CN106463551A - 利用非相干辐射的非线性多光子吸收产生电功率的光伏装置 - Google Patents

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Abstract

通过利用非线性多光子吸收将宽谱非相干光功率转换成电功率并且可选地通过在功率转换过程期间应用磁场、电场、或两者而得以增强的方法、系统、和光伏装置。

Description

利用非相干辐射的非线性多光子吸收产生电功率的光伏装置
背景技术
如现有技术中已知的，光伏装置利用单光子吸收(SPA)过程操作，其中光子具有等于或大于半导体本体带隙的能量，所述半导体本体具有产生单一电子-空穴(e-h)对的p-n结，如图1A中所示。然后光子-产生的(有时也被称为“光生的”)电子和空穴被利用p-n结二极管收集用于产生电功率。光生的电子和空穴横跨p-n结的流动生成流经本体的电流并且在本体的p和n区域处产生横跨端端子的电压。能量低于半导体带隙能量的光子对e-h对的产生没有贡献。在半导体本体中流动的电流依赖于光生的电子和空穴的数量。横跨端端子产生的电压依赖于半导体本体的带隙。能量超过该带隙能量的光子将产生e-h对，其中超过该带隙能量的能量将最终以热量形式损耗(也已知为声子损耗)。由于所有这些因素造成的细致平衡效率极限提供从宽带光学能量源(比如像太阳那样的热黑体辐射器)至电能的能量转换效率的上限。这被称为肖克利-奎伊瑟极限。对于单一(一个带隙)p–n结晶态半导体装置来说，理论限制的功率效率近似31％。利用具有不同带隙的大数量被叠加/串联(tandem)的p-n结(每一个带隙捕捉来自宽带辐射的光子能量的一小部分/范围)，对应的理论极限增加。对于36个带隙的叠加体来说，最大理论效率是72％【S.M.Sze,Physics ofSemiconductor Devices.第二版，第798页,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】。通过汇聚太阳光，可以进一步提高转换效率。2013年9月，太阳能电池利用等效于297个太阳的强度集中实现了44.7％的效率，如由German Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems论证的【Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme ISE,Press Release,2013年9月23日】。
本质上，半导体单一p-n结装置的带隙可被最优化，以呈现对于特定黑体光谱(依赖于辐射器的温度)的最大转换效率。以超过肖克利-奎伊瑟极限的效率将更大部分的黑体光谱转换成电功率所需的努力使用具有多个带隙的本体，它们被竖直地(比如串联电池)或侧向地(比如在光谱被分束的系统中)组装。当前用于将光功率(电磁辐射)，比如来自黑体源(比如太阳)或热辐射源(比如来自火炉的火焰或废热)的光，转换成电功率的SPA光伏(PV)过程在其能量转换效率方面受基本的肖克利-奎伊瑟极限的限制。将太阳光转换成电能的商业上可获得的硅太阳能电池具有约20％的转换效率；对于单一p-n结太阳能电池装置来说，最高理论效率如上所述被限制为近似31％。通过使用聚光器(还已知为聚光器光伏或CPV)技术增加入射太阳光的强度集中，在光学聚光比为1000时将效率提高到近似37％在理论上是可能的【S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices.第二版，第798页,JohnWiley&Sons Inc.,New York(1981)；G.Gabetta,“High Efficiency Photovoltaic powerplants:the II-V compound solar cells,2011CESI】。然而，在不降级本体中材料的情况下，光(单位面积功率)集中不能被增大到超出特定阈值。提高效率的另一方法是通过利用其中半导体具有不同带隙的一系列装置、吸收来自黑体辐射的宽能光谱。这已经在PV工业上使用了，用来制造串接(tandem)太阳能电池(利用上下放置的3个不同的半导体，也已知为三结电池)，效率接近40％。然而，这些装置非常昂贵并且仅在特定条件下工作高效。
四十多年来，已经对通过下述方式增大有效的太阳能电池效率进行了密集的研究：多结装置，多吸收路径太阳能电池(利用碰撞电离多激子产生)，多能级太阳能电池(利用定域能级或中间带)，多光谱太阳能电池(利用光子的上下转换)，多温度太阳能电池(利用热载流子使用)，稀释II-VI族氧化物半导体电池(ZnMnOTe)，和太阳能热光伏(TPV)。这些SPA技术包括：1)叠加不同带隙的半导体以收集更宽的光谱带；2)通过战略优化单个p-n结以最小化电荷载流子(电子和空穴)复合；3)通过平衡吸收、不辐射过程、辐射损失、和载流子扩散长度来优化有源区域厚度；(4)其他提高方法包括：修改电池的表面结构以及使用多层涂层，这被设计用于通过干涉将光耦合到结构内，以及将光散开到捕捉被较弱地吸收的波长的表面的倾斜角度；(5)详细的建议已经包括量子点，但它们的效率还没有接近常规方法；(6)居间态电池已经制造出来，但效率低于常规能级；以及(7)通过逆俄歇效应进行多激子产生也已经得到论证，当现有装置的性能不良。上述方法仅提供了实现高效装置所必须的标准的子集。理想的PV装置需要满足下述标准以证明最高的理论转换效率：零串联电阻，无穷大分路电阻，零表面复合(优选钝化表面)，PV材料中的零断层或扩展缺陷，极高载流子寿命(需要最高质量的单晶体)，P+IN+结构(用于高效载流子收集)，全抗反射(AR)涂层加带文理的顶表面，用于光子循环的背面反射器，背面场(电)分布(用于载流子限制)，优选直接带隙半导体(GaP，GaAs，InP，GaSb，CdTe等等)，高光学聚集，低操作温度。虽然为了实现上述标准中的许多标准已经进行了四十多年的研究，但这在多个前沿仍是挑战。
