dǎo)體本體的帶隙。能量超過該帶隙能量的光子將產(chǎn)生e-h對，其中超過該帶隙能量的能量將最終以熱量形式損耗(也已知為聲子損耗)。由于所有這些因素造成的細(xì)致平衡效率極限提供從寬帶光學(xué)能量源(比如像太陽那樣的熱黑體輻射器)至電能的能量轉(zhuǎn)換效率的上限。這被稱為肖克利-奎伊瑟極限。對于單一(一個帶隙)p–n結(jié)晶態(tài)半導(dǎo)體裝置來說，理論限制的功率效率近似31％。利用具有不同帶隙的大數(shù)量被疊加/串聯(lián)(tandem)的p-n結(jié)(每一個帶隙捕捉來自寬帶輻射的光子能量的一小部分/范圍)，對應(yīng)的理論極限增加。對于36個帶隙的疊加體來說，最大理論效率是72％【S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices.第二版，第798頁,John Wiley&Sons Inc.,New York(1981)；W.Walukiewicz,“Semiconductor Materials for Intermediate Band Solar Cells”,GCEP Solar Energy Workshop，2004年10月19日】。通過匯聚太陽光，可以進一步提高轉(zhuǎn)換效率。2013年9月，太陽能電池利用等效于297個太陽的強度集中實現(xiàn)了44.7％的效率，如由German Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems論證的【Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme ISE,Press Release,2013年9月23日】。

本質(zhì)上，半導(dǎo)體單一p-n結(jié)裝置的帶隙可被最優(yōu)化，以呈現(xiàn)對于特定黑體光譜(依賴于輻射器的溫度)的最大轉(zhuǎn)換效率。以超過肖克利-奎伊瑟極限的效率將更大部分的黑體光譜轉(zhuǎn)換成電功率所需的努力使用具有多個帶隙的本體，它們被豎直地(比如串聯(lián)電池)或側(cè)向地(比如在光譜被分束的系統(tǒng)中)組裝。當(dāng)前用于將光功率(電磁輻射)，比如來自黑體源(比如太陽)或熱輻射源(比如來自火爐的火焰或廢熱)的光，轉(zhuǎn)換成電功率的SPA光伏(PV)過程在其能量轉(zhuǎn)換效率方面受基本的肖克利-奎伊瑟極限的限制。將太陽光轉(zhuǎn)換成電能的商業(yè)上可獲得的硅太陽能電池具有約20％的轉(zhuǎn)換效率；對于單一p-n結(jié)太陽能電池裝置來說，最高理論效率如上所述被限制為近似31％。通過使用聚光器(還已知為聚光器光伏或CPV)技術(shù)增加入射太陽光的強度集中，在光學(xué)聚光比為1000時將效率提高到近似37％在理論上是可能的【S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices.第二版，第798頁,John Wiley&Sons Inc.,New York(1981)；G.Gabetta,“High Efficiency Photovoltaic power plants:the II-V compound solar cells,2011CESI】。然而，在不降級本體中材料的情況下，光(單位面積功率)集中不能被增大到超出特定閾值。提高效率的另一方法是通過利用其中半導(dǎo)體具有不同帶隙的一系列裝置、吸收來自黑體輻射的寬能光譜。這已經(jīng)在PV工業(yè)上使用了，用來制造串接(tandem)太陽能電池(利用上下放置的3個不同的半導(dǎo)體，也已知為三結(jié)電池)，效率接近40％。然而，這些裝置非常昂貴并且僅在特定條件下工作高效。

四十多年來，已經(jīng)對通過下述方式增大有效的太陽能電池效率進行了密集的研究：多結(jié)裝置，多吸收路徑太陽能電池(利用碰撞電離多激子產(chǎn)生)，多能級太陽能電池(利用定域能級或中間帶)，多光譜太陽能電池(利用光子的上下轉(zhuǎn)換)，多溫度太陽能電池(利用熱載流子使用)，稀釋II-VI族氧化物半導(dǎo)體電池(ZnMnOTe)，和太陽能熱光伏(TPV)。這些SPA技術(shù)包括：1)疊加不同帶隙的半導(dǎo)體以收集更寬的光譜帶；2)通過戰(zhàn)略優(yōu)化單個p-n結(jié)以最小化電荷載流子(電子和空穴)復(fù)合；3)通過平衡吸收、不輻射過程、輻射損失、和載流子擴散長度來優(yōu)化有源區(qū)域厚度；(4)其他提高方法包括：修改電池的表面結(jié)構(gòu)以及使用多層涂層，這被設(shè)計用于通過干涉將光耦合到結(jié)構(gòu)內(nèi)，以及將光散開到捕捉被較弱地吸收的波長的表面的傾斜角度；(5)詳細(xì)的建議已經(jīng)包括量子點，但它們的效率還沒有接近常規(guī)方法；(6)居間態(tài)電池已經(jīng)制造出來，但效率低于常規(guī)能級；以及(7)通過逆俄歇效應(yīng)進行多激子產(chǎn)生也已經(jīng)得到論證，當(dāng)現(xiàn)有裝置的性能不良。上述方法僅提供了實現(xiàn)高效裝置所必須的標(biāo)準(zhǔn)的子集。理想的PV裝置需要滿足下述標(biāo)準(zhǔn)以證明最高的理論轉(zhuǎn)換效率：零串聯(lián)電阻，無窮大分路電阻，零表面復(fù)合(優(yōu)選鈍化表面)，PV材料中的零斷層或擴展缺陷，極高載流子壽命(需要最高質(zhì)量的單晶體)，P+IN+結(jié)構(gòu)(用于高效載流子收集)，全抗反射(AR)涂層加帶文理的頂表面，用于光子循環(huán)的背面反射器，背面場(電)分布(用于載流子限制)，優(yōu)選直接帶隙半導(dǎo)體(GaP，GaAs，InP，GaSb，CdTe等等)，高光學(xué)聚集，低操作溫度。雖然為了實現(xiàn)上述標(biāo)準(zhǔn)中的許多標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進行了四十多年的研究，但這在多個前沿仍是挑戰(zhàn)。

