В последнее время разработаны и описаны кремниевые солнечные элементы с неотражающей рельефной поверхностью [95, 96], что является возвратом к идеям получения пирамидальной поверх­ности с помощью ультразвукового травления, высказанным бо­лее пятнадцати лет назад. В работах [95, 96] рельефная поверх­ность образована па кремниевых монокристаллических пластинах с кристаллографической ориентацией параллельно плоскости (100) после обработки в травителях типа гидрата гидразина [95] или щелочи [96]. Травители данного типа позволяют в силу селектив­ного преимущественного удаления кремния в определенных крис­таллографических направлениях создать поверхность, изображен­ную схематически па рис. 2.26. За счет многократного отражения световых лучей от выступов поверхности суммарное отражение заметно снижается и последующее просветление (после проведения операций образования р — и-перехода и нанесения контактов) с помощью пленки с п ^ 2,3 (например, из Та205) позволяет умень­шить коэффициент отражения до 2—3% практически во всем ин­тервале спектральной чувствительности кремниевых солнечных элементов (рис. 2.27).

РИС. 2.24. Изменение во времени тона нагрузки эн — спериментальпых модулей из кремниевых фотоэлемен­тов с различными оитиче — сними покрытиями, уста­новленных на спутнике Земли «Молнин-1» и

I — ZnS + каучук + стекло с 2% СеОа (І = 1,0 мм); 2 — 20 пластина плавленого кварца (1 — 1,0 мм) над поверхностью непросветленного Si; з — ZnS — I — /0 — І — иремиийоргаїшчсский стой (I = ЗО мкм;) 4 — SiO W =

0,15 мкм) о 4ff sff m m 200

РИС. 2.25. Температурная c — зависимость интегрального " коэффициента излучения в 0J полусферу e. h трехслонных покрытий для фотоэлемен — 00 — тов (из эксперимента па АМС «Венера-6») 07

РИС. 2.26. Схематическое изображение рельефной по­верхности с равномерно распределенными углубле­ниями

РИС. 2.27. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремниевых фо­тоэлементов с полирован­ной (1,2) и рельефной (3, 4) поверхностями

1.3 — до просветления;

2.4 — с пленкой Та,0,

Преимуществом элементов с неотражающей поверхностью является также поглощение всего фотоактивного для кремния солпечпого излучения на глубине в несколько раз меньшей, чем у элементов с обычной полированной поверхностью.

Однако, технология нанесения токосъемных контактов па кремниевые пластины с рельефной поверхностью и получение р — н-перехода в них намного сложнее (обратные токи таких фо­тоэлементов из-за большой площади р—п-перехода должны заметно возрасти). Обнаружена экспериментально также значительная деградация характеристик новых фотоэлементов во времени [49].

Еще более серьезным и менее устранимым недостатком новых фотоэлементов является полное поглощение ими не только фото — активной, по и пефотоактивной части солнечного излучения г. силу того, что величина неоднородностей и углублений па рельефной поверхности, составляющая 2—5 мкм [95, 96], превышает значе­ние X основного интервала солнечного излучения (0,2—2,5 мкм). Вследствие этого фотоэлементы с такой рельефной поверхностью не могут быть сделаны прозрачными в инфракрасной области солнеч­ного спектра и для уменьшения их равновесной температуры в космосе придется использовать лишь многослойные (36—58 слоев) и дорогостоящие тонкопленочные фильтры [74, 82].

В то же время фотоэлемент, прозрачный за длинноволновым краем основной полосы поглощения, может быть селективным по спектру, пропуская сквозь себя нефотоактивную часть солпечного излучения и полностью (как и фотоэлементы с рельефной поверхно­стью) поглощая и используя только фотоактивное излучение, если, конечно, выбрать для базового слоя полупроводниковый материал с достаточно большой диффузионной длиной (200—300 мкм), чтобы собрать все свободные носители заряда, образуемые излучением в глубине базового слоя. С помощью двух — или трехслойных про­светляющих покрытий от поверхности фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области спектра, может быть обеспечено столь же низкое отражение, как от рельефной поверхности, что видно из сравнения рис. 2.6 и рис. 2.27.