在本领域内还已知，非线性双光子吸收(TPA)是非线性多光子光学过程，其中(来自入射辐射的)两个光子分别具有比半导体的带隙能量小的能量，它们具有相同或不同的波长(或频率)，它们在本体中被同时(通常在一纳秒内)吸收，由此本体中的电子被从较低能量电子态(通常是基态)升高到较高能量电子态，如图1B中所示；参考论文：S.Fathpour,K.Tsia和B.Jalali,“Two-Photon Photovoltaic Effect in Silicon”,IEEE Journal ofQuantum Electronics,vol.43,p.1211,2007,和B.Jalali；S.Fathpour“SiliconPhotonics”,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 indiumarsenide”,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。这里提及的较低和较高态之间的能量差等于或小于这两个光子中每一个的能量的和，如图1B所示。
这是非线性TPA和SPA过程之间的另一个本质区别。更具体地，吸收系数α的倒数定义了光子在被材料吸收前传播的平均距离。通过微分下面的方程，吸收系数描绘的是当光传播经过材料时的光子强度(单位面积功率)，其中α是吸收系数，并且I(z)是在介质内的位置z处的光子束强度；其中可被认为是当光传播经过材料时的强度吸收速率。对于光子能量等于或超过半导体带隙的情况，用于单光子吸收(SPA)过程的吸收系数依赖于特定的半导体材料和光子能量。吸收系数近似是独立于光束强度的常数。
在足够高的光强度处，非线性多光子过程能够支配吸收。作为例子，非线性简并双光子吸收(TPA)是非线性多光子过程的特殊情况。(术语简并是指每个光子具有相同的能量)。在这种情况下，对于每个光子分别具有小于带隙的能量的两个光子来说，非线性TPA过程使光子组合以使电荷载流子(电子)从价带升高到导带。
与SPA过程不同，在简并TPA过程中，本体的光学吸收系数(α)与入射光的光强度(I)成正比，α＝βI，其中β是依附于材料特性的比例常数。对于非线性简并TPA过程的简化表述可以通过控制TPA吸收的、依赖于材料的非线性吸收系数β通过下述简化方程来表述，
因此简并TPA的区别特征是光被材料的吸收率取决于光强度的平方。这不同于SPA，在SPA中光的吸收率相对于输入光强度是线性的。
TPA已经与相干辐射源一起使用，用于包括光功率限制器的多种应用。对于光功率限制器来说，在具有强非线性效应的材料中，光的吸收随强度增加使得，超出了特定的输入强度，输出强度会接近恒定值。这种材料可用于限制进入系统的光功率的量值。这可以用于保护昂贵或敏感的装置、比如传感器，可以用在护目镜中，或可以用于控制激光束中的噪音。
虽然已经通过将本体暴露于来自激光器的相干辐射中而产生了TPA，但发明人认识到提供下述的光伏系统会导致用于电功率产生的便宜、高效的系统和方法，所述光伏系统响应于非相干辐射直接产生电功率，例如从太阳光通过非线性多光子吸收或非线性TPA产生这种电功率。
发明内容
根据本公开，提供了一种利用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的方法。
在一个实施例中，所述非线性多光子吸收发生在一本体中，并且所述非相干光在传递到本体之前经过光学聚光系统。
在一个实施例中，提供了一种产生电功率的方法，包括：在一本体中产生多光子非线性吸收，本体具有预定带隙，包括将本体置于来自非相干辐射源的光子中，所述光子具有低于本体带隙的能量。
在一个实施例中，非相干光具有多个不同的频率。
在一个实施例中，非相干光具有在最小波长和最大波长之间的一连续区间的不同频率。
在一个实施例中，提供了一种方法，包括，在将一本体置于磁场中的同时，将高强度(单位面积功率)非相干能量引导至本体内并且利用非线性多光子吸收过程将本体中的非相干宽光谱带光能转换成电功率。
在一个实施例中，提供了一种方法，包括，在将一本体置于磁场中的同时，将指定偏振态的高强度(单位面积功率)非相干宽光谱带能引导至本体内并且利用非线性多光子吸收过程将本体中的非相干宽光谱带光能转换成电功率。
在一个实施例中，提供了一种方法，包括，在将一本体置于电场中的同时，将高强度(单位面积功率)非相干宽光谱带能引导至本体内并且利用非线性多光子吸收过程将本体中的非相干宽光谱带光能转换成电功率。
在一个实施例中，提供了一种方法，包括，在将一本体置于磁和电场中的同时，将指定偏振态的高强度(单位面积功率)非相干宽光谱带能引导至本体内并且利用非线性多光子吸收过程将本体中的非相干宽光谱带光能转换成电功率。
根据本公开，一种电功率产生系统被提供，其包括：具有预定带隙的本体；和，具有带通滤光器的光学系统，所述带通滤光器用于将以一预定频带经过滤光器并且具有预定强度的非相干辐射，比如具有红外线、可见光和紫外线辐射的太阳光，引导至本体的内部区域，所述本体的带隙高于经过的辐射中的光子的能量，所述本体中的强度足以使本体在非线性多光子吸收模式下操作。
根据本公开，提供了一种方法，包括利用非线性多光子吸收将非相干光能转换成电功率。
在一个实施例中，提供了一种产生电功率的方法，包括：在一本体中产生多光子非线性吸收，本体具有预定带隙，包括将本体置于来自非相干辐射源的光子中，光子具有低于本体带隙的能量。
在一个实施例中，所述非线性多光子吸收发生在一本体中，并且在所述本体中产生所述非线性多光子吸收。
在一个实施例中，所述非线性多光子吸收发生在具有预定带隙能量的本体中，并且其中所述非相干光能包括具有低于所述预定带隙能量的能级的光子。
在一个实施例中，本体是半导体本体。
在一个实施例中，所述非线性多光子吸收产生包括电子和空穴的载流子，并且包括在所述本体外面提供电路以为载流子提供电路径。
在一个实施例中，所述本体被提供一对电极，所述一对电极与所述本体欧姆接触，所述电路径被提供在所述一对电极之间。
