Для солнечных элементов, используемых в фототермических уста­новках или коллекторах, были разработаны на основе полупрозрач­ных металлических4 пленок и диэлектрических слоев интерферен — ционой толщины покрытия двух типов [306].

Селективные покрытия первого типа, предназначенные для сол­нечных элементов, работающих в условиях концентрированного солнечного излучения [304], наносятся на лицевую поверхность обычных солнечных злементові со сплошным тыльным контактом. Помимо того, что эти покрытия обеспечивают необходимые оптиче­ские свойства в широком спектральном диапазоне, их применение позволяет решить проблему снижения последовательного сопротив­ления солнечных элементов, что является обязательным условием для эффективного преобразования солнечной энергии в электриче­скую при повышенной интенсивности излучения.

Селективные покрытия второго типа, разработанные для сол­нечных элементов, прозрачных в инфракрасной области спектра [23, 110, 111], наносятся на их тыльную поверхность и позволяют повысить поглощательную способность ас (повышая полезное тепло­вое использование солнечного излучения за краем основной полосы поглощения полупроводника) и одновременно уменьшить собствен­ное тепловое излучение. При однократной солнечной освещенности наиболее высокие электрические характеристики имеют солнечные элементы с покрытиями именно этого типа.

Экспериментальные исследования по созданию многослойных се­лективных покрытий основывались на результатах расчетной опти­мизации (см. ЗЛ и работы [23, 111, 304]).

Для получения селективных покрытий первого типа применя­лись солнечные элементы с глубиной залегания р—тг-перехода ^0,8 мкм, легированный слой которых создавался методом термо­диффузии через пористую окисную пленку и имел ступенчатое рас­пределение примесей [121, 122, 125]. Покрытия наносили методом термического испарения в вакууме при давлении порядка 10“3 Па. Чтобы предохранить солнечные элементы от закорачивания в процес­се напыления металла, их края и торцы защищались маской. Со­здание таких покрытий потребовало проведения довольно большого объема экспериментальных исследований, поскольку, помимо полу­чения необходимых оптических характеристик, следовало обеспечить омический контакт покрытия с поверхностью солнечного элемента и низкое слоевое сопротивление тонкого металлического слоя, яв­ляющегося составной частью элемента.

Изучавшиеся структуры схематически изображены на рис. 3.7". Первоначально пленка серебра толщиной 1^70 А создавалась непо­средственно на поверхности солнечного элемента и на эту пленку^ наносился просветляющий слой сульфида цинка толщиной /^500 А (см. рис. 3.7,а). При напылении в вакуумной камере устанавлива­лась стеклянная пластина, и толщина металлической пленки кон­тролировалась по степени прозрачности системы пленка серебра — стекло при Я=0,65 мкм. Пленка серебра толщиной /^70 А на стек­лянной подложке имела коэффициент пропускания 60%, что близко к данным, опубликованным в работе [293, 294]. Слоевое со­противление пленки, измеренное четырехзондовым методом, состав­ляло приблизительно 5 Ом/О» Последовательное сопротивление сол­нечных элементов с таким покрытием, определявшееся по методу,, предложенному в статье [71], уменьшалось, однако было не нижф 0,5 Ом-см2.

Последовательное сопротивление кремниевых солнечных элемен­тов менее 0,5 Ом-см2 удалось получить при нанесении более толстой (I—90 А) пленки серебра (что соответствует коэффициенту пропус­кания системы пленка серебра—стекло 40% [293, 294] и слое­

вому сопротивлению пленки рсл—2 Ом/D), а также путем предвари­тельного напыления на поверхность солнечного элемента тонкого (коэффициент пропускания на стекле Г^90%) подслоя хрома или титана (см. рис. 3.7, б, в). Потребовалось подобрать соответствую­щий режим термообработки в вакууме (200—220° С; 0,5 ч). Этот режим использовался и в дальнейшем при создании покрытий дан­ного типа.

Солнечные элементы, структура которых показана на рис. 3.7, а, зт отличаются тем, что у последнего на поверхность кремния предва­рительно нанесен слой сульфида цинка толщиной Z^500 А. Кроме солнечных элементов, в качестве подложек при напылении исполь­зовались легированные кремниевые диски без контактов, служившие контрольными образцами для измерения коэффициентов отражения.

Спектральные зависимости коэффициента отражения оптических

Рис. 3.7. Структура предназначенных для фототермических установок и кол­лекторов селективных солнечных элементов

1 — ZnS—Ag—ZnS; 2 — ZnS—Ag

Рис 3.9. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремниевых пластин с отражающим тыльным слоем непрозрачного серебра и селективными покрытиями

1, 2 — MgF2—ZnS—Si—ZnS—Ni—ZnS (J — psi=i Om-cm; 2 — pgi =25 Ом-см);

3 — ZnS—Si (p =i Ом cm) селективных покрытий на основе структур сульфид цинка—серебро — сульфид цинка—кремний и сульфид цинка—серебро—кремний, у ко­торых слой серебра имел одинаковую толщину (коэффициент про­пускания на стекле составлял примерно 40%), приведены на рис. 3.8. По ходу кривых в инфракрасной области спектра можно судить об электрических свойствах серебряной пленки. Высокий коэффициент отражения от поверхности покрытия сульфид цинка—серебро—суль­

фид цинка свидетельствует о том, что пленка серебра, напыленная на слой сульфида цинка, по электропроводности существенно пре­восходит пленку серебра, нанесенную непосредственно на поверх­ность кремния. Действительно, измерения показали, что для струк­туры сульфид цинка—серебро—сульфид цинка—кремний є=0,1, а для структуры сульфид цинка—серебро—кремний 8=0,6. Различная электропроводность пленок объясняется более совершенной струк­турой пленок серебра в системе сульфид цинка—серебро—сульфид цинка—кремний. Аналогичное явление было отмечено при нанесе­нии однослойных пленок серебра и структур серебро—сульфид цин­ка на поверхность стекла [307, 308]. Пленка серебра, полученная испарением в вакууме на поверхность кремния или стекла без под­слоя сульфида цинка, имеет трещины и разрывы.

При создании структуры сульфид цинка—серебро—сульфид цин- ка-^кремний вследствие регулярной пористости слоя сульфида цин­ка, нанесенного непосредственно на поверхность кремния, осущест­вляется контакт пленки серебра с кремнием, что подтверждается низкими значениями последовательного сопротивления (0,2—0,5 Ом — — см2) солнечных элементов этой структуры.