在本領(lǐng)域內(nèi)還已知，非線性雙光子吸收(TPA)是非線性多光子光學(xué)過程，其中(來自入射輻射的)兩個光子分別具有比半導(dǎo)體的帶隙能量小的能量，它們具有相同或不同的波長(或頻率)，它們在本體中被同時(通常在一納秒內(nèi))吸收，由此本體中的電子被從較低能量電子態(tài)(通常是基態(tài))升高到較高能量電子態(tài)，如圖1B中所示；參考論文：S.Fathpour,K.Tsia和B.Jalali,“Two-Photon Photovoltaic Effect in Silicon”,IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.43,p.1211,2007,和B.Jalali；S.Fathpour“Silicon Photonics”,IEEE Journal of Lightwave Technology,vol.24,p.460,2006；M.B.Haeri,S.R.Kingham,和P.K.Milsom,“Nonlinear absorption and refraction in indium arsenide”,J.Appl.Phys.99(1),013514,2006；以及K.W.Berryman和C.W.Rella,“Nonlinear absorption in indium arsenide”,Phys.Rev.B,55(11),7148-7154,1997。這里提及的較低和較高態(tài)之間的能量差等于或小于這兩個光子中每一個的能量的和，如圖1B所示。

這是非線性TPA和SPA過程之間的另一個本質(zhì)區(qū)別。更具體地，吸收系數(shù)α的倒數(shù)定義了光子在被材料吸收前傳播的平均距離。通過微分下面的方程，吸收系數(shù)描繪的是當(dāng)光傳播經(jīng)過材料時的光子強度(單位面積功率)，其中α是吸收系數(shù)，并且I(z)是在介質(zhì)內(nèi)的位置z處的光子束強度；其中可被認(rèn)為是當(dāng)光傳播經(jīng)過材料時的強度吸收速率。對于光子能量等于或超過半導(dǎo)體帶隙的情況，用于單光子吸收(SPA)過程的吸收系數(shù)依賴于特定的半導(dǎo)體材料和光子能量。吸收系數(shù)近似是獨立于光束強度的常數(shù)。

在足夠高的光強度處，非線性多光子過程能夠支配吸收。作為例子，非線性簡并雙光子吸收(TPA)是非線性多光子過程的特殊情況。(術(shù)語簡并是指每個光子具有相同的能量)。在這種情況下，對于每個光子分別具有小于帶隙的能量的兩個光子來說，非線性TPA過程使光子組合以使電荷載流子(電子)從價帶升高到導(dǎo)帶。

與SPA過程不同，在簡并TPA過程中，本體的光學(xué)吸收系數(shù)(α)與入射光的光強度(I)成正比，α＝βI，其中β是依附于材料特性的比例常數(shù)。對于非線性簡并TPA過程的簡化表述可以通過控制TPA吸收的、依賴于材料的非線性吸收系數(shù)β通過下述簡化方程來表述，

因此簡并TPA的區(qū)別特征是光被材料的吸收率取決于光強度的平方。這不同于SPA，在SPA中光的吸收率相對于輸入光強度是線性的。

TPA已經(jīng)與相干輻射源一起使用，用于包括光功率限制器的多種應(yīng)用。對于光功率限制器來說，在具有強非線性效應(yīng)的材料中，光的吸收隨強度增加使得，超出了特定的輸入強度，輸出強度會接近恒定值。這種材料可用于限制進入系統(tǒng)的光功率的量值。這可以用于保護昂貴或敏感的裝置、比如傳感器，可以用在護目鏡中，或可以用于控制激光束中的噪音。

雖然已經(jīng)通過將本體暴露于來自激光器的相干輻射中而產(chǎn)生了TPA，但發(fā)明人認(rèn)識到提供下述的光伏系統(tǒng)會導(dǎo)致用于電功率產(chǎn)生的便宜、高效的系統(tǒng)和方法，所述光伏系統(tǒng)響應(yīng)于非相干輻射直接產(chǎn)生電功率，例如從太陽光通過非線性多光子吸收或非線性TPA產(chǎn)生這種電功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開，提供了一種利用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的方法。

在一個實施例中，所述非線性多光子吸收發(fā)生在一本體中，并且所述非相干光在傳遞到本體之前經(jīng)過光學(xué)聚光系統(tǒng)。

在一個實施例中，提供了一種產(chǎn)生電功率的方法，包括：在一本體中產(chǎn)生多光子非線性吸收，本體具有預(yù)定帶隙，包括將本體置于來自非相干輻射源的光子中，所述光子具有低于本體帶隙的能量。

在一個實施例中，非相干光具有多個不同的頻率。

在一個實施例中，非相干光具有在最小波長和最大波長之間的一連續(xù)區(qū)間的不同頻率。

在一個實施例中，提供了一種方法，包括，在將一本體置于磁場中的同時，將高強度(單位面積功率)非相干能量引導(dǎo)至本體內(nèi)并且利用非線性多光子吸收過程將本體中的非相干寬光譜帶光能轉(zhuǎn)換成電功率。