在一个实施例中，所述光能具有大约105W/cm2的光通量。
在一个实施例中，所述本体是基本的(elemental)，二元的，三元的，四元的或更高阶构成的半导体本体。
在一个实施例中，提供了一种在具有预定带隙能量的本体中产生非线性多光子吸收的方法，包括将所述本体置于具有光子的非相干电磁辐射源中，所述光子具有比在所述本体内产生载流子流的所述预定带隙能量低的能量；以及将载流子耦合到所述本体外面的负载。
在一个实施例中，所述非相干光是多频率非相干光，其中所述非线性多光子吸收是简并和非简并双光子吸收(TPA)的组合。
在一个实施例中，所述非相干电磁辐射具有多个不同的频率，并且所述非线性多光子吸收产生包括电子和空穴的载流子，并且包括在所述本体外面提供电路以为载流子提供电路径。
在一个实施例中，所述非相干电磁辐射具有一连续区间的多个不同频率，并且所述非线性多光子吸收产生包括电子和空穴的载流子，并且包括在所述本体外面提供电路以为载流子提供电路径。
在一个实施例中，本方法包括将一本体置于非相干电磁辐射源中，所述非相干电磁辐射具有与光子强度(单位面积功率)Ik相关的光子能Ek，具有足够的强度在所述本体中、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为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体中产生电子-空穴对；以及将电子-空穴对转换成横跨所述本体的电势。
在一个实施例中，本方法包括将一本体置于包含多个多频率非相干电磁辐射的源中，所述电磁辐射具有与光子强度(单位面积功率)Ik相关的光子能Ek，具有足够的强度在所述本体中、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为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体中产生电子-空穴对；以及将电子-空穴对转换成用于所述本体外面的负载的电功率。
在一个实施例中，本方法包括将一本体置于包含一连续区间的多频率非相干电磁辐射的源中，所述电磁辐射具有与光子强度(单位面积功率)Ik相关的光子能Ek，具有足够的强度在所述本体中、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为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体中产生电子-空穴对；以及将电子-空穴对转换成所述本体外面的电流。
在一个实施例中，提供了一种光伏装置，包括：本体；被引导到本体上的多频率非相干光的源，所述光具有与光子强度(单位面积功率)Ik相关的光子能Ek，具有足够的强度在所述本体中、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为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体中产生载流子；以及电极，其被连接到本体以接收载流子并且在所述本体外面产生电流。
在一个实施例中，本方法包括将本体置于电场。
在一个实施例中，一种方法包括利用本体中的非线性多光子吸收将光能转换成电功率并且在该吸收期间将本体置于电场中，这增强了光子到电子-空穴载流子的转换的跃迁可能性。
在一个实施例中，本方法包括将本体置于磁场。
在一个实施例中，磁场在本体中产生朗道能级能态。
在一个实施例中，一种方法包括利用本体中的非线性多光子吸收将光能转换成电功率并且在该吸收期间将本体置于一磁场。
在一个实施例中，本方法包括将本体同时置于电场和磁场两者。
在一个实施例中，一种电路被提供，包括：具有预定能量的光子的非相干辐射的源；和光伏装置，其具有大于光子预定能量的带隙，该装置被定位成用于接收具有预定能量的光子以在非线性多光子吸收模式下操作。
在一个实施例中，一种电路被提供，包括：包括本体的光伏装置；光子的源；磁场的源；其中光伏装置利用本体中的非线性多光子吸收将来自光子的光子能量转换成电功率并且在该吸收期间将本体置于磁场；以及横跨光伏装置连接的电装置。
在一个实施例中，一种电路被提供，包括：包括本体的光伏装置；光子的源；电场的源；其中光伏装置利用本体中的非线性多光子吸收将来自光子的光子能量转换成电功率并且在该吸收期间将本体置于电场；以及横跨光伏装置连接的电装置。
在一个实施例中，一种电路被提供，包括：包括本体的光伏装置；光子的源；磁场和电场的源；其中光伏装置利用本体中的非线性多光子吸收将来自光子的光子能量转换成电功率并且在该吸收期间将本体置于磁场和电场；以及横跨光伏装置连接的电装置。
本方法利用本体、比如半导体本体中的非线性多光子吸收(MPA)比如双光子吸收(TPA)过程，以利用能量小于半导体带隙的光子并且因此捕获一大部分黑体辐射用于产生电功率。
在本体被置于一磁场的同时，利用非线性低带隙能量多-光子吸收将光能转换成电功率的方法和光伏装置被提供。磁场的应用消除了半导体导带、居间、和价带的简并。此消除简并使得TPA跃迁系数能够在磁朗道能级之间的跃迁处呈现峰值。跃迁率服从磁量子数选择规则。朗道跃迁对应于共振跃迁，这将大大提高跃迁率以及光生的电子-空穴电流。
本公开的一个或多个实施例的细节在附图中以及在下面的描述中得以阐述。本公开的其它特征、目的和优势将从说明书和附图以及从权利要求中变得显然。
附图说明
图1A是示意出本体中的单光子吸收作用(SPA)的图示；
图1B是示意出本体中的双光子吸收(TPA)的图示；
图2是根据本公开的、使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示；
图3是根据本公开的另一实施例的、使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中被用作图2中的光伏装置的本体的可替代p-n结提供了比图2中大的横向于光束传播方向的耗尽区；