Таким образом, селективные покрытия сульфид цинка—серебро — сульфид цинка, наносимые на лицевую поверхность кремниевых солнечных элементов, обеспечивают 8—0,1 и прирост тока короткого замыкания порядка 15% (за счет частичного просветления поверх — рости кремния в спектральной области чувствительности элементов). Наличие пленки серебра приводит к довольно быстрому возрастанию коэффициента отражения структуры в ближней инфракрасной об­ласти и, следовательно, к недостаточно полному поглощению сол­нечного излучения, основная часть которого сосредоточена в области длин волн Л<4 мкм, в то время как некоторое поглощение света с превращением его в тепло в самой пленке серебра не является отрицательным эффектом в комбинированном фототермическом пре­образователе солнечной энергии.

Для изготовления экспериментальных образцов многослойных се­лективных покрытий второй группы, расположение слоев в которых показано на рис. 3.7, д, применялся кремний д-типа с удельным со­противлением psi—1 и 25 Ом-см, используемый для создания солнеч­ных элементов на основе p—i—n — и п+—п—д*-структур. Толщина полированных кремниевых пластин составляла 0,3 мм, остальные слои структуры имели толщину, близкую к оптимальной расчетной [23]. Покрытия осаждались методом вакуумного испарения, конт­роль толщины слоев осуществлялся с помощью предварительно от­градуированного кварцевого резонатора.

Спектральные зависимости коэффициента отражения полученных структур, у которых толщина слоя никеля составляла приблизитель­но 100 А, а в качестве высокоотражающего металла применялось серебро, изображены на рис. 3.9 (кривые 1 и 2). Для сравнения приведена спектральная характеристика структуры с однослойным

просветляющим покрытием из сульфида цинка и непрозрачным слоем серебра, нанесенным непосредственно на тыльную поверхность (кри­вая 3).

Предлагаемые покрытия (кривые І, 2} обеспечивают в условиях АМ2 и AM 1,5 интегральное значение коэффициента поглощения ас^0,90. Однако при использовании кремния с pSi=l Ом см (кри­вая 1) при Х>8 мкм наблюдается резкое снижение коэффициента отражения, в результате чегр е (при комнатной температуре) со­ставляет 0,34 Это снижение Д, как показали измерения в инфра­красной области спектральных зависимостей коэффициентов про­пускания и отражения полированных кремниевых пластин толщи­ной 0,3 мм (без каких-либо покрытий), вызвано увеличением по­глощательной способности кремния А=1—Д—Т.

Расчеты* выполненные И. П Гавриловой, позволили оценить, на­сколько снизится поглощательная способность при уменьшении тол­щины кремниевой пластины (при psi=l Ом*см), допустим, от 0,3 до 0,1 мм Для определения показателя поглощения к кремния в инфракрасной области использовалось известное значение его пока­зателя преломления п=3,42 [25, 27, 28] и какая-либо одна из еле — дующих формул для оптической системы воздух—кремний-воздух:

или

гр__ (1 — г)2 ехр (— 4nkl/k)

1 — г2 ехр (— Snkl/X) 9

полученных суммированием интенсивностей (пластина кремния имеет неинтерференционную толщину Г) многократно отраженных лучей с учетом того, что в результате однократного прохождения слоя поглощающего материала толщиной I интенсивность излучения ослабляется в ехр(—ЫЫ/%) раз В соотношениях (314) и (315)

где |/о|2 и ІМ2-френелевские коэффициенты отражения на гра — ницах воздух—кремний и кремний—воздух. Значения R и Т были взяты по результатам измерений пластин кремния с Z—0,3 мм

Найденные значения к при Л=10, 20, 25 и 30 мкм составляют 0,0004; 0,0013; 0,0021 и 0,027 соответственно. Поглощательная спо­собность А=1— Д—Г, рассчитанная с использованием формул (3 14) и (3 15) для 1=0,1 мм, при Я=10, 20, 25 и 30 мкм снижается с 11,5; 23,5; 25,0 и 26,5% (экспериментальные данные для Z=0,3 мм) до 4,9, 7,6; 9,6 и 10,0% соответственно. Таким образом, при умень­шении толщины кремниевой пластины, на которую наносится се­лективное покрытие, можно ожидать значительного снижения е.

Более низкой поглощательной способностью в инфракрасной об —

ласти обладает высокоомный кремний [25, 32, 185]. При использо­вании кремниевых пластин p-типа толщиной 0,3 мм с pSl=25 Ом см получены оптические структуры, имеющие при комнатной темпера­туре є=0,16 Согласно оценочным расчетам при 100° С нормальная степень черноты этих структур є „=0,15, в то время как у струк­тур на основе кремния с pSi=1 Ом см она равна 0,3.

Проведенные исследования показали, что нанесением многослой­ных селективных покрытий на высокоэффективные солнечные эле­менты, прозрачные в инфракрасной области, можно повысить ас до 0,9 за счет поглощения солнечного излучения в более широком спектральном диапазоне и одновременно достичь значений є<0,16 благодаря высокой отражательной способности структуры в инфра­красной области. Выходные электрические характеристики солнеч­ных элементов при этом не снижаются по сравнению с исходными, в то время как высокие значения отношения ас/г обеспечивают зна­чительное увеличение тепловой составляющей КПД фототермиче- ской установки или коллектора.

Одна из наиболее перспективных моделей преобразователей солнеч­ной энергии — комбинированная фототермическая установка, выра­батывающая одновременно тепловую и электрическую энергию, имеющая более высокий КПД по сравнению с КПД теплового кол­лектора и суммарным КПД тепловой и фотоэлектрических установок,

J, f — 0,02 кОм/П; 2, 2′ — 0,1, 3, 3′ — 1,0 кОм/П работающих в раздельном режиме. Эффективные фототермические преобразователи могут быть созданы на основе коллекторов солнеч­ной радиации, у которых вместо селективных покрытий на погло­щающей поверхности установлены полупроводниковые фотоэлемен­ты [302, 303]. В фототермических установках могут использоваться плоские коллекторы, однако для повышения КПД преобразования солнечной энергии в тепловую и удешевления систем целесообразна применять наиболее эффективную конструкцию трубчатых вакууми — рованных коллекторов в сочетании ъ концентраторами солнечного излучения [23]. Фотоэлементы в таких системах преобразуют сол­нечное излучение в электрическую энергию и одновременно выпол­няют функции селективной поверхности.

Благодаря высокому энергетическому выходу комбинированные фототермические преобразователи могут широко применяться в на­земных условиях при создании солнечных домов. Кроме того, су­ществуют специфические области применения таких преобразовате­лей энергии, например в системах теплорегулирования космических аппаратов.