Разработка в ближайшем будущем фотоэлементов, спектраль­ная чувствительность которых будет простираться на всю область солпечпого спектра, например каскадных солнечных элементов, потребует перехода к многослойным просветляющим покрытиям на внешней полупроводниковой поверхности, которые обеспечат низкое значение коэффициента отражения в очень широкой об­ласти спектра. Основы теории и практики получения таких покры­тий в настоящее время созданы [25, 28, 58].

Для расширения спектральной чувствительности фотоэлемен­тов можно использовать не только каскадные структуры из несколь­ких полупроводниковых материалов, но и такие трансформаторы і петовой энергии, как люминофоры.

Существуют, например, люмипофорпые покрытия, превращаю­щие ультрафиолетовое излучение в видимое и одновременно проз­рачные для излучения 0,4 мкм. Кремниевый фотозлемепг

с таким покрытием на внешней поверхности будет обладать чув­ствительностью как в характерной для него области спектра (0,4 —

1,1 мкм), так и в ультрафиолетовой (от 0,2 до 0,4 мкм). К сожале­нию, однако, эффективность световой трансформации прозрачными люминофорпыми слоями невысока (особенно, если принимать во внимание только полезное для фотоэлемента излучение, выходя­щее через одну из сторон люминофорного слоя) и составляет не более 10—20%. Доля ультрафиолетового излучения в солпечпом спектре около 9%, КПД преобразования фотоэлементов 10—12% (в области 0,4—1,2 мкм) и вклад люминесцентного покрытия в увеличение КПД составит не более десятых долей процента.

Таким образом, этот путь расширения спектральной чувстви­тельности следует признать целесообразным только при использо­вании фотоэлементов в качестве широкополосных свстоприемников или индикаторов излучения, а не для создания на их основе энер­гетических систем с высоким КПД.

Уже сегодня выдвигаются высокие требования не только к оптическим свойствам просветляющих покрытий, но и к их струк­турному совершенству [97], особенно если контакт к легирован­ному слою осуществляется через просветляющее покрытие [68, 98]. В дальнейшем, вероятно, эта тенденция усилится и просветля­ющие покрытия будут одновременно выполнять функции слоев, пассивирующих полупроводниковую поверхность, уменьшающих скорость поверхностной рекомбинации, люмипесцирующих, ста­билизирующих и в некоторых случаях фотоактивных.

Несомненно, что по мере разработки гетерофотопреобразовате­лей из комбинаций различных полупроводниковых слоев и плепок возрастет необходимость учета свойств верхнего слоя гетероперехо­да, оптические параметры и толщину которого необходимо оптими­зировать, рассматривая его как нижний слой многослойного про­светляющего покрытия (см. 1.6, 2.1 и [68]).

При расчете и получении многослойных просветляющих покры­тий придется в будущем учитывать также оптические параметры и толщину слоя естественного окисла самого полупроводникового материала (как в гомогенных, так и гетерогенных системах). Возможно, что окажется целесообразным перед просветлением не удалять его (как это сейчас делается), а оставлять на поверх­ности, используя его высокие пассивирующие и защитные свойства.

Вероятно, такая же тенденция должна проявиться и в дальней­ших разработках защитных и теплорегулирующих покрытий. Опти­ческие свойства стекол могут измениться, если использовать для за­щиты от радиации пе только поглощение ими части корпускулярного облучения, но и эффект электростатического отталкивания заря­женных частиц полем созданного в стекле заряда [99, 100]. Услож­нятся расчет и создание защитных покрытий, если будет необхо­димо для стабилизации выдаваемой солнечными элементами элек­трической мощности применить фотохромныо стекла, которые изменяют коэффициент пропускания в зависимости от уровня освещенности [101].

Увеличению удельных характеристик солнечных батарей будет способствовать переход от стеклянных защитных покрытий к поли­мерным (фторсополимерпые пленки [59] или кремнийорганические лаки [55, 79]). имеющим в 1,5—2 раза меньшую плотность, чем стекло.

Перспективным является также создание защитных покрытий с микрорельефом на внешней поверхности стекла или полимера с целью повышения КПД солнечных элементов [102].

Контактные полосы приемной поверхности солнечных элемен­тов с такими защитными покрытиями оказываются как бы в тени: солнечное излучение, преломленное пилообразной рельефной поверхностью защитной пластинки попадает только на открытую часть поверхности фотоэлемента, обходя контактные полосы. Благодаря этому КПД увеличивается пропорционально площади, занимаемой контактными полосами [102], и это увеличение может составлять 5—7%.