图4是使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中被用作图2中的光伏装置的本体具有根据本公开的另一实施例应用的磁场；
图4A和4B绘出在图4的系统中、在存在磁场的情况下直接带隙半导体的朗道能级之间的间带和间-内带TPA跃迁；
图5是使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中被用作图2中的光伏装置的本体具有根据本公开的另一实施例应用的磁场，本体具有根据本公开的另一实施例应用的、与图4的p-n结拓补结构不同的p-n结拓补结构；
图6A是使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中被用作图2中的光伏装置的本体具有聚光器光学结构，用于通过适应根据本公开的另一实施例应用的非相干辐射源的随机或固定偏振态来实现增强的性能；
图6B是使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中被用作图2中的光伏装置的本体具有聚光器光学结构，用于通过适应根据本公开的另一实施例应用的非相干辐射源的随机或固定偏振态来实现增强的性能；该本体具有根据本公开的另一实施例应用的、与图4的p-n结拓补结构不同的p-n结拓补结构；
图7是根据本公开的另一实施例的、利用一对堆叠本体、使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示；
图8是根据本公开的另一实施例的、利用一对堆叠本体、使用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示；
图9是使用一本体中的非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，该本体设置在利用一对堆叠的本体操作的一对本体之间，使用混合布置中的单光子吸收作用(SPA)，根据本公开的另一实施例；
图10示出多光谱双光子吸收和多光子吸收的益处；
图11A-11B示出光伏装置，其拦截在经过图2的聚光器光学系统之后、向着相对于照射束具有两个p-n结取向的本体的非相干辐射照射束；其中一个取向在图11A中示出了而另一个在图11B中示出了。图11A-11B示出了根据本公开的另一实施例的照射束传播方向；照射偏振态；p-n结界面，以及p-n结耗尽区电场的相对取向；
图12A-12F示出根据本公开的另一实施例的光伏装置，对于磁场和本体的各种取向来说，其利用如图4中所示应用的磁场、利用非线性多光子吸收、拦截经过了图2的聚光器光学系统之后的非相干辐射照射束；
图13A-13F示出根据本公开的另一实施例的光伏装置，对于电场和本体的各种取向来说，其利用所应用的电场、利用非线性多光子吸收、拦截经过了图2的聚光器光学系统之后的非相干辐射照射束；
图14A-14F示出根据本公开的另一实施例的光伏装置，对于电场和磁场和本体的各种取向来说，其利用所应用的平行的电场和磁场、利用非线性多光子吸收、拦截经过了图2的聚光器光学系统之后的非相干辐射照射束；
图15A-15F示出根据本公开的另一实施例的光伏装置，对于电场和磁场和本体的各种取向来说，其利用所应用的正交的电场和磁场、利用非线性多光子吸收、拦截经过了图2的聚光器光学系统之后的非相干辐射照射束，其中本体具有相对于入射束的一种取向；
图16A-16F示出根据本公开的另一实施例的光伏装置，对于电场和磁场和本体的各种取向来说，其利用所应用的正交的电场和磁场、利用非线性多光子吸收、拦截经过了图2的聚光器光学系统之后的非相干辐射照射束，其中本体具有与图15A-15F中的本体取向不同的取向。
各图中类似的参考标记表示类似的元件。
具体实施方式
现在参考图2，光伏装置10被示出为具有本体12；光源14，例如，在这里是通过聚光器光学系统13引导至本体12上的非相干辐射黑体辐射体，例如太阳，或热辐射源(比如来自火炉的燃烧或废热)。聚光器光学系统13包括辐射收集光学器件(13b)，光学滤谱器(15)，和聚光或聚集光学器件(13c)。本体12是具有预定带隙的半导体本体，下面将要描述。聚光器光学系统13收集来自源14的光并且在其经过带通滤光器或光谱分光器15后将其聚焦到本体12上。滤光器或光谱分光器15具有频率响应，其被设计为将来自源14的非相干辐射的、具有下述特性光子的那一部分从聚光光学器件13c传递到本体12，其中所述光子的预定能量低于本体12的预定带隙并且在本体12内具有足够的强度I(单位面积功率)，以使本体12在非线性多光子吸收模式下操作，与光子强度Ik相关的光子能Ek具有足够的强度在本体内、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为P的N-多光子吸收，其中N大于1，从而由被吸收的功率在本体12中产生载流子。例如，在这里，滤光器15可以是多层干涉，滤光器(rugate filter)，棱镜或衍射光栅。为提供最大效率，从滤光器(或光谱分光器)发射的光可被引导至另一线性或非线性光伏装置(未示出)。本体12具有一对电极16，18，它们被连接到本体12以接收电荷载流子并且产生通过负载19的电流，负载在这里用电阻器表示，所述负载在本体12外面通过导电线20连接到电极16，18，如图所示用于提供完整的载流回路，由箭头22指示。更具体地，本体12具有预定的带隙能量。例如，在这里，本体12是单晶半导体本体，其具有形成p-n结28的p-型区域24和n-型区域26，生成的耗尽区30产生在本体12中，如图所示。这里，在本例子中，本体12是第III-V组或列半导体，例如磷化铟(InP)P-N结结构或三元材料，比如，GaxIn1-xAs(其中0<x<1)半导体。例如，在这里，n-型区域26被掺杂有例如碲(Te)，掺杂浓度例如为1x1017cm-3；p-型区域24被掺杂有锌(Zn)，例如，掺杂浓度为5x1017cm-3。电极16，18分别与p-型区域16和n-型区域18欧姆接触，如图所示。