在一個實施例中，提供了一種方法，包括，在將一本體置于磁場中的同時，將指定偏振態(tài)的高強度(單位面積功率)非相干寬光譜帶能引導(dǎo)至本體內(nèi)并且利用非線性多光子吸收過程將本體中的非相干寬光譜帶光能轉(zhuǎn)換成電功率。

在一個實施例中，提供了一種方法，包括，在將一本體置于電場中的同時，將高強度(單位面積功率)非相干寬光譜帶能引導(dǎo)至本體內(nèi)并且利用非線性多光子吸收過程將本體中的非相干寬光譜帶光能轉(zhuǎn)換成電功率。

在一個實施例中，提供了一種方法，包括，在將一本體置于磁和電場中的同時，將指定偏振態(tài)的高強度(單位面積功率)非相干寬光譜帶能引導(dǎo)至本體內(nèi)并且利用非線性多光子吸收過程將本體中的非相干寬光譜帶光能轉(zhuǎn)換成電功率。

根據(jù)本公開，一種電功率產(chǎn)生系統(tǒng)被提供，其包括：具有預(yù)定帶隙的本體；和，具有帶通濾光器的光學(xué)系統(tǒng)，所述帶通濾光器用于將以一預(yù)定頻帶經(jīng)過濾光器并且具有預(yù)定強度的非相干輻射，比如具有紅外線、可見光和紫外線輻射的太陽光，引導(dǎo)至本體的內(nèi)部區(qū)域，所述本體的帶隙高于經(jīng)過的輻射中的光子的能量，所述本體中的強度足以使本體在非線性多光子吸收模式下操作。

根據(jù)本公開，提供了一種方法，包括利用非線性多光子吸收將非相干光能轉(zhuǎn)換成電功率。

在一個實施例中，提供了一種產(chǎn)生電功率的方法，包括：在一本體中產(chǎn)生多光子非線性吸收，本體具有預(yù)定帶隙，包括將本體置于來自非相干輻射源的光子中，光子具有低于本體帶隙的能量。

在一個實施例中，所述非線性多光子吸收發(fā)生在一本體中，并且在所述本體中產(chǎn)生所述非線性多光子吸收。

在一個實施例中，所述非線性多光子吸收發(fā)生在具有預(yù)定帶隙能量的本體中，并且其中所述非相干光能包括具有低于所述預(yù)定帶隙能量的能級的光子。

在一個實施例中，本體是半導(dǎo)體本體。

在一個實施例中，所述非線性多光子吸收產(chǎn)生包括電子和空穴的載流子，并且包括在所述本體外面提供電路以為載流子提供電路徑。

在一個實施例中，所述本體被提供一對電極，所述一對電極與所述本體歐姆接觸，所述電路徑被提供在所述一對電極之間。

在一個實施例中，所述光能具有大約10⁵W/cm²的光通量。

在一個實施例中，所述本體是基本的(elemental)，二元的，三元的，四元的或更高階構(gòu)成的半導(dǎo)體本體。

在一個實施例中，提供了一種在具有預(yù)定帶隙能量的本體中產(chǎn)生非線性多光子吸收的方法，包括將所述本體置于具有光子的非相干電磁輻射源中，所述光子具有比在所述本體內(nèi)產(chǎn)生載流子流的所述預(yù)定帶隙能量低的能量；以及將載流子耦合到所述本體外面的負(fù)載。

在一個實施例中，所述非相干光是多頻率非相干光，其中所述非線性多光子吸收是簡并和非簡并雙光子吸收(TPA)的組合。

在一個實施例中，所述非相干電磁輻射具有多個不同的頻率，并且所述非線性多光子吸收產(chǎn)生包括電子和空穴的載流子，并且包括在所述本體外面提供電路以為載流子提供電路徑。

在一個實施例中，所述非相干電磁輻射具有一連續(xù)區(qū)間的多個不同頻率，并且所述非線性多光子吸收產(chǎn)生包括電子和空穴的載流子，并且包括在所述本體外面提供電路以為載流子提供電路徑。

在一個實施例中，本方法包括將一本體置于非相干電磁輻射源中，所述非相干電磁輻射具有與光子強度(單位面積功率)I_k相關(guān)的光子能E_k，具有足夠的強度在所述本體中、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，由被吸收的功率在所述本體中產(chǎn)生電子-空穴對；以及將電子-空穴對轉(zhuǎn)換成橫跨所述本體的電勢。

在一個實施例中，本方法包括將一本體置于包含多個多頻率非相干電磁輻射的源中，所述電磁輻射具有與光子強度(單位面積功率)I_k相關(guān)的光子能E_k，具有足夠的強度在所述本體中、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，由被吸收的功率在所述本體中產(chǎn)生電子-空穴對；以及將電子-空穴對轉(zhuǎn)換成用于所述本體外面的負(fù)載的電功率。

在一個實施例中，本方法包括將一本體置于包含一連續(xù)區(qū)間的多頻率非相干電磁輻射的源中，所述電磁輻射具有與光子強度(單位面積功率)I_k相關(guān)的光子能E_k，具有足夠的強度在所述本體中、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，由被吸收的功率在所述本體中產(chǎn)生電子-空穴對；以及將電子-空穴對轉(zhuǎn)換成所述本體外面的電流。

在一個實施例中，提供了一種光伏裝置，包括：本體；被引導(dǎo)到本體上的多頻率非相干光的源，所述光具有與光子強度(單位面積功率)I_k相關(guān)的光子能E_k，具有足夠的強度在所述本體中、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，由被吸收的功率在所述本體中產(chǎn)生載流子；以及電極，其被連接到本體以接收載流子并且在所述本體外面產(chǎn)生電流。