В фототермических установках можно использовать кремниевые фотоэлементы, технология изготовления которых хорошо разработа­на. Одна из основных причин, ограничивающих возможность полу­чения высоких значений КПД планарных фотоэлементов при кон-< центрированном излучении, связана с потерями мощности на сопротивлении растекания легированного слоя и сопротивлении кон­тактных полос на рабочей поверхности. Однако для создания фото­элементов, работающих в фототермических установках, требуется оптимизация не только электрофизических, но и оптических пара­метров. Поверхность фотоэлементов даже без применения специаль­ных покрытий обладает селективными свойствами (просветленная полированная поверхность сильнолегированной кремниевой пласти­ны имеет интегральный коэффициент поглощения солнечной радиа­ции ас—0,9-М),92 и интегральный коэффициент собственного тепло­вого излучения 8^0,19-^0,24), однако при слишком большой тол­щине легированного слоя (/д^2-^3 мкм) [23, 109J.

Для солнечных элементов, используемых в фототермических ус­тановках, необходимо разработать конфигурацию контактной сетки на рабочей поверхности, максимально снижающую сопротивление растекания тонкого (/л^,3—0,5 мкм) легированного слоя, и создать оптические покрытия, позволяющие получить 8—0,1 [304]. При этом поверхность должна хорошо поглощать солнечное излучение не только в области спектральной чувствительности фотоэлемента, но и за краем основной полосы поглощения кремния [305].

о

Уменьшение собственного электромагнтного поля солнечной бата­реи, которое часто вносит искажения в результаты показаний мно­гих датчиков и приборов космических аппаратов, в частности из­меряющих распределение заряженных частиц в радиационных поя­сах Земли, представляет собой серьезную научную проблему [21] ► Если снижение магнитной составляющей поля достигается встреч­ным взаимным расположением токопроводящих соединений солнеч­ных элементов, то электрическая часть поля может быть уменьшена лишь при использовании прозрачных электропроводящих покрытий на внешней поверхности радиационно-защитных стекол, соединен­ных между собой и замкнутых на корпус аппарата [21]. Разрабо­таны разнообразные прозрачные электропроводящие покрытия, на­носимые различными методами на тонкие стеклянные пластины,, в том числе на защитные покрытия солнечных батарей, и состоящие из легированных широкозонных полупроводниковых окислов, такихг как двуокись олова, трехокись индия и их смеси [218], или выпол­ненные в виде трехслойных структур диэлектрик—полупрозрачный металл—диэлектрик [23]. На внешнюю поверхность защитных сте­кол, несомненно, целесообразнее наносить светостойкие и механиче­ски прочные покрытия из широкозонных полупроводниковых окис­лов. Наиболее сложный вопрос из возникающих при создании по­крытий для решения столь необычной научно-технической задачи — оптимизация их толщины и поверхностного слоевого сопротивления. Хорошо проводящие толстые пленки подобных окислов имеют высо­кое отражение в инфракрасной области спектра и низкий интеграль­ный коэффициент теплового излучения е, что резко увеличивает рабочую температуру солнечных батарей и приводит к падению КПД. В то же время рост поверхностного слоевого сопротивления ухудшает экранирующие свойства покрытий и затрудняет создание системы электромагнитной защиты.

Измерения интегральных оптических коэффициентов прозрачных проводящих покрытий, полученных разнообразными технологически­ми методами на внешней поверхности радиационно-защитных стеклопленок солнечных батарей, проводились при комнатной тем­пературе на фотометре ФМ-59 и термодиометре ФМ-63, а поверх­ностного слоевого сопротивления рсл — зондовым методом (табл. 3.2). При поверхностном слоевом сопротивлении электропроводящих по­крытий от 1,0 до 2,0 кОм/D коэффициент излучения е возрастает да значений, которые обеспечиваются кварцевыми защитными стек­лами [21].

Результаты спектральных измерений коэффициента зеркального отражения (рис. 3.6) отчетливо показывают, что низкое значение коэффициента є при высокой электропроводности оксиднйх покры­тий обусловливается металлическим характером отражения. Экспе­римент показал, что при поверхностном слоевом сопротивлении по­крытий от 1,0 до 2,0 кмО/D удается создать надежную систему электростатического экранирования электрической части собствен­ного электромагнитного поля солнечных батарей [301]. При этом интегральный коэффициент теплового излучения поверхности сол­нечных элементов составляет 0,8—0,82, что позволяет поддерживать на достаточно низком уровне равновесную рабочую температуру электромагнитно-чистых батарей.

Значительный защитный эффект, достигаемый с помощью прозрач­ных покрытий из плавленного кварца или нетемнеющего стекла, для солнечных элементов и батарей, работающих в радиационных поя­сах Земли, ’достаточно подробно рассмотрен в работах [22* 23, 96]. Поглощая или ослабляя низкоэнергетическую протонную и частично электронную компоненты радиационных поясов, сравнительно тон­кие (толщиной 0,3—0,5 мм) стеклянные покрытия заметно умень­шают количество частиц, попадающих в солнечный элемент, и тем самым снижают уровень радиационных повреждений, в несколько раз удлиняя срок активного существования элементов и батарей в условиях интенсивного корпускулярного облучения.

Дополнительный эффект защиты от воздействия космической ра­диации может быть достигнут, если в качестве покрытия солнечных элементов использовать стекла, способные накапливать объемный электрический заряд под действием электронов радиационных поясов Земли. Наземные исследования показали, что доза радиации за по­крытием, содержащим объемный заряд, может снижаться в зави­симости от соотношения между пробегом электронов и толщиной покрытия на 10—40%. В этом случае эффект ослабления потока электронов достигается за счет их взаимодействия не только с ве­ществом покрытия, но и с его внутренним электрическим по­лем [283].

Использование явления накопления заряда в покрытиях в усло­виях радиационных поясов Земли позволяет повысить эффективность радиационной защиты без проведения предварительной зарядки сте­кол на Земле.

Среди диэлектрических материалов, обладающих термостой­костью, радиационно-оптической устойчивостью, способностью обра­зовывать под влиянием потока электронов сильные внутренние элек­трические поля с высоким (до десятков и сотен часов) временем ре­лаксации, наилучшее сочетание свойств характерно для фосфатных неорганических стекол [284]. Среди фосфатных стекол наибольший эффект воздействия внутреннего поля на возрастание коэффициента

обратного отражения электронов наблюдается при использовании стекла с эффективным атомным номером Za,*=8 и плотностью 2,5 г/см3 [285].