这里，更具体地，例如，带通滤光器或光谱分光器15传递波长大于1.06μm(对应于低于1.17eV的光子能量)的非相干辐射。光束被收集和聚焦到位于本体12的耗尽区中心中的斑点29上。请注意光学辐射中的光子的能量低于InP的带隙，该带隙在300K(室温)时是1.344eV。
这样，电路包括：以非线性多光子吸收模式操作的光伏装置10；和横跨光伏装置10连接的负载19。更具体地，本体12以非线性多光子吸收模式操作，通过将本体置于撞击到本体12上的光强度I中，所述光具有能量低于本体12的预定带隙能量的光子，例如，在这里光子具有低于E的能量，其中E是本体12的带隙能量，并且与光子强度Ik相关的光子能Ek具有足够的强度来在本体内、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为P的N-多光子吸收，其中N大于1，在本体12中生成电子(e)-空穴(p)对。这里，聚光光学器件13c将耗尽区30中的强度I增大至105至1x107瓦特每平方厘米范围内的光通量。
请注意接触金属应尽可能靠近本体内的电子-空穴对产生空间。固有内置电场的存在(由于存在耗尽区)将帮助分离各电子-空穴对。如果光子束在耗尽区外面被吸收，则必须避免电子-空穴对(在产生后)复合。其中光子束应该优选被聚焦或吸收的区域由分别位于半导体本体的p型侧和n型侧中的电子和空穴的扩散长度确定。例如，磷化铟(InP)具有用于n-型和p-型区域的低杂质掺杂浓度，电子寿命＝2x10-9秒而空穴寿命＝3x10-6秒，则生成的空穴的扩散长度为40微米；并且电子的扩散长度为8微米【在线材料特性参考：http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/InP/electric.html】。半导体中典型的耗尽区宽度小于0.5μm，对应于用于p型和n-型区域的1016cm-3或更高的掺杂水平。因此被聚焦辐射的斑点尺寸小于载流子的最小扩散长度(在本例子中是8μm)。优选地，斑点的位置在耗尽区内必须居中，并且被聚焦辐射的斑点尺寸应小于耗尽区宽度(小于0.5μm)。其中光子正在被吸收处的纵向尺寸(在光传播方向上)由非线性吸收系数β支配。对于InP来说，对于能量为带隙能量的一半的光子来说近似100μm。请注意触点16，18需要“靠近”(也就是在0.2至0.3μm的范围内)电子-空穴对产生区域，斑点29，以有效地收集所有载流子。如果金属距所述产生空间很远，那么载流子在收集之前会发生扩散和复合。在本例子中，在这里，斑点尺寸为直径10微米。斑点29被聚焦的点是下述的函数：用于TPA的光的波长；材料的TPA吸收系数；所选材料中的电子和空穴的移动性；光的强度，所述产生空间以及被聚焦的光的斑点29的尺寸)。
在正在被观察的光源要求其横向光斑的尺寸比在前面例子中描述大的情况下，一个实施例可以利用如图3所描绘的p-n结的可替代拓扑结构，在这里使用环形电极16。该可替代p-n结中的所有元件与如图2中所描述的具有相同的功能；然而，本可替代布置允许垂直于辐射照射方向的更大耗尽区。
现在参考图4和5，其中图2的系统包括，另外的磁场源(47)和(48)，在这里例如是永久磁铁；图4中的本体，其具有与图5的p-n结拓扑结构不同的p-n结拓扑结构。通过永久磁铁提供的外部磁场的应用消除了半导体导带、居间带、和价带的简并。此消除简并使得TPA跃迁系数能够在磁朗道(Landau)能级之间的跃迁处呈现峰值。跃迁率服从磁量子数选择规则。对于直接带隙半导体来说，该规则对应于从价带经由居间态到导带的跃迁，或者在价带或导带任一者中的居间虚拟朗道能级内、在价带和导带的各朗道能级之间发生的跃迁。朗道跃迁对应于共振跃迁，这将大大增加跃迁率。用于直接和间接能隙半导体的机构稍稍不同，因为间接能隙半导体要求与声子的相互作用满足动量守恒。在图4A和4B中描述了用于直接带隙半导体的、利用通过存在的外部磁场诱导的朗道能级的TPA带结构和TPA跃迁。
对于直接能隙半导体来说，通过朗道共振引起的跃迁率的增加与磁场强度的平方成比例。对于间接带隙半导体来说，磁场的益处从磁场强度的平方到磁场强度的四次方变化，从而为增加载流子的产生提供了很大的潜在益处。为了实现对于磁场影响的最佳益处，器件架构必须引入撞击的光子电场和所应用的磁场之间的最佳偏振化取向。偏振化取向最佳化可以在图6A和图6B的聚光器系统光学器件(15a-15e)中实现。半导体晶体的对称特性也将影响多光子过程的偏转依附特性。
对于直接带隙半导体来说，在磁量子数为n的情况下，带间双光子跃迁，Δn＝0，在半导体具有立体对称性的情况下将不具有偏振效果。如果晶体是各向异性的，那么偏振依赖性可能很严重并且在设计过程中应予以考虑。间-间(inter-inter)吸收在回旋频率处具有与磁场强度相关的共振并且线性地依附于磁场强度。间-内(inter-intra)跃迁，Δn＝±1，也在回旋频率处具有共振并且随磁场强度二次方地增加。除此之外，间-内跃迁要求相互作用的光子中的至少一个垂直于磁场。利用非相干的随机偏振的宽光谱带源保证了一些光子垂直于磁场。
在图6A和图6B中示出了可替代实施例，其被设计用于在存在磁场的情况下提高非线性TPA过程的偏振灵敏性，同时利用来自具有固定或随机偏振的非相干源的光子。在这里，图4和5的系统中的聚光器系统光学器件15包括偏振分束器(15b)，其将入射的辐射分成两种独立的偏振状态供选择，和偏振再格式化装置(polarization reformattingdevice)，(15c和15d)，其接收分离的偏振束并且将目前的偏振态转换至预期的偏振态，这通过考虑磁场取向以及半导体晶体对称性和取向优化了非线性TPA过程。图6B是利用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率的系统的图示，其中本体用作图6A中的光伏装置，其具有聚光器光学结构，用于通过适应根据本公开的另一实施例应用的非相干辐射源的随机或固定偏振态实现增强的性能，该本体具有根据本公开的另一实施例应用的、不同于图4的p-n结拓补结构的p-n结拓补结构。