Создание особого микрорельефа на внешней поверхности за­щитных покрытий может, как уже было показано в 2.2, привести к ослаблению зависимости КПД солнечных элементов от угла па­дения солнечных лучей. Эксперименты, проведенные в высокогор­ных условиях, показали, что использование таких покрытий по­зволяет увеличить КПД на 30—50% при падении света под углом 60—80° по сравнению с покрытиями из полированных стеклопле — нок или полимеров.

Эксперимент подтвердил также, что если углубления на внеш­ней поверхности защитных покрытий с развитым микрорельефом становятся соизмеримыми с А, в области собственного теплового излучения поверхности (3—30 мкм), то удается повысить ел для полимеров и стекол с 0,86 до 0,95, еще больше приблизив его к теоретически предельному значению. Несомненно, это является очень полезным для фотогенераторов, работающих в условиях радиационного теплообмена, и указывает на еще одно перспектив­ное направление исследований.

Исследования фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, с просветляющими и теплорегулирующими покрытиями с обеих сторон в условиях радиационного теплообме­на подтвердили результаты лабораторных измерений.

Экспериментальные датчики, установленные на одном из спутников серии «Космос» [92], представляли собой две небольшие секции, каждая из тридцати кремниевых фотоэлементов, соеди­ненных последовательно. Датчики работали в режиме холостого хода, для чего во внешней цепи последовательно с ними были вклю­чены большие сопротивления (несколько кОм) и два стабилитрона. Каждый из датчиков был укреплен на стеклосетке, пропускающей

юо

85—90% излучения в области 1,1 —3,0 мкм; стеклосетка была натя­нута на выносные рамки, укрепленные в одной плоскости с панеля­ми солнечных батарей. Выносные рамки, как и сами сол печные бата­реи, имели постоянную ориентацию на Солнце. Первый датчик был изготовлен из кремниевых фотоэлементов с глубиной залегания р — п-перехода 0,5—0,7 мкм и контактной сеткой, занимавшей не более 5% площади рабочей и тыльной полированных поверх­ностей. На обе поверхности были нанесены трехслойные покрытия (см. 2.2): просветляющее покрытие ZnS + клеящий слой эластич­ного при низкой температуре кремнийорганичес-кого каучука + + пластина из прозрачного радиационно-стойкого стекла. Оптиче­ская толщина покрытия на рабочей поверхности равна 0,15 мкм, стекла —500 мкм, на тыльной стороне —0,3 мкм и 200 мкм со­ответственно. К несущей стеклосетке датчик был приклеен с тыль­ной стороны прозрачным кремнпйорганическим каучуком.

Второй датчик был изготовлен из кремниевых фотоэлементов со сплошным контактом, нанесенным на предварительно шлифо­ванную тыльную поверхность, и вследствие этого непрозрачных в области 1,1—3,0 мкм и с малым суммарным отражением (15 — 20%) в этой области спектра. На рабочую сторону второго датчика наносилось трехслойное покрытие, на тыльную сторону — белая акриловая эмаль сеж 0,95.

До проведения эксперимента в лабораторных условиях была измерена зависимость напряжения, выдаваемого датчиками, от температуры. Для стабилизации температуры датчиков в процессе измерений они погружались в прозрачное кремнийорганическое масло, температура которого фиксировалась с помощью точного термометра. Датчики освещались сквозь масло имитированным излучением Солнца интенсивностью 1360 Вт/м*. Полученные гра­дуировочные зависимости позволили по телеметрическим значе­ниям напряжения, вырабатываемого датчиками при освещении вне­атмосферным Солнцем, определять их температуру в любой момент полета на освещенной части орбиты. Точность использованного метода измерения температуры [93J составляла + 1° С.

Равновесная рабочая температура первого датчика из про­зрачных в инфракрасной области фотоэлементов колебалась в ин­тервале 40—42° С, температура второго датчика, установленного для сравнения,— в пределах 54—58° С. Небольшие колебания равновесной температуры были вызваны, вероятно, небольшим изменением ориентации плоскости датчиков относительно Солнца. Полученные данные говорят об эффективности предложенного нами способа уменьшения равновесной температуры фотоэлементов.