在一個實施例中，本方法包括將本體置于電場。

在一個實施例中，一種方法包括利用本體中的非線性多光子吸收將光能轉(zhuǎn)換成電功率并且在該吸收期間將本體置于電場中，這增強了光子到電子-空穴載流子的轉(zhuǎn)換的躍遷可能性。

在一個實施例中，本方法包括將本體置于磁場。

在一個實施例中，磁場在本體中產(chǎn)生朗道能級能態(tài)。

在一個實施例中，一種方法包括利用本體中的非線性多光子吸收將光能轉(zhuǎn)換成電功率并且在該吸收期間將本體置于一磁場。

在一個實施例中，本方法包括將本體同時置于電場和磁場兩者。

在一個實施例中，一種電路被提供，包括：具有預(yù)定能量的光子的非相干輻射的源；和光伏裝置，其具有大于光子預(yù)定能量的帶隙，該裝置被定位成用于接收具有預(yù)定能量的光子以在非線性多光子吸收模式下操作。

在一個實施例中，一種電路被提供，包括：包括本體的光伏裝置；光子的源；磁場的源；其中光伏裝置利用本體中的非線性多光子吸收將來自光子的光子能量轉(zhuǎn)換成電功率并且在該吸收期間將本體置于磁場；以及橫跨光伏裝置連接的電裝置。

在一個實施例中，一種電路被提供，包括：包括本體的光伏裝置；光子的源；電場的源；其中光伏裝置利用本體中的非線性多光子吸收將來自光子的光子能量轉(zhuǎn)換成電功率并且在該吸收期間將本體置于電場；以及橫跨光伏裝置連接的電裝置。

在一個實施例中，一種電路被提供，包括：包括本體的光伏裝置；光子的源；磁場和電場的源；其中光伏裝置利用本體中的非線性多光子吸收將來自光子的光子能量轉(zhuǎn)換成電功率并且在該吸收期間將本體置于磁場和電場；以及橫跨光伏裝置連接的電裝置。

本方法利用本體、比如半導(dǎo)體本體中的非線性多光子吸收(MPA)比如雙光子吸收(TPA)過程，以利用能量小于半導(dǎo)體帶隙的光子并且因此捕獲一大部分黑體輻射用于產(chǎn)生電功率。

在本體被置于一磁場的同時，利用非線性低帶隙能量多-光子吸收將光能轉(zhuǎn)換成電功率的方法和光伏裝置被提供。磁場的應(yīng)用消除了半導(dǎo)體導(dǎo)帶、居間、和價帶的簡并。此消除簡并使得TPA躍遷系數(shù)能夠在磁朗道能級之間的躍遷處呈現(xiàn)峰值。躍遷率服從磁量子數(shù)選擇規(guī)則。朗道躍遷對應(yīng)于共振躍遷，這將大大提高躍遷率以及光生的電子-空穴電流。

本公開的一個或多個實施例的細(xì)節(jié)在附圖中以及在下面的描述中得以闡述。本公開的其它特征、目的和優(yōu)勢將從說明書和附圖以及從權(quán)利要求中變得顯然。

附圖說明

圖1A是示意出本體中的單光子吸收作用(SPA)的圖示；

圖1B是示意出本體中的雙光子吸收(TPA)的圖示；

圖2是根據(jù)本公開的、使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示；

圖3是根據(jù)本公開的另一實施例的、使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中被用作圖2中的光伏裝置的本體的可替代p-n結(jié)提供了比圖2中大的橫向于光束傳播方向的耗盡區(qū)；

圖4是使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中被用作圖2中的光伏裝置的本體具有根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的磁場；

圖4A和4B繪出在圖4的系統(tǒng)中、在存在磁場的情況下直接帶隙半導(dǎo)體的朗道能級之間的間帶和間-內(nèi)帶TPA躍遷；

圖5是使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中被用作圖2中的光伏裝置的本體具有根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的磁場，本體具有根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的、與圖4的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)不同的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)；

圖6A是使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中被用作圖2中的光伏裝置的本體具有聚光器光學(xué)結(jié)構(gòu)，用于通過適應(yīng)根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的非相干輻射源的隨機或固定偏振態(tài)來實現(xiàn)增強的性能；

圖6B是使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中被用作圖2中的光伏裝置的本體具有聚光器光學(xué)結(jié)構(gòu)，用于通過適應(yīng)根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的非相干輻射源的隨機或固定偏振態(tài)來實現(xiàn)增強的性能；該本體具有根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的、與圖4的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)不同的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)；

圖7是根據(jù)本公開的另一實施例的、利用一對堆疊本體、使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示；

圖8是根據(jù)本公開的另一實施例的、利用一對堆疊本體、使用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示；

圖9是使用一本體中的非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，該本體設(shè)置在利用一對堆疊的本體操作的一對本體之間，使用混合布置中的單光子吸收作用(SPA)，根據(jù)本公開的另一實施例；

圖10示出多光譜雙光子吸收和多光子吸收的益處；

圖11A-11B示出光伏裝置，其攔截在經(jīng)過圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后、向著相對于照射束具有兩個p-n結(jié)取向的本體的非相干輻射照射束；其中一個取向在圖11A中示出了而另一個在圖11B中示出了。圖11A-11B示出了根據(jù)本公開的另一實施例的照射束傳播方向；照射偏振態(tài)；p-n結(jié)界面，以及p-n結(jié)耗盡區(qū)電場的相對取向；

圖12A-12F示出根據(jù)本公開的另一實施例的光伏裝置，對于磁場和本體的各種取向來說，其利用如圖4中所示應(yīng)用的磁場、利用非線性多光子吸收、攔截經(jīng)過了圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后的非相干輻射照射束；