由于光子、电子、和晶体声子的相互作用，在存在磁场的情况下对间接带隙半导体的描述更加复杂，在它们的分析中典型地需要四个或更多个带结构。然而，偏振的状态和装置性能的优化可以遵循在前面关于直接带隙半导体的描述以及在图6A和6B中绘示出的相同过程。
图7至9分别示出了实现混合的SPA/TPA(图9)和堆叠的TPA装置(图7和8)的不同方式，用于实现接近热力学卡诺效率极限的最高整体功率转换系数。具体地，图7描绘了带有聚光器透镜27的光伏装置10’，聚光器透镜27设置在使用TPA的第一本体12a和使用SPA的第二本体12b之间。图8描绘了三个使用TPA的本体。图9描绘了两个使用SPA的本体12以及设置在这两个本体12b之间、使用TPA的本体12a。本公开描述了非线性双光子吸收(TPA)的使用，利用通过光学聚光器传播的宽谱带非相干源光子初始化，以高效地产生大光电流。为了增大光电荷载流子发生率以及降低大TPA电流产生所需的光学聚光比，电场、磁场、或同时的磁和电场被引入本装置架构。由于初始化TPA过程所需的高强度能级，LASER光通常被用于诸如光限制器的应用，对于太阳光子能量至电功率的转换来说TPA不用慎重考虑。这是由于TPA与SPA相比其对于低强度吸收的无效性。对于太阳能转换来说，TPA可以通过建立太阳光的超高光聚集来到达对于高效的TPA电荷载流子发生来说所必需的光子强度能级；在这里，利用如上所述的聚光器系统，例如。使用废热辐射的商业火源与光学集中器相结合也可以提供对于高效的、基于TPA的电功率产生来说足够光强度。
由于被自由载流子较大地吸收，从连续波(CW)源的线性SPA在比非线性TPA的光强度能级低得多的光强度能级处导致材料损坏。用于TPA的半导体损坏阈值经论证比SPA高10至100倍。因此，非线性TPA可以产生较高的光电流，更高效的是，在到达半导体材料的损坏阈值之前产生较高的光电流。
提供增强的TPA性能的特征包括、但不限制于利用：1)非相干光照射；2)宽光谱带照射；和3)所应用的磁场、电场、或磁场和电场的组合。
由于产生TPA电荷载流子所需的高光强度，TPA电荷载流子产生传统上是激光照射器的领域。事实上，TPA跃迁率(与电荷载流子产生率成正比)的所有测量都使用相关激光源。对于简并光子情况来说(即，两个光子具有相同的能量并且它们能量的和大于或等于半导体带隙能量)，双光子跃迁率与量子场二阶相干性成比例(其是四个电场运算符的积)。当光束传播经过半导体时，用于随机非相干光的二阶相干性，如从天然黑体源导出的，比用于相干光的二阶相干性大两倍因子，这使光载流子生成率增大两倍因子。
TPA载流子产生可以用从公共或独立源(图10)得到的任何两个光子进行，如利用宽带、多频率、或连续频率非相干源。常见的实验使用一个激光束源(简并情况，相同能量的光子)或两个激光束源(非简并，不同能量的光子)。然而，对于宽带源来说，在该光谱范围内、组合能量足以超过带隙的任何两个光子可以产生电荷载流子。能量大于或等于半导体带隙的可能的两两组合的数量在天文学上是非常大的，并且远远超过了单束或双束TPA条件的潜在数量。TPA跃迁率与光子能的乘积、和在每一个能量态中光子数量的乘积成比例。最高跃迁率光子组合以最高速率产生载流子，次最高跃迁率产生次最高等等。来自宽带束的光子的消耗将继续，直到可能的能量排列已经耗尽。
现在参考图11A和11B，两个相对照射和p-n结的取向被示出并且被用于描述根据本公开的PV多光子吸收电功率产生装置的可能实施例。p-n结的取向还限定了耗尽区中电场(106)的取向。作为例子和定义，替代在这里公开的那些取向的本取向对于PV装置研发领域中的那些技术人员是显而易见的。
照射光子辐射p-n装置的平均方向用(99)表示。以如图11A和11B中示出的1或2型取向，单体射线(200)照亮p-n结。用于单体射线的电场可具有完全随机的偏振态或固定的偏振态。固定偏振态可以是天然的或人造的。在特定观测条件下，非线性多光子装置的最佳操作需要固定偏振态。如果这些偏振态不是天然固定的，那么它们可以通过利用偏振态诊断、分离和再格式化装置生成，将目前的偏振态转换到预期偏振态。照射p-n结表面(204)的光的偏振态可分解成两个正交的偏振态，已知为s-偏振(201)和p-偏振(202)。S-偏振(201)被定义为垂直于入射面，而p-偏振(202)被定义为在该入射面中。入射面被定义为包含被照射表面法向向量和入射光线向量的平面。对于在图11A和11B中示出的例子，入射面对应于由纸页限定出的平面。由此，在图11A和11B中描绘的s-偏振电场在纸页内外调节。对于p-偏振来说，将电场分解为平行于辐射表面(204)的分量(202pp)和正交于辐射表面(204)的分量(202po)是非常有用的。
非线性PV装置的最简单实施例不考虑潜在天然源的随机偏振态。然而，为了使效率最优化，偏振诊断、分离和再格式化装置可以被利用，如所公开的那样。下面将要说明的图示实施例示出了被分解成s-偏振(100s)、平行于辐射表面(204)的p-偏振(100pp)、和正交于辐射表面(204)的p-偏振(100po)的一般偏振态。