Верхний слой солнечных элементов на основе гетеропереходов плен­ка ІТО—Si, Cu2S—CdS, AlGaAs—GaAs выполняет две функции: <фотоактивной области, в которой генерируются избыточные носители заряда под действием коротковолновой части солнечного излучения,

и токосъемного электрода. Так как показатель преломления слоев ITO, Cu2S и AlGaAs имеет промежуточное значение между показа­телем преломления воздуха (или стекла и полймерного защитного слоя) и базового слоя солнечных элементов (как правило, из крем­ния, сульфида кадмия или арсенида галлия), верхний слой гетеро­элементов при оптимизации его оптической толщины может выпол­нять также роль эффективного просветляющего покрытия. На спектральных зависимостях коэффициента отражения поверхности солнечных элементов на основе гетеропереходов наблюдается отчет­ливо выраженный минимум за счет эффекта просветления [23].

Расчет и эксперимент показали, что нанесение поверх слоев ITO, Cn2S, AlGaAs прозрачной просветляющей пленки с п=1,7—1,8 (на­пример, из окиси алюминия А1203) в сочетании с оптимизацией тол­щины верхнего слоя гетероперехода приводит к образованию двух­слойного просветляющего покрытия, которое снижает отражение от поверхности элементов, защищенных стеклом или полимерным слоем с н=1,5, практически во всей области спектральной чувствительности солнечных элементов с гетеропереходом. При отсутствии верхнего защитного слоя стекла или полимера (на границе с воздухом п=1) оптимальным верхним просветляющим слоем будет служить пленка двуокиси кремния (п=1,44-“1,45) или фтористого магния (д=1,38). Результаты выполненных расчетов достаточно хорошо совпадают с экспериментом [23]. К еще более широкой области низкого отра­жения приводит нанесение на верхний слой солнечных элементов с гетеропереходом двухслойных просветляющих покрытий.

Одно — и двухслойные просветляющие покрытия, позволяющие за­метно уменьшить отражение на границе между поверхностью сол­нечных элементов на основе гетеропереходов Cu2S—CdS и AlGaAs— GaAs и внешней средой с тг=1,5 были оптимизированы расчетным путем [300]. Слои Cu2S и AlGaAs рассматривались в расчетах как неинтерференционные. Результаты расчетной оптимизации для ге- теросистемы AlGaAs—GaAs представлены на рис. 3 4. В расчетах использовалась предварительно измеренная исходная спектральная чувствительность солнечных элементов на основе гетеросистемы AlGaAs—GaAs (рис. 3.4,а, кривая 1).

Пересчет спектральной чувствительности с учетом изменения спектральной зависимости коэффициента отражения после создания просветляющих покрытий проводился по специально составленной программе (на основе известных рекуррентных соотношений [191— 195]) с усреднением по фазовой толщине неинтерференционного слоя AlGaAs при использовании формул, аналогичных выведенным для многослойных структур с неинтерференционными слоями стекла, прозрачного каучука и кремния [23]. Несомненно, что в случае слоев * AlGaAs оптимальной интерференционной толщины нанесение одно — и двухслойных просветляющих покрытий привело бы к большему снижению коэффициента отражения и увеличению спектральной чувствительности.

1 — без просветляющего покрытия, 2 — просветляющее однослойное (оптимальные параметры пі=2,1, їі=800 А); 3 — двухслойное (пі=і,7, Z,=1000 А — внешний слой; 7і2=2,3, Z2=750 А — внутренний слой)

Рис. 3.5. Спектральная зависи­мость коэффициента отраже­ния тонкопленочных солнеч­ных элементов с гетероперехо­дом CU2S—ZnxCdi_sS

1, 2 — слой Cu2S получен реакцией в твердой фазе и химической обработкой соответст­венно, 5, 4 — после нанесения на элементы со слоем Cu2S, образованным химической обработкой, просветляющих покрытий ZnS (d=0,12-s-0,13 мкм) и Si02 (сі=0,іЗ— 0,14 мкм) соответственно

Следует отметить, что возможности использования верхней фото — активной области гетероперехода в качестве одного из слоев много­слойного просветляющего покрытия заметно уменьшаются, когда по­казатели преломления верхнего и базового слоев солнечных элемен­тов с гетеропереходом близки или равны. Так, при добавлении суль­фида цинка в базовый слой сульфида кадмия тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеропереходов с верхним слоем из сульфида меди наблюдается увеличение ширины запрещенной зоны базового слоя и уменьшение его показателя преломления до значе­ний, характерных для показателя преломления сульфида меди. Это явление обусловливает отсутствие интерференционного минимума на спектральной зависимости коэффициента отражения от поверх­ности тонкопленочных солнечных элементов с гетероструктурой Cu2S—ZnxCdi-33 {187]. Полученная на внешней поверхности элемен­
тов испарением в вакууме просветляющая пленка сульфида цинка с показателем преломления, близким к показателю преломления сульфида меди и базового слоя ZnxCdi-xS, не привела к появлению сколько-нибудь выраженного интерференционного минимума на спектральной зависимости коэффициента отражения (рис. 3.5, кри­вая 3) и улучшению свойств солнечных элементов такой структуры. Однако нанесение просветляющей пленки двуокиси кремния позво­ляет и в этом случае уменьшить коэффициент отражения от поверх­ности солнечных элементов с гетеропереходом (см. кривую 4).

Солнечные элементы с барьером Шоттки, полупрозрачные металли­ческие слои в селективной изоляции тепловых коллекторов и поверх­ность элементов для комбинированных фототермических преобразо­вателей следует просветлять прозрачными непоглощающими ди­

электрическими слоями, Однако выбор материалов для просветляю­щих слоев настолько ограничен, что, возможно, следует решать поставленную задачу следующим образом: подбирать материал ме­таллического слоя под определенное просветляющее покрытие, а но наоборот. Естественно, что прежде всего необходимо определить, при каких сочетаниях материалов и при каких значениях оптиче­ских констант и толщины слоев будет достигнуто минимальное зна** чение коэффициента отражения {23, 299]. Конечно, с технологиче­ской точки зрения выгоднее подучить значительный просветляющий эффект с помощью лишь однослойного покрытия.

Наиболее полное и точное описание оптических эффектов в мно­гослойных тонкопленочных системах дает электромагнитная теория света [291—295] . Методика расчета коэффициентов отражения, про­пускания и поглощения оптических систем, разработанная на этой основе, проста и сводится к решению граничной задачи, т. е. к опре­делению стационарных амплитуд векторов напряженности электри­ческого и магнитного полей на всех границах многослойной системы при поступлении световой волны с определенными характеристика­ми. Рекуррентные соотношения для комплексных амплитудных ко­эффициентов отражения и пропускания на (/—1)-й границе раздела при нормальном падении света имеют вид

представляют собой классические коэффициенты Френеля, связан­ные с (/—1)-й границей; N3~n3-~ikj — комплексный показатель пре­ломления ;-го слоя; Ф,=2— фазовая толщина /-го слоя; 4 —его геометрическая толщина. На границе раздела последнего, TH-ГО СЛОЯ И полубесконечной ПОДЛОЖКИ ВЫПОЛНЯЮТСЯ условия Гт—/я, и tm=gm. Рекуррентную процедуру начинают со стороны последнего слоя системы и заканчивают определением г0 и t0. Коэффициенты отражения и пропускания системы определяются следующими выра­жениями;

(3.7)

где т — показатель преломления среды, из которой поступает излу­чение (непоглощающая среда); Re (7Vw+i] — вещественная часть комплексного показателя преломления полубесконечной подложки.