圖13A-13F示出根據(jù)本公開的另一實施例的光伏裝置，對于電場和本體的各種取向來說，其利用所應(yīng)用的電場、利用非線性多光子吸收、攔截經(jīng)過了圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后的非相干輻射照射束；

圖14A-14F示出根據(jù)本公開的另一實施例的光伏裝置，對于電場和磁場和本體的各種取向來說，其利用所應(yīng)用的平行的電場和磁場、利用非線性多光子吸收、攔截經(jīng)過了圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后的非相干輻射照射束；

圖15A-15F示出根據(jù)本公開的另一實施例的光伏裝置，對于電場和磁場和本體的各種取向來說，其利用所應(yīng)用的正交的電場和磁場、利用非線性多光子吸收、攔截經(jīng)過了圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后的非相干輻射照射束，其中本體具有相對于入射束的一種取向；

圖16A-16F示出根據(jù)本公開的另一實施例的光伏裝置，對于電場和磁場和本體的各種取向來說，其利用所應(yīng)用的正交的電場和磁場、利用非線性多光子吸收、攔截經(jīng)過了圖2的聚光器光學(xué)系統(tǒng)之后的非相干輻射照射束，其中本體具有與圖15A-15F中的本體取向不同的取向。

各圖中類似的參考標(biāo)記表示類似的元件。

具體實施方式

現(xiàn)在參考圖2，光伏裝置10被示出為具有本體12；光源14，例如，在這里是通過聚光器光學(xué)系統(tǒng)13引導(dǎo)至本體12上的非相干輻射黑體輻射體，例如太陽，或熱輻射源(比如來自火爐的燃燒或廢熱)。聚光器光學(xué)系統(tǒng)13包括輻射收集光學(xué)器件(13b)，光學(xué)濾譜器(15)，和聚光或聚集光學(xué)器件(13c)。本體12是具有預(yù)定帶隙的半導(dǎo)體本體，下面將要描述。聚光器光學(xué)系統(tǒng)13收集來自源14的光并且在其經(jīng)過帶通濾光器或光譜分光器15后將其聚焦到本體12上。濾光器或光譜分光器15具有頻率響應(yīng)，其被設(shè)計為將來自源14的非相干輻射的、具有下述特性光子的那一部分從聚光光學(xué)器件13c傳遞到本體12，其中所述光子的預(yù)定能量低于本體12的預(yù)定帶隙并且在本體12內(nèi)具有足夠的強度I(單位面積功率)，以使本體12在非線性多光子吸收模式下操作，與光子強度I_k相關(guān)的光子能E_k具有足夠的強度在本體內(nèi)、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，從而由被吸收的功率在本體12中產(chǎn)生載流子。例如，在這里，濾光器15可以是多層干涉，濾光器(rugate filter)，棱鏡或衍射光柵。為提供最大效率，從濾光器(或光譜分光器)發(fā)射的光可被引導(dǎo)至另一線性或非線性光伏裝置(未示出)。本體12具有一對電極16，18，它們被連接到本體12以接收電荷載流子并且產(chǎn)生通過負(fù)載19的電流，負(fù)載在這里用電阻器表示，所述負(fù)載在本體12外面通過導(dǎo)電線20連接到電極16，18，如圖所示用于提供完整的載流回路，由箭頭22指示。更具體地，本體12具有預(yù)定的帶隙能量。例如，在這里，本體12是單晶半導(dǎo)體本體，其具有形成p-n結(jié)28的p-型區(qū)域24和n-型區(qū)域26，生成的耗盡區(qū)30產(chǎn)生在本體12中，如圖所示。這里，在本例子中，本體12是第III-V組或列半導(dǎo)體，例如磷化銦(InP)P-N結(jié)結(jié)構(gòu)或三元材料，比如，Ga_xIn_1-xAs(其中0<x<1)半導(dǎo)體。例如，在這里，n-型區(qū)域26被摻雜有例如碲(Te)，摻雜濃度例如為1x10¹⁷cm^-3；p-型區(qū)域24被摻雜有鋅(Zn)，例如，摻雜濃度為5x10¹⁷cm^-3。電極16，18分別與p-型區(qū)域16和n-型區(qū)域18歐姆接觸，如圖所示。

這里，更具體地，例如，帶通濾光器或光譜分光器15傳遞波長大于1.06μm(對應(yīng)于低于1.17eV的光子能量)的非相干輻射。光束被收集和聚焦到位于本體12的耗盡區(qū)中心中的斑點29上。請注意光學(xué)輻射中的光子的能量低于InP的帶隙，該帶隙在300K(室溫)時是1.344eV。

這樣，電路包括：以非線性多光子吸收模式操作的光伏裝置10；和橫跨光伏裝置10連接的負(fù)載19。更具體地，本體12以非線性多光子吸收模式操作，通過將本體置于撞擊到本體12上的光強度I中，所述光具有能量低于本體12的預(yù)定帶隙能量的光子，例如，在這里光子具有低于E的能量，其中E是本體12的帶隙能量，并且與光子強度I_k相關(guān)的光子能E_k具有足夠的強度來在本體內(nèi)、以與N個光子強度的乘積，I₁xI₂x…xI_N，成比例的速率、產(chǎn)生功率為P的N-多光子吸收，其中N大于1，在本體12中生成電子(e)-空穴(p)對。這里，聚光光學(xué)器件13c將耗盡區(qū)30中的強度I增大至10⁵至1x10⁷瓦特每平方厘米范圍內(nèi)的光通量。