现在参考图12A-12F，图12A示出其中磁场(101)被应用到具有预定定向、在这里被指定为1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12A中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图12B，其示出其中磁场(102)被应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12B中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图12C，其示出其中磁场(103)被应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12C中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图12D，其示出其中磁场(101)被应用到具有与在图12A-12C中示出的定向不同定向的p-n结的布置方式，该定向在这里被指定为2型定向。磁场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12D中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图12E，其示出其中磁场(102)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12E中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图12F，其示出其中磁场(103)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图12F中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13A-13F，图13A示出其中电场(107)被应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。电场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13B，其示出其中电场(108)被应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13C，其示出其中电场(109)被应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13D，其示出其中电场(107)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。电场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13E，其示出其中电场(108)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图13F，其示出其中电场(109)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14A-14F，图14A示出其中平行的磁场(101)和电场(104)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14B，其示出其中平行的磁场(102)和电场(104)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14C，其示出其中平行的磁场(103)和电场(104)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14D，其示出其中平行的磁场(101)和电场(104)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14E，其示出其中平行的磁场(102)和电场(104)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图14F，其示出其中平行的磁场(103)和电场(104)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场和电场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图15A-15F，图15A示出其中正交的磁场(101)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场(101)：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图15B，示出其中正交的磁场(102)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场(102)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图15C，示出其中正交的磁场(103)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图15D，示出其中正交的磁场(101)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)正交于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。
现在参考图15E，示出其中正交的磁场(102)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。
现在参考图15F，示出其中正交的磁场(103)和电场(105)被同时应用到具有1型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)垂直于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
现在参考图16A-16F，图16A示出其中正交的磁场(101)和电场(105)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
图16B示出其中正交的磁场(102)和电场(105)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