Для оптической структуры, состоящей из однослойной прозрач­ной просветляющей пленки диэлектрика на металлическом слое — подложке с комплексным показателем преломления согласно соот­ношениям (3.3—3.7) имеем

. /о + ГХ ехр (—14rniihlk) т

0 1 + fori exp (— i4rmJtlk) ’

X ____ Щ — Щ # f _____ Щ — Kg ~f“ .

Щ + Пі ’ 1 *

R— 1/oP+1/iP+ 2l/ot )h 1 cos(ЫщуХ + arg f0 — argh) .

1 + |/o|2I/i|2+ 2|/0| I h I cos (ЫщЬ/к — arg f9 — aig /*) *

где

[ і [2 _ (no-nQV. (Щ-ъУ + и*

‘J’ («0 + «і)2 ’ ‘Л’ (щ + n2)2 + Л* ’

arg /о=я, поскольку т>п0 (для воздуха га0=1), и

. * Условием, определяющим толщину пленки it, которая при дан­ных значениях оптических констант пи п2 и к2 и длине волны Я обеспечивает минимальный коэффициент отражения системы

ятіп=(|/о|-|/і|)7(і-|/о||/і|)2, • (З. Ю)

является соотношение

Annilil‘k=axgfl+2nm (т=0, 1, 2,…).

При тп=0 получаем

иіА=‘/*Я arg /і/я, (3.41)

согласно уравнению (3.9)

n%U~1/& arctg(2wi&2/(п^—Пг—кг*)) /я, (3.12)

откуда видно, что при &2=0 и rh<n2 оптическая толщина пленки должна быть равна У 4 (результат, хорошо известный для случая просветления непоглощающих поверхностей), а при щ>щ диэлект­рическая пленка просветляющего эффекта не дает.

Для просветляющей пленки можно выбрать несколько непогло­щающих материалов с различными показателями преломления, на­пример: 1,45 (Si02); 2,3iZnS); 2,8 (ТЮ2, SiC).

С использованием соотношения (3.12) для каждого фиксирован­ного значения Пі было построено семейство кривых зависимости оп-

Рис. 3.3. Спектральные зависимости коэффициента отражения непрозрачных металлических слоев никеля (2), алюминия (2) и серебра (3) с просветляющей пленкой сернистого цинка различной толщины

J, 3 — d=350 А; 2 — <2=485 А

тимальной оптической толщины d=riiU просветляющей пленки от коэффициентов поглощения подложки к2у соответствующих ряду значений показателя преломления подложки п2 [23, 299]. Эти дан­ные показывают, что при просветлении металлов оптимальная опти­ческая толщина покрытий должна быть значительно меньше Л/4.

При каких же соотношениях между оптическими константами достигается нулевое отражение? Если выполняется условие (3.11), ТО (поскольку i? min ОПрЄДЄЛЯЄТСЯ уравнением (3.10)) Лтіп=0 при ]/о| = |/і| с учетом соотношений (3.8) при

к2= ((п2—п0) (п2—ПоП2)1по)ъ. (3.13)

Если &2=0, ТО получаем обычное условие просветления П2=ПоП2 для d=Kl4.

При к2Ф0 нулевое отражение может быть, если одновременно выполняются следующие условия:

П2>По и rii< (п0п2)ч причем оптическая толщина просветляюще — то слоя удовлетворяет условию riili=X arg/i/4n;

п2<п0 И Пі<(п0п2)11% ЧТО невозможно, так как п0=1 И Пі может быть только больше единицы.

5 М. М. Колтун

Зависимости, рассчитанные по формуле (3.10) при выполнении условия (3.11), показаны на рис. 3.2. Нулевое отражение соответ­ствует таким значениям к2, при которых выполняется соотношение (3.13). Условие получения нулевого отражения для показателя пре­ломления просветляющей пленки имеет вид

Пі= (По(п2-гк221 (п2—п0)))

Оно справедливо при п2>п0 и любых значениях к2. Если п2<п0 и к2¥=0, то значение Дпіп=0 получить невозможно.

Результаты, приведенные на рис. 3.2, позволяют сделать некото­рые предварительные заключения об эффективности применения просветляющих покрытий с различными показателями преломления. Наиболее удачными можно считать покрытия с максимально воз­можным показателем преломления, так как при фиксированных п* и к2 они обеспечивают наименьшие значения коэффициента отра­жения. Кроме того, такие покрытия позволяют получать широкий минимум коэффициента отражения, т. е. менее чувствительны к от­клонениям п2 и к2 от оптимальных значений.

Эти выводы были неоднократно подтверждены на опыте: просвет­ление, например, полупрозрачных слоев никеля, алюминия, серебра покрытием из сернистого цинка с п—2,3 приводит к значительна большему увеличению прозрачности слоев [23], чем при нанесении пленки моноокиси кремния с тг=1,8-Н,9 [219]. Причем, как ужо указывалось, при просветлении поверхности металлов в отличие от диэлектриков оптимальная оптическая толщина покрытия менее Х/А,

Полученные результаты были подтверждены экспериментально. На стеклянные пластины испарением в вакууме осаждались не­прозрачные металлические слои серебра, алюминия и никеля, на по­верхность которых напылялась пленка сернистого цинка. Ее тол­щина контролировалась с помощью кварцевого резонатора, входя­щего в измерительную систему. Спектральные зависимости коэффи­циента отражения полученных структур представлены на рис. 3.3„ а значения оптической толщины пленок сернистого цинка (rcZns=2,3) приведены в табл. 3.1 в сравнении с результатами расчета по фор­муле (3.11).

Поскольку оптические константы металлических пленок, особен­но серебряных, могут изменяться в зависимости от условий осажде­ния, предварительно были найдены константы тг2 и к2 полученных пленок. Для этого требовалось решить совместно два уравнения — <3.10) и следующее:

в_ (*»-!)» + *;

(«2+1)2Ч-^

Первое определяет минимальный коэффициент отражения ме­таллической поверхности с просветляющей пленкой, а ^второе — ко­эффициент отражения того же металла без покрытия при длине вол­ны Ктт, СООТВЄТСТВуЮЩЄЙ Дщщ (Іїщіп И R ИЗМврЯЛИСЬ ЭКСПерИМвН — тально).