請注意接觸金屬應(yīng)盡可能靠近本體內(nèi)的電子-空穴對產(chǎn)生空間。固有內(nèi)置電場的存在(由于存在耗盡區(qū))將幫助分離各電子-空穴對。如果光子束在耗盡區(qū)外面被吸收，則必須避免電子-空穴對(在產(chǎn)生后)復(fù)合。其中光子束應(yīng)該優(yōu)選被聚焦或吸收的區(qū)域由分別位于半導(dǎo)體本體的p型側(cè)和n型側(cè)中的電子和空穴的擴散長度確定。例如，磷化銦(InP)具有用于n-型和p-型區(qū)域的低雜質(zhì)摻雜濃度，電子壽命＝2x10^-9秒而空穴壽命＝3x10^-6秒，則生成的空穴的擴散長度為40微米；并且電子的擴散長度為8微米【在線材料特性參考：http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/InP/electric.html】。半導(dǎo)體中典型的耗盡區(qū)寬度小于0.5μm，對應(yīng)于用于p型和n-型區(qū)域的10¹⁶cm^-3或更高的摻雜水平。因此被聚焦輻射的斑點尺寸小于載流子的最小擴散長度(在本例子中是8μm)。優(yōu)選地，斑點的位置在耗盡區(qū)內(nèi)必須居中，并且被聚焦輻射的斑點尺寸應(yīng)小于耗盡區(qū)寬度(小于0.5μm)。其中光子正在被吸收處的縱向尺寸(在光傳播方向上)由非線性吸收系數(shù)β支配。對于InP來說，對于能量為帶隙能量的一半的光子來說近似100μm。請注意觸點16，18需要“靠近”(也就是在0.2至0.3μm的范圍內(nèi))電子-空穴對產(chǎn)生區(qū)域，斑點29，以有效地收集所有載流子。如果金屬距所述產(chǎn)生空間很遠(yuǎn)，那么載流子在收集之前會發(fā)生擴散和復(fù)合。在本例子中，在這里，斑點尺寸為直徑10微米。斑點29被聚焦的點是下述的函數(shù)：用于TPA的光的波長；材料的TPA吸收系數(shù)；所選材料中的電子和空穴的移動性；光的強度，所述產(chǎn)生空間以及被聚焦的光的斑點29的尺寸)。

在正在被觀察的光源要求其橫向光斑的尺寸比在前面例子中描述大的情況下，一個實施例可以利用如圖3所描繪的p-n結(jié)的可替代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這里使用環(huán)形電極16。該可替代p-n結(jié)中的所有元件與如圖2中所描述的具有相同的功能；然而，本可替代布置允許垂直于輻射照射方向的更大耗盡區(qū)。

現(xiàn)在參考圖4和5，其中圖2的系統(tǒng)包括，另外的磁場源(47)和(48)，在這里例如是永久磁鐵；圖4中的本體，其具有與圖5的p-n結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的p-n結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過永久磁鐵提供的外部磁場的應(yīng)用消除了半導(dǎo)體導(dǎo)帶、居間帶、和價帶的簡并。此消除簡并使得TPA躍遷系數(shù)能夠在磁朗道(Landau)能級之間的躍遷處呈現(xiàn)峰值。躍遷率服從磁量子數(shù)選擇規(guī)則。對于直接帶隙半導(dǎo)體來說，該規(guī)則對應(yīng)于從價帶經(jīng)由居間態(tài)到導(dǎo)帶的躍遷，或者在價帶或?qū)我徽咧械木娱g虛擬朗道能級內(nèi)、在價帶和導(dǎo)帶的各朗道能級之間發(fā)生的躍遷。朗道躍遷對應(yīng)于共振躍遷，這將大大增加躍遷率。用于直接和間接能隙半導(dǎo)體的機構(gòu)稍稍不同，因為間接能隙半導(dǎo)體要求與聲子的相互作用滿足動量守恒。在圖4A和4B中描述了用于直接帶隙半導(dǎo)體的、利用通過存在的外部磁場誘導(dǎo)的朗道能級的TPA帶結(jié)構(gòu)和TPA躍遷。

對于直接能隙半導(dǎo)體來說，通過朗道共振引起的躍遷率的增加與磁場強度的平方成比例。對于間接帶隙半導(dǎo)體來說，磁場的益處從磁場強度的平方到磁場強度的四次方變化，從而為增加載流子的產(chǎn)生提供了很大的潛在益處。為了實現(xiàn)對于磁場影響的最佳益處，器件架構(gòu)必須引入撞擊的光子電場和所應(yīng)用的磁場之間的最佳偏振化取向。偏振化取向最佳化可以在圖6A和圖6B的聚光器系統(tǒng)光學(xué)器件(15a-15e)中實現(xiàn)。半導(dǎo)體晶體的對稱特性也將影響多光子過程的偏轉(zhuǎn)依附特性。

對于直接帶隙半導(dǎo)體來說，在磁量子數(shù)為n的情況下，帶間雙光子躍遷，Δn＝0，在半導(dǎo)體具有立體對稱性的情況下將不具有偏振效果。如果晶體是各向異性的，那么偏振依賴性可能很嚴(yán)重并且在設(shè)計過程中應(yīng)予以考慮。間-間(inter-inter)吸收在回旋頻率處具有與磁場強度相關(guān)的共振并且線性地依附于磁場強度。間-內(nèi)(inter-intra)躍遷，Δn＝±1，也在回旋頻率處具有共振并且隨磁場強度二次方地增加。除此之外，間-內(nèi)躍遷要求相互作用的光子中的至少一個垂直于磁場。利用非相干的隨機偏振的寬光譜帶源保證了一些光子垂直于磁場。