图16C示出其中正交的磁场(103)和电场(105)被应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。应注意，在所有情况下，所应用的场可位于如图中所指示的同一方向或相反方向上。
图16D示出其中正交的磁场(101)和电场(105)被同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)平行于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。
图16E示出其中正交的磁场(102)和电场(105)应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。
图16F示出其中正交的磁场(103)和电场(105)同时应用到具有2型定向的p-n结的布置方式。磁场：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)垂直于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)平行于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)垂直于p-n结界面(98)，并且5)平行于耗尽区电场(106)。电场(105)：1)垂直于与辐射表面(204)平行的进入的p-偏振分量(100pp)；2)平行于与辐射表面(204)平行的s-偏振分量(100s)；3)垂直于与辐射表面(204)垂直的p-偏振分量(100po)；4)平行于p-n结界面(98)，并且5)正交于耗尽区电场(106)。
已经描述了本公开的许多实施例。然而，应理解在不偏离本公开的实质和范围的情况下可以进行许多修改。元件的各次序和实施方式可以从实施例的图中得到。例如，互换图6中的光学带通滤波器和偏振分束器的次序或利用不同方法产生滤谱器(15a)。此外，具有可变带隙的III-V三元Ga1-xInxAs，Ga1-xInxSb和InAsyP1-y化合物半导体是可用于本体12的材料。可以使用带隙调节和高线性光学传输。此外，磁场和/或电场的使用可与SPA光伏装置一起使用。
在这里描述的不同实施例的各元件可组合形成上面没有特别说明的其它实施例。在单一实施例说明中描述的各元件也可以单独或以任何适当子组合形式提供。在这里没有特别说明的其它实施例也在附属权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种方法，包括利用非线性多光子吸收将非相干光辐射转换成电功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性多光子吸收发生在一本体中，并且在所述本体中产生所述非线性多光子吸收。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性多光子吸收发生在具有预定带隙能量的本体中，并且其中所述非相干光辐射包括具有低于所述预定带隙能量的能级的光子。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述本体是半导体本体。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述非线性多光子吸收产生包括电子和空穴的载流子，并且包括在所述本体外面提供电路以为载流子提供电路径。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括为所述本体提供一对电极，所述一对电极与所述本体欧姆接触，所述电路径被提供在所述一对电极之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述光能具有等于或大于105W/cm2的光通量。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，所述本体是三元和二元半导体本体。
9.一种在具有预定带隙能量的本体中产生非线性多光子吸收的方法，包括：
将所述本体置于具有光子的非相干电磁辐射源中，所述光子具有比在所述本体内产生载流子流的所述预定带隙能量低的能量；以及
将载流子耦合到所述本体外面的负载。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非线性多光子吸收是双光子吸收(TPA)过程。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述本体是半导体本体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述本体具有p-n结。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述非线性多光子吸收产生包括电子和空穴的载流子，并且包括在所述本体外面提供电路以为载流子提供导电路径。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括为所述本体提供一对电极，所述一对电极与所述本体欧姆接触，其中所述导电路径被提供在所述一对电极之间。
15.一种方法，包括：
将一本体置于非相干电磁辐射源中，所述非相干电磁辐射源具有能量低于所述本体的能量带隙的光子并且具有与光子强度(单位面积功率)Ik相关的光子能Ek，具有足够的强度在所述本体中、以与N个光子强度的乘积，I1xI2x…xIN，成比例的速率、产生功率为P的非线性N-多光子吸收，其中N大于1，由被吸收的功率在所述本体中产生电子-空穴对；以及
将电子-空穴对转换成横跨所述本体的电势。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括横跨所述电势连接负载。
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