Среди рассмотренных металлов лишь никель имеет благоприят­ные значения оптических констант, при которых с помощью про­светляющего покрытия возможно получение нулевого минимума коэффициента отражения (см. уравнение (3.13)).

Таким образом, наибольший просветляющий эффект можно полу­чить при использовании в качестве верхнего металлического слоя материала коллектора или солнечного элемента таких металлов, как никель, железо, титан, имеющих оптические константы, близкие к позволяющим получать теоретически почти нулевые значения ко­эффициента отражения. Этот вывод справедлив и для многослойных интерференционных покрытий, в состав которых входят тонкие полу­прозрачные металлические пленки.

Следует отметить, что оптические свойства полупрозрачных пле­нок никеля и титана приближаются к свойствам полупроводниковых слоев [286, 294] и эти пленки могут быть использованы для про­светления солнечных элементов из кремния с барьером Шоттки из высокоотражающих металлов, таких, как алюминий [220]. Опти­мальная толщина барьерного слоя алюминия выбрана по предвари­тельным результатам измерения спектральных коэффициентов про­пускания и отражения, а также слоевого сопротивления металличе­ской пленки на стекле и на кремнии, которое при толщине слоя алю­миния 50 А оказалось равным 200 Ом/d.

Пленка титана толщиной 30 А, нанесенная поверх алюминиевого слоя, действует как просветляющее покрытие, позволяя увеличить прозрачность слоя алюминия, например, при А,=0,9 мкм с 29 до 61%.

Текстурированная поверхность, получаемая после обработки в се­лективных травителях кремниевых пластин, ориентированных в плоскости {100}, обеспечивает при последующем нанесении даже однослойных просветляющих покрытий весьма низкий (1—2%) коэффициент отражения во всей области спектральной чувствитель­ности солнечных элементов из кремния [281]. Подобный способ- снижения отражения обладает следующим недостатком: поверхность является поглощающей за краем основной полосы поглощения и в связи с этим невозможно пропустить сквозь элемент или отразить нефотоактивную часть солнечного излучения — от 1,1 до 2,5 мкм [23].

Однако текстурированная поверхность позволяет за счет много­кратных отражений внутри полупроводника поглотить полностью фотоактивное солнечное излучение даже очень тонкими пластинами кремния. Тонкие пластины, необходимые для создания кремниевых солнечных элементов с высоким отношением мощности к весу, могут быть получены травлением исходных пластин монокристаллического кремния, ориентированных в кристаллографической плоскости {100}, в кипящем 20%-ном водном растворе щелочи КОН или NaOH [298]. Скорость травления при этом составляет 5—7 мкм/мин, и через 20—30 мин обычные пластины, расположенные вертикально во фто­ропластовых сосудах и имеющие начальную толщину 200—250 мкм, превращаются в тонкие, почти пленочные слои толщиной 40—50 мкм, легко изгибающиеся, но прочные. Все дальнейшие операции осу­ществляются как обычно.

Для термодиффузии легирующих щшмесеи может быть выбран любой из известных методов: диффузия в потоке газа, из пленоч­ных легирующих композиций или через пористую окисную пленку, а также диффузия из твердого источника — керамики или стекол, содержащих фосфор или бор. Создание изотипного барьера осуще­ствляется не только с помощью термо диффузии бора (для базовых слоев из га-кремния), но и путем нанесения алюминия в виде пасты с органическим связующим или термическим испарением в высоком вакууме с последующим впеканием напыленного слоя при 800° С в течение 10 мин в печи, промываемой аргоном.

Особенность химического процесса получения тонких пластин — четкая зависимость создаваемого микрорельефа от температуры раствора: если ее поднять выше 100° С, то поверхность получается гладкой и блестящей, если температура раствора менее 100° С (или концентрация щелочи ниже 15—18%), то поверхность будет иметь текстурированный характер с преимущественным возникновением пирамидальных выступов на плоскости {100}.

При высоком КПД солнечных элементов из тонких кремниевых пластин, обеспечиваемом использованием тг+—/?—р+-структур и мно­гократного прохождения света за счет применения отражающих по­крытий на тыльной стороне пластин, свободной от контактов, отно­шение мощности к весу будет достигать 1—1,5 кВт/кг [140—142].

Применение одно — и двухслойных просветляющих оптических по­крытий приводит к достаточно высокому приросту КПД солнечных элементов, достигающему по теоретическим оценкам 48—50%, а в эксперименте 40—44% [7, 13, 23, 109]. Практически такие же результаты получены при нанесении более сложных (трех—семи­слойных) просветляющих покрытий, которые в связи с этим целе­сообразно использовать лишь в каскадных солнечных элементах [23], где снижение отражения должно быть достигнуто в широкой области солнечного излучения (от 0,2 до 2,5 мкм), а не только в спектральных интервалах чувст вительности отдельных солнечных элементов.

Долгие годы усилия разработчиков были направлены на улучше­ние качества одно — и двухслойных просветляющих покрытий, нано­симых как на поверхность солнечных элементов с р-н-переходом в гомогенном или гетерогенном материале на основе кремния или арсенида галлия, так и на солнечные элементы с барьером Шоттки, внешняя поверхность которых покрыта полупрозрачной пленкой ме­талла. Специфические проблемы возникли также при уменьшении отражения путем создания развитой текстурированной поверхности солнечных элементов из монокриеталлического кремния [281, 282] и тонкопленочных элементов на основе гетероструктур Cu2S—CdS и Ch2S—CdZnS [176, 183, 186, 187, 192]. Отсутствие необходимых для расчета параметров просветляющих покрытий надежных данных по оптическим константам новых полупроводниковых материалов по­требовало проведения специальных измерений или оценок (путем сопоставления различных литературных данных) оптических кон­стант таких материалов, как, например, твердый раствор алюминия в арсенрде галлия, а также сульфиды меди и кадмия. Были выпол­нены лабораторные и натурные испытания новых типов оптических стеклянных покрытий с накоплением электростатического объемного заряда, которые, как уже указывалось, можно применять для радиа­ционной защиты солнечных элементов [23, 283—285].

Одно- и двухслойные просветляющие покрытия и уменьшение поверхностного слоевого сопротивления солнечных элементов

Прозрачные проводящие пленки на основе двуокиси олова, смесей: оксидов индия и олова (пленки ITO) или станнатов кадмия [175, 218] все чаще используются в конструкциях солнечных элементов. Если ранее эти пленки применялись только в качестве пассивных элементов конструкции — для создания прозрачных токосъемов в тыльно-барьерной конструкции солнечных элементов на основа гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия [138, 172, 175, 183], то сейчас, например, разработаны солнечные элементы на основе гетеросистемы ITO—кремний [217, 218, 223, 230], где пленка про­зрачного проводящего окисла выступает в роли широкозонного полу­проводникового окна-фильтра. Граница раздела пленка двуокиси олова—кремний характеризуется низкой скоростью поверхностной рекомбинации, что позволило применить прозрачный проводящий слой для создания изотипного барьера на тыльной поверхности дву­сторонних солнечных элементов [147].