在圖6A和圖6B中示出了可替代實施例，其被設(shè)計用于在存在磁場的情況下提高非線性TPA過程的偏振靈敏性，同時利用來自具有固定或隨機偏振的非相干源的光子。在這里，圖4和5的系統(tǒng)中的聚光器系統(tǒng)光學(xué)器件15包括偏振分束器(15b)，其將入射的輻射分成兩種獨立的偏振狀態(tài)供選擇，和偏振再格式化裝置(polarization reformatting device)，(15c和15d)，其接收分離的偏振束并且將目前的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換至預(yù)期的偏振態(tài)，這通過考慮磁場取向以及半導(dǎo)體晶體對稱性和取向優(yōu)化了非線性TPA過程。圖6B是利用非線性多光子吸收將非相干光輻射轉(zhuǎn)換成電功率的系統(tǒng)的圖示，其中本體用作圖6A中的光伏裝置，其具有聚光器光學(xué)結(jié)構(gòu)，用于通過適應(yīng)根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的非相干輻射源的隨機或固定偏振態(tài)實現(xiàn)增強的性能，該本體具有根據(jù)本公開的另一實施例應(yīng)用的、不同于圖4的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)拓補結(jié)構(gòu)。

由于光子、電子、和晶體聲子的相互作用，在存在磁場的情況下對間接帶隙半導(dǎo)體的描述更加復(fù)雜，在它們的分析中典型地需要四個或更多個帶結(jié)構(gòu)。然而，偏振的狀態(tài)和裝置性能的優(yōu)化可以遵循在前面關(guān)于直接帶隙半導(dǎo)體的描述以及在圖6A和6B中繪示出的相同過程。

圖7至9分別示出了實現(xiàn)混合的SPA/TPA(圖9)和堆疊的TPA裝置(圖7和8)的不同方式，用于實現(xiàn)接近熱力學(xué)卡諾效率極限的最高整體功率轉(zhuǎn)換系數(shù)。具體地，圖7描繪了帶有聚光器透鏡27的光伏裝置10’，聚光器透鏡27設(shè)置在使用TPA的第一本體12a和使用SPA的第二本體12b之間。圖8描繪了三個使用TPA的本體。圖9描繪了兩個使用SPA的本體12以及設(shè)置在這兩個本體12b之間、使用TPA的本體12a。本公開描述了非線性雙光子吸收(TPA)的使用，利用通過光學(xué)聚光器傳播的寬譜帶非相干源光子初始化，以高效地產(chǎn)生大光電流。為了增大光電荷載流子發(fā)生率以及降低大TPA電流產(chǎn)生所需的光學(xué)聚光比，電場、磁場、或同時的磁和電場被引入本裝置架構(gòu)。由于初始化TPA過程所需的高強度能級，LASER光通常被用于諸如光限制器的應(yīng)用，對于太陽光子能量至電功率的轉(zhuǎn)換來說TPA不用慎重考慮。這是由于TPA與SPA相比其對于低強度吸收的無效性。對于太陽能轉(zhuǎn)換來說，TPA可以通過建立太陽光的超高光聚集來到達對于高效的TPA電荷載流子發(fā)生來說所必需的光子強度能級；在這里，利用如上所述的聚光器系統(tǒng)，例如。使用廢熱輻射的商業(yè)火源與光學(xué)集中器相結(jié)合也可以提供對于高效的、基于TPA的電功率產(chǎn)生來說足夠光強度。

由于被自由載流子較大地吸收，從連續(xù)波(CW)源的線性SPA在比非線性TPA的光強度能級低得多的光強度能級處導(dǎo)致材料損壞。用于TPA的半導(dǎo)體損壞閾值經(jīng)論證比SPA高10至100倍。因此，非線性TPA可以產(chǎn)生較高的光電流，更高效的是，在到達半導(dǎo)體材料的損壞閾值之前產(chǎn)生較高的光電流。

提供增強的TPA性能的特征包括、但不限制于利用：1)非相干光照射；2)寬光譜帶照射；和3)所應(yīng)用的磁場、電場、或磁場和電場的組合。

由于產(chǎn)生TPA電荷載流子所需的高光強度，TPA電荷載流子產(chǎn)生傳統(tǒng)上是激光照射器的領(lǐng)域。事實上，TPA躍遷率(與電荷載流子產(chǎn)生率成正比)的所有測量都使用相關(guān)激光源。對于簡并光子情況來說(即，兩個光子具有相同的能量并且它們能量的和大于或等于半導(dǎo)體帶隙能量)，雙光子躍遷率與量子場二階相干性成比例(其是四個電場運算符的積)。當(dāng)光束傳播經(jīng)過半導(dǎo)體時，用于隨機非相干光的二階相干性，如從天然黑體源導(dǎo)出的，比用于相干光的二階相干性大兩倍因子，這使光載流子生成率增大兩倍因子。

TPA載流子產(chǎn)生可以用從公共或獨立源(圖10)得到的任何兩個光子進行，如利用寬帶、多頻率、或連續(xù)頻率非相干源。常見的實驗使用一個激光束源(簡并情況，相同能量的光子)或兩個激光束源(非簡并，不同能量的光子)。然而，對于寬帶源來說，在該光譜范圍內(nèi)、組合能量足以超過帶隙的任何兩個光子可以產(chǎn)生電荷載流子。能量大于或等于半導(dǎo)體帶隙的可能的兩兩組合的數(shù)量在天文學(xué)上是非常大的，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單束或雙束TPA條件的潛在數(shù)量。TPA躍遷率與光子能的乘積、和在每一個能量態(tài)中光子數(shù)量的乘積成比例。最高躍遷率光子組合以最高速率產(chǎn)生載流子，次最高躍遷率產(chǎn)生次最高等等。來自寬帶束的光子的消耗將繼續(xù)，直到可能的能量排列已經(jīng)耗盡。