Уменьшение температуры прозрачных в инфракрасной области фотоэлементов по сравнению с обычными на 12—18° С означает увеличение электрической мощности на 6—9%. Равновесная рабо­чая температура обоих датчиков сохранялась постоянной на про­тяжении 3,5 мес, что говорит также о стабильности оптических свойств разработанных для фотоэлементов покрытий.

Дополнительным преимуществом фотоэлементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, является их стойкость к резкому термоциклированию в вакууме. Удаление контактного слоя с большей части тыльной поверхности, крепление секций на гибкой и эластичной подложке вместо жесткой металлической •позволили в значительной мере снять внутренние напряжения па границах контактирующих сред.

Как показали дополнительные исследования, термоциклирова — пие, происходящее при заходе в тень Земли и выходе из нее, вы­держивается фотоэлементами, прозрачными в инфракрасной области солнечного спектра, без какого-либо уменьшения отдавае­мой ими электрической мощности.

Проведенный эксперимент и полученные данные по темпера­туре датчиков позволили провести проверку точности лаборатор­ных измерений радиационных характеристик поверхности фото­элементов. Основное сомнение при лабораторных испытаниях вызывает точность измерения ас: при измерениях приходится

пользоваться имитированным солнечным излучением, которое не во всех спектральных интервалах точно совпадает с распределением энергии излучения в спектре внеатмосферного Солнца.

Подставив в известные уравнения теплового баланса для фото­элементов в условиях радиационного теплообмена (2.2) получен­ные из лабораторных измерений значения е и из космических — равновесной температуры, можно было подсчитать (с учетом теплового излучения Земли и отраженного от Земли солнечного излучения) величину ас. Для обычных фотоэлементов она оказа­лась равной 0,92—0,93, для прозрачных фотоэлементов — 0,72— 0,73, что близко к значениям, полученным при лабораторных испытаниях.

Для проверки результатов лабораторных испытаний трехслой­ных покрытий на спутниках, неоднократно пересекающих во вре­мя полета радиационные пояса Земли, таких, как «Электрон» и «Молния-1», были поставлены эксперименты по исследованию влияния длительного ультрафиолетового и радиационного облуче­ния на прозрачность оптических покрытий для кремниевых фотоэле­ментов [71]. Например, один из экспериментов состоял в измерении во времени тока короткого замыкания и тока нагрузки распо­ложенных рядом, постоянно ориентированных на Солнце экспе­риментальных модулей, в одном из которых на каждый фотоэле­мент было нанесено трехслойное покрытие, а над другим была закреплена пластина из плавленого кварца с помощью металличе­ской обоймы (без кремнийорганического клея между стеклом и непросветленными фотоэлементами). Полученные эксперименталь­ные данные представлены на рис. 2.24. Отсутствие сколько-нибудь заметного различия в ходе кривых 1 и 2 за более чем семимесячный период пребывания модуля на орбите показывает, что оптические характеристики и прозрачность всех трех слоев разработанного покрытия, сочетающего просветление поверхности и улучшение теплового баланса фотоэлементов с защитой их от воздействия радиации, практически не изменяются при длительной экс плуата — ции в радиационных поясах Земли.

Следует отметить, что в работе [94] было отмечено некоторое потемнение оптических покрытий на основе кварца и каучука в аналогичных летных испытаниях, что, вероятно, объясняется прозрачностью кварца в ультрафиолетовой области спектра и раз­личием сортов каучука, выпускаемого в СССР и США.

Из рис. 2.24, на котором приведено также изменение в тех же условиях тока нагрузки модулей, снабженных тонкими двухслой­ными и однослойными покрытиями (кривые 3, 4), видно, что даже сравнительно небольшое возрастание плотности защиты позволяет значительно увеличить стойкость фотоэлементов к поврежда­ющему воздействию радиации.

Из космических экспериментов с высокой точностью могут быть определены также необходимые для точных тепловых расчетов коэффициент собственного теплового излучения поверхности в полусферу eh и его температурная зависимость. Для приближен­ных расчетов обычно используется нормальная степень черноты е„ (в направлении нормали по отношению к поверхности), которая, например, для стеклянных покрытий превышает значение sh на 0,04-0,06.