Прозрачные проводящие окислы могут быть использованы также в качестве просветляющих покрытий, тем более что их показатели преломления, составляющие от 1,6 до 1,9 [185, 286, 287]т близки к оптимальным для материалов, из которых изготовляются одно­слойные покрытия на поверхности солнечных элементов без стеклян­ного или полимерного слоя и отдельные слои многослойных покры­тий [23].

Просветляющее покрытие из пленки ITO (с геометрической тол­щиной 700—750 А и поверхностным слоевым сопротивлением от 75 до 100 Ом/q) наносилось после удаления плазменным травлением в среде гексафторида кремния (при приложении переменного напря­жения радиочастоты) очень тонкого (приблизительно 900 А) верх­него нарушенного слоя легированной области кремниевых солнечных элементов, что приводит к увеличению шунтирующего напряжения и улучшению формы вольт-амперной характеристики, однако при этом также возрастает последовательное сопротивление элементов из-за повышения поверхностного слоевого сопротивления. Последую­щее нанесение прозрачного проводящего покрытия из пленки ITO вновь уменьшает поверхностное слоевое и последовательное сопро­тивления, в результате чего КПД элементов возрастает на 43% по сравнению со значениями, полученными до проведения плазменного травления и просветления [288].

В технологический процесс получения солнечных элементов на­земного применения [288] входят такие операции, как термодиффу­зия легирующей примеси фосфора (для создания р-~п-перехода) из пленочной композиции, предварительно нанесенной на поверх­ность кремниевых пластин методом центрифугирования, и создание изотипного барьера и тыльного контакта путем впекания токопро­водящей пасты, содержащей алюминий, и верхних токосъемных пе­чатных контактов из паст, содержащих серебро. Для разрезания кремниевых заготовок с р—и-переходом и контактами на прямоуголь­ные пластинки применялось скрайбирование лазерным лучом с тыль­ной стороны.

Однослойные просветляющие покрытия значительно увеличивают КПД фотоэлементов и просты в изготовлении, однако обладают од­ним серьезным недостатком. Для полупроводников с большим пока­зателем преломления (типа кремния) с помощью однослойных по­крытий можно добиться почти нулевого отражения на определенной длине волны, но коэффициент отражения в этом случае весьма быстро возрастает при изменении длины волны. Получить низкое отражение почти во всей области спектральной чувствительности фотоэлементов и тем самым максимально увеличить их КПД можно с помощью двухслойных просветляющих покрытий [289], нанесение которых может быть так же легко автоматизировано, как однослой­ных [290].

Решение уравнений, определяющих коэффициент отражения по­верхности с двухслойным покрытием при одинаковой оптической толщине обоих слоев, позволило выделить два оптимальных соотно­шения между показателями преломления слоев [291]:

Пі2Пд=П22По (3.1)

и

ПіП2—ПоПз, (3.2)

где rii—ns и п0—показатели преломления внешней и внутренней просветляющих пленок, подложки и внешней среды (воздух) соот­ветственно.

При оптической толщине каждога слоя, составляющей нечетное число Яшіп/4, где — длина волны, соответствующая минимуму коэффициента отражения, выполнение соотношения (3.1) позволяет получить спектральную кривую отражения с одним (нулевым) ми­нимумом. При выполнении соотношения (3.2) могут быть получены два минимума на кривой, причем в точке максимума (между этими двумя минимумами) оптическая толщина каждого слоя равна А, тах/4.

С использованием рекуррентных соотношений для амплитудного коэффициента отражения [292—295] был выполнен расчет спект­ральной кривой отражения кремния после просветления двухслой­ным покрытием из пленок сернистого цинка (nZas=2,3) й фтористого магния (nMgp2=l,38) различной оптической толщины и для сравне­ния расчет коэффициента отражения кремния после просветления однослойными покрытиями из сернистого цинка и моноокиси крем­ния SiO, а также двухслойными покрытиями из моноокиси кремния (wsio=l,9) и фтористого магния. В расчетах учитывалась дисперсия показателей преломления кремния и пленок сернистого цинка и моноокиси кремния [23].

Сравнение расчетных кривых показывает, что наиболее широкую область низкого отражения удается получить с помощью двухслой­

ных покрытий из пленок сернистого цинка и фтористого магния. Этот вывод подтверждается расчетом плотности тока короткого за­мыкания /кз солнечных элементов во внеатмосферных условиях после уменьшения коэффициентов отражения в соответствии с расчетными кривыми.

Эксперимент по нанесению многослойных покрытий показал хо­рошее совпадение расчетных и экспериментальных данных [296]. Наиболее сложную задачу представляет собой создание двухслойных покрытий, для которых внешней средой служит не воздух, а стекло или полимерный защитный слой с показателем преломления 1,4—1,5. В этом случае, как следует из расчета, целесообразно выбрать для просветления слои с показателями преломления 2,3 и 1,7 [23]. Оп­тическая толщина обоих просветляющих слоев также может быть другой: низкий коэффициент отражения во всей области спектраль­ной чувствительности фотоэлементов обеспечивается, например, не только двухслойным покрытием, каждый из слоев которого имеет оптическую толщину й—%/4 (где К—Кт в спектре излучения Солн­ца), но и покрытиями со значениями d, не кратными Х/4. В част­ности, как показал расчет, удачным является следующее двухслой­ное покрытие: первый от поверхности кремния слой с п—2,3 и d=А./5; второй слой с п== 1,7 и d—KjB; внешний защитный слой — стекло или прозрачный полимер с п=1,4—1,5 неинтерференционной толщины (от 50 до 150 мкм). /

Осуществление омического контакта к высоколегированному верх­нему слою полупроводниковых фотоэлементов через просветляющее покрытие [23, 78, 79, 297] позволяет в значительной степени устра­нить опасность закорачивания фотоэлементов с мелким р-н-пере­ходом, резко уменьшить токи утечки. Двухслойные просветляющие покрытия из-за большей суммарной толщины по сравнению с одно­слойным просветляющим покрытием затрудняют реализацию такого метода нанесения контактных слоев. Устранению этого недостатка двухслойных просветляющих покрытий способствовало бы создание одного или обоих слоев покрытия из прозрачных проводящих мате­риалов, таких, например, как пленки ITO.