現(xiàn)在參考圖11A和11B，兩個相對照射和p-n結(jié)的取向被示出并且被用于描述根據(jù)本公開的PV多光子吸收電功率產(chǎn)生裝置的可能實施例。p-n結(jié)的取向還限定了耗盡區(qū)中電場(106)的取向。作為例子和定義，替代在這里公開的那些取向的本取向?qū)τ赑V裝置研發(fā)領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員是顯而易見的。

照射光子輻射p-n裝置的平均方向用(99)表示。以如圖11A和11B中示出的1或2型取向，單體射線(200)照亮p-n結(jié)。用于單體射線的電場可具有完全隨機的偏振態(tài)或固定的偏振態(tài)。固定偏振態(tài)可以是天然的或人造的。在特定觀測條件下，非線性多光子裝置的最佳操作需要固定偏振態(tài)。如果這些偏振態(tài)不是天然固定的，那么它們可以通過利用偏振態(tài)診斷、分離和再格式化裝置生成，將目前的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換到預(yù)期偏振態(tài)。照射p-n結(jié)表面(204)的光的偏振態(tài)可分解成兩個正交的偏振態(tài)，已知為s-偏振(201)和p-偏振(202)。S-偏振(201)被定義為垂直于入射面，而p-偏振(202)被定義為在該入射面中。入射面被定義為包含被照射表面法向向量和入射光線向量的平面。對于在圖11A和11B中示出的例子，入射面對應(yīng)于由紙頁限定出的平面。由此，在圖11A和11B中描繪的s-偏振電場在紙頁內(nèi)外調(diào)節(jié)。對于p-偏振來說，將電場分解為平行于輻射表面(204)的分量(202pp)和正交于輻射表面(204)的分量(202po)是非常有用的。

非線性PV裝置的最簡單實施例不考慮潛在天然源的隨機偏振態(tài)。然而，為了使效率最優(yōu)化，偏振診斷、分離和再格式化裝置可以被利用，如所公開的那樣。下面將要說明的圖示實施例示出了被分解成s-偏振(100s)、平行于輻射表面(204)的p-偏振(100pp)、和正交于輻射表面(204)的p-偏振(100po)的一般偏振態(tài)。

現(xiàn)在參考圖12A-12F，圖12A示出其中磁場(101)被應(yīng)用到具有預(yù)定定向、在這里被指定為1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12A中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖12B，其示出其中磁場(102)被應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12B中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖12C，其示出其中磁場(103)被應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12C中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖12D，其示出其中磁場(101)被應(yīng)用到具有與在圖12A-12C中示出的定向不同定向的p-n結(jié)的布置方式，該定向在這里被指定為2型定向。磁場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12D中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖12E，其示出其中磁場(102)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12E中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖12F，其示出其中磁場(103)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖12F中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13A-13F，圖13A示出其中電場(107)被應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13B，其示出其中電場(108)被應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13C，其示出其中電場(109)被應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13D，其示出其中電場(107)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13E，其示出其中電場(108)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖13F，其示出其中電場(109)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14A-14F，圖14A示出其中平行的磁場(101)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14B，其示出其中平行的磁場(102)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14C，其示出其中平行的磁場(103)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14D，其示出其中平行的磁場(101)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14E，其示出其中平行的磁場(102)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖14F，其示出其中平行的磁場(103)和電場(104)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場和電場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖15A-15F，圖15A示出其中正交的磁場(101)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場(101)：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖15B，示出其中正交的磁場(102)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場(102)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖15C，示出其中正交的磁場(103)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖15D，示出其中正交的磁場(101)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。

現(xiàn)在參考圖15E，示出其中正交的磁場(102)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。

現(xiàn)在參考圖15F，示出其中正交的磁場(103)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有1型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)垂直于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

現(xiàn)在參考圖16A-16F，圖16A示出其中正交的磁場(101)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

圖16B示出其中正交的磁場(102)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

圖16C示出其中正交的磁場(103)和電場(105)被應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。應(yīng)注意，在所有情況下，所應(yīng)用的場可位于如圖中所指示的同一方向或相反方向上。

圖16D示出其中正交的磁場(101)和電場(105)被同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)平行于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。

圖16E示出其中正交的磁場(102)和電場(105)應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。

圖16F示出其中正交的磁場(103)和電場(105)同時應(yīng)用到具有2型定向的p-n結(jié)的布置方式。磁場：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n結(jié)界面(98)，并且5)平行于耗盡區(qū)電場(106)。電場(105)：1)垂直于與輻射表面(204)平行的進入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于與輻射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于與輻射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n結(jié)界面(98)，并且5)正交于耗盡區(qū)電場(106)。

已經(jīng)描述了本公開的許多實施例。然而，應(yīng)理解在不偏離本公開的實質(zhì)和范圍的情況下可以進行許多修改。元件的各次序和實施方式可以從實施例的圖中得到。例如，互換圖6中的光學(xué)帶通濾波器和偏振分束器的次序或利用不同方法產(chǎn)生濾譜器(15a)。此外，具有可變帶隙的III-V三元Ga_1-xIn_xAs，Ga_1-xIn_xSb和InAs_yP_1-y化合物半導(dǎo)體是可用于本體12的材料。可以使用帶隙調(diào)節(jié)和高線性光學(xué)傳輸。此外，磁場和/或電場的使用可與SPA光伏裝置一起使用。

在這里描述的不同實施例的各元件可組合形成上面沒有特別說明的其它實施例。在單一實施例說明中描述的各元件也可以單獨或以任何適當(dāng)子組合形式提供。在這里沒有特別說明的其它實施例也在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)。