Лабораторные измерения с помощью фотометра ФМ-59 и спект­ральные измерения отражения при различных температурах на спектрофотометрах СФ-10 и ИКС-14 позволили определить и рассчитать для трехслойных покрытий при 30° С ас = 0,92 0,93.

Изменение ас при увеличении температуры от 30 до 150° С не пре­вышает +5%. Определение температурной зависимости коэф­фициента излучения в полусферу Е/, в лабораторпых условиях значительно сложнее. В частности, терморадиометр ФМ-63 позво­ляет получить значения є только при температуре 15—30° С и для углового поля зрения, не превышающего 110°.

Расчетным путем можно было определить в при углах, близких к нормали, так как в области 3,0—40 мкм с достаточной точностью могли быть проведены спектральные измерения коэффициента отражения фотоэлементов только при угле падения излучения не более 11—15°. Радиометрические измерения eh в лаборатории при­водят к ошибкам, достигающим 50% [411. Для точного определе­ния ел трехслойных покрытий был поставлен ряд космических экспериментов. На автоматических межпланетных станциях «Венера-5», «Венера-6» и на спутниках Земли серии «Молпия-1» были установлены теплоизолированные от корпуса эксперимента —

лытые датчики, укрепленные па выносных металлических рам­ках с натянутой стеклосеткой. На стеклосетку с обеих сторон были наклеены секции фотоэлементов с трехслойными покрытия­ми, а внутри вклеен чувствительный термодатчик. Одинаковые СО всех сторон фотоэлементов коэффициенты ас И Є/, позволяли по полученным телеметрическим данным о равновесной температу­ре и лабораторным значениям ас определить коэффициент излуче­ния В полусферу 8,1 трехслойпых покрытий (ZnS + каучук + + радиационно-стойкое стекле). Датчики на спутниках серии «Мол­ния-1», работавшие в условиях постоянной солнечной освещенности, позволили определить eh трехслойных покрытий при 55—70° С, который оказался равным 0,84—0,86. Датчики на AMG «Венера-6», постепенно нагревавшиеся по мере приближения к Солнцу, сдела­ли возможным измерение коэффициента излучения в полусферу в диапазоне 40—120° С (рис. 2.25). Полученные данные позволили уточнить тепловые расчеты солнечных батарей.

Стабильность оптических свойств, высокий коэффициент соб­ственного теплового излучения, подтвержденные в космических экспериментах, говорят об эффективности использования трех­слойных покрытий для улучшения теплофизических характеристик поверхности полупроводниковых фотоэлементов и защиты их от космической радиации.

2.3.

Значительно более простым способом уменьшения ас является отражение излучения в области 1,1—3,0 мкм с помощью блестя­щего металлического контакта, наносимого термическим испаре­нием в вакууме на предварительно механически или химически полированную тыльную сторону фотоэлементов. Принципиальная возможность такого метода основана на высокой прозрачности чистых полупроводниковых материалов за краем основной полосы поглощения, в частности для кремния при к 1,1 мкм. Наличие в кремниевых фотоэлементах сильнолегированного диффузион­ного слоя приводит к уменьшению прозрачности в области к ^> ^>1,1 мкм вследствие сильного поглощения свободными носителя­ми заряда. Однако, как следует из главы 1, при уменьшении I силь­нолегированного диффузионного слоя прозрачность за краем основной полосы поглощения резко возрастает, приближаясь при I <[ 1 мкм к прозрачности нелегированного полупроводнико­вого кристалла [83, 84].

Разработанные особые технологические приемы, такие, как контролируемая короткая диффузия в потоке газа [66], внедрение легирующих примесей методом ионной бомбардировки с последую­щим отжигом [85], термодиффузия на воздухе через предваритель­но созданную на поверхности анодную окисную пленку [36], по­зволили создать фотоэлементы, обладающие повышенной чувстви­тельностью в области максимума энергии солнечного излучения и имеющие толщину диффузионного слоя I 0,5 мкм. Как показа­ли измерения, поглощение в таких слоях (несмотря на концентра­цию носителей 2-1020 см-3) в области спектра 1,1—3,0 мкм практи­чески отсутствует. Это означает, что при правильном выборе материала темнового металлического контакта при высококаче­ственной полировке темновой поверхности солнечное излучение в области 1,1—3,0 мкм может быть эффективно отражено от фото­элементов с топким диффузионным слоем (I < 0,5 мкм). Расчеты по формулам главы 1 показали, что на границе кремния с контак­том из алюминия, меди, золота и серебра при X = 1,2 мкм может быть получен коэффициент отражения соответственно 75, 94, 96 и 98%.

Экспериментальная проверка подтвердила, что предлагаемый метод позволяет резко увеличить коэффициент отражения в об­ласти 1,1—3,0 мкм при сохранении просветляющих свойств в области 0,4—1,1 мкм и сильного поглощения в области X 3 мкм (благодаря трехслойному или двухслойному покрытию на прием­ной поверхности фотоэлементов). При тыльном металлическом контакте из алюминия интегральный коэффициент поглощения фотоэлементом солнечной радиации уменьшается с 0,92 до 0,8, а при контакте из серебра — с 0,92 до 0,76 (при этом остается є = = 0,9). Введение между металлом и кремнием пленки MgF2 опти­мальной толщины позволяет даже в случае алюминиевого контакта получить ас = 0,78 [86].

Как показано в главе 1, для кремниевых фотоэлементов с тонким диффузионным слоем существует еще одна возможность уменьшения их радиационного перегрева — пропускание солнеч­ного излучения в области 1,1—3,0 мкм сквозь фотоэлемент. Оче­видно, что для этого сплошной металлический контакт на тыльной поверхности должен быть заменен топкими (занимающими менее 5—10% поверхности) полосками металла, а на освободившуюся полированную тыльную поверхность кремния нанесена просвет­ляющая пленка, оптическая толщина которой должна составлять 0,3—0,4 мкм, чтобы получить максимум прозрачности в области 1,2—2 мкм. Расчет и эксперимент показали, что замена сплошно­го контакта на сетчатый, занимающий 7—10% площади тыльной поверхности, не приводит к возрастанию 7?п фотоэлемента, вызы­вающему ухудшение его вольт-амперной характеристики, если величина ячейки этого сетчатого контакта не превышает 5 X 5 мм

Г,%

00

20 00 00 га

РИС. 2.22. Спектральные зависимости коэффициента пропускания фотоэле­ментов из Si {1,1) и GaAs (2,2′) с тонкими (I = 0,5 мкм) диффузионными слоя­ми

1, — —до просветления; і’, 2′ — после просветления пленкой SiO рабочей (d = = 0,15 мкм) и темповой (d = 0,3 мкм) поверхностей соответственно.

РИС. 2.23. Световые вольт-амперные характеристики фотоэлементов из Si (1, 2, 3) и GaAs (1‘, 2′, 3′) при различных тыльных контактах к базовой об­ласти

1,1’ — сплошной; 2,2’ — по периметру; 3,3′ — сетчатый (с ячейкой 5×5 мм) 187]. Поверх просветляющей пленки с обратной стороны фото­элементов может быть нанесено кремнийорганическое покрытие для увеличения коэффициента излучения до 0,92. Приводимые в работе [83] результаты измерения коэффициента пропускания пластин монокристаллического кремния с диффузионным слоем толщиной менее 0,5 мкм и двухслойными покрытиями на обеих поверхностях показали практическую возможность осуществле­ния (без ухудшения других оптических характеристик фотоэле­ментов) этого метода уменьшения ас и легли в основу дальнейших исследований.

Фотоэлементы из кремния и GaAs, прозрачные в инфракрасной области солнечного спектра, были получены экспериментально. Оптические и электрические характеристики фотоэлементов пло­щадью 2 см2 представлены на рис. 2.22 и 2.23. Следует отметить, что прозрачные в инфракрасной области кремниевые фотоэлементы в предельном случае могут пропустить сквозь себя 26% энергии внеатмосферного солнечного излучения (часть солнечного излуче­ния в интервале 1,1—2,5 мкм), а прозрачные в инфракрасной области фотоэлементы из GaAs даже 35% (часть солнечного излучения в интервале 0,9—2,5 мкм). Были получены также фотоэлементы из других полупроводниковых материалов, таких, как CdS и Ge, прозрачные в длинноволновой области за краем основной полосы

поглощения. На обе поверхности прозрачных фотоэлементов, предназначенных