Выполнены эксперименты по изготовлению двухслойных покры­

ной пластины представлена на рис. 3.1 (кривые 3 и 5). Для сравне­ния приведены кривые отражения от непросветленного кремния (кривая 1) и кремния с однослойным просветляющим покрытием (кривые 2 и 4).

Двухслойное покрытие указанного типа обеспечивает не только’ низкий коэффициент отражения от поверхности кремния в широкой области спектра, но и снижение поверхностного слоевого сопротив­ления элементов более чем в два раза, что позволяет увеличить рас­стояние между контактными полосами на лицевой поверхности и дополнительно поднять КПД за счет уменьшения площади, занимае­мой лицевым контактом.

Оптические характеристики, аналогичные представленным на рис. 3.1, были получены при замене слоя сернистого цинка в одно­слойном и двухслойном просветляющих покрытиях пленками окси­дов церия, титана и тантала.

*

Оптические покрытия позволяют значительно увеличить КПД, удлинить срок службы, улучшить электрофизические и эксплуата­ционные характеристики преобразователей солнечной энергии, осно­ванных на разных физических принципах, в том числе полупровод­никовых солнечных элементов [23]. В зависимости от области при­менения солнечных элементов изменяются задачи, решаемые с по­мощью оптических покрытий.

Когда солнечные элементы используются в основном своем ка­честве — для преобразования солнечной энергии непосредственно в электрическую, оптические покрытия снижают отражение в об­ласти спектральной чувствительности за счет эффекта интерферен­ции (просветление поверхности), увеличивают коэффициент собст­венного теплового излучения верхней и тыльной сторон элемента, защищают его от повреждений, вызываемых радиацией в космосе и неблагоприятными атмосферными воздействиями на земле.

При расположении солнечных элементов на внешней стороне тепловых коллекторов в фототермических установках, вырабатываю­щих в этом случае одновременно электрическую и тепловую энергию, оптические покрытия должны придать поверхности солнечных эле­ментов селективные свойства, противоположные обычным: при

уменьшении отражения в области солнечного излучения (и высокой прозрачности в этой части спектра), что приводит к росту интеграль­ного коэффициента поглощения солнечного излучения <хс, увеличить коэффициент отражения в широком спектральном интервале инфра­красного излучения с целью снижения коэффициента собственного теплового излучения є. Солнечные элементы в этом случае, кроме выработки электроэнергии, одновременно выполняют роль селектив­ных оптических поверхностей тепловых коллекторов солнечного из­лучения.

На свободную от солнечных элементов поверхность тепловых коллекторов должны быть нанесены селективные черно-белые по­крытия, которые обладают высоким отношением коэффициентов ас/е и являются поглощающими в области солнечного излучения (требование прозрачности покрытий в спектральной области солнеч-4 ного излучения, обязательное для солнечных элементов, в этом слу­чае снимается).

Несомненно, что оптимальные оптические характеристики покры­тий должны сочетаться со светостойкостью, способностью сохранять

неизменными исходные характеристики в течение всего срока актив­ного существования преобразователей солнечной энергии. Для оцен­ки этих качеств требуется проведение тщательных лабораторных, а также натурных наземных и космических испытаний эксперимен­тальных образцов новых покрытий и преобразователей с покры­тиями.

У чувствительных электронно-микроскопических методов анализа структуры и состава поверхностных слоев и пленок имеется один существенный недостаток: при взаимодействии электронного луча с твердым телом возможно протекание необратимых физико-химиче­ских процессов, приводящих к искажению исходных характеристик исследуемого * материала, и результаты анализа могут принести ин­формацию об уже изменившихся свойствах материала. В связи с этим разрабатываются оптические методы анализа, менее чувст­вительные, чем электронные, но не влияющие сколь-нибудь заметно на качество полупроводниковых материалов и приборов. Особенно большой интерес представляют работы по созданию растровых опти­ческих микроскопов [277, 278] и исследованию с их помощью при­месей на поверхности пластин кремния [279] и полупроводниковых структур, близких по конструкции к солнечным элементам [280].

Метод анализа свойств полупроводниковых структур, в основе которого лежит регистрация изменения фото-ЭДС, возникающей при возбуждении ее узким световым зондом, весьма перспективен [277, 278]. Сигнал фотоответа зависит от электрофизических и оптических свойств полупроводника, качества р—п-перехода и от дефектов на поверхности и в объеме исследуемого полупроводникового прибора. Регистрация сигналов фотоответа от различных точек на поверхности структур дает возможность выявлять и исследовать локальные не­однородности в свойствах полупроводниковых приборов. Ранее в установках для измерения сигнала фотоответа использовался не­подвижный световой зонд либо зонд с механическим сканированием [31], что резко ограничивало их применение.

В растровом оптическом микроскопе используется электронное сканирование светового зонда и растровый принцип получения фото — ответных изображений [277, 278]. Источником света является спе­циальная проекционная электронно-лучевая трубка, а фотоответное изображение формируется на экране индикаторной трубки с синхро­низированной разверткой. Диаметр светового зонда, определяющий разрешающую способность растрового оптического микроскопа, око­ло 2 мкм.

ч

Фотографии фотоответных изображений [278] позволяют указать место обрыва металлизированных контактных полос на поверхности полупроводниковых приборов, выявить дефекты процесса фотоли­тографии, * разобраться в вызывающих инверсию проводимости в верхних слоях полупроводника явлениях зарядообразования в тон­ких диэлектрических покрытиях. При исследованиях на растровом оптическом микроскопе, так же как и на растровом электронном микроскопе, можно использовать приставки для измерения сигнала от полупроводниковой структуры в режимах наведенного тока и на­веденного потенциала.

Полупроводниковые структуры р+—п-типа, обработанные парами

аммиака и иода, исследовались с помощью растрового оптического микроскопа при подаче небольшого напряжения в запорном направ­лении [280]. Структуры, обработанные иодом, не изменяли своих характеристик при помещении в вакуум (5*10“5 мм рт. ст.), поэтому их можно изучать и методами растровой электронной микроскопии (требующими в отличие от растровой оптической микроскопии, что­бы исследования проводились в вакууме). Характеристики образцов, обработанных аммиаком, могли быть исследованы только с помощью растрового оптического микроскопа, поскольку их необходимо было все время держать в атмосфере аммиака на воздухе. Однако при измерениях на растровом электронном микроскопе облучение элект­ронным лучом приводило у образцов обоих типов к изменению в не­сколько раз обратного тока (определение которого было основной целью) из-за образования на поверхности двойного электрического слоя. Растровый оптический микроскоп позволил провести исследо­вания, не искажая исходных свойств структур, еще раз подтвердив свои несомненные достоинства при изучении сложных физических и оптических явлений на поверхности твердого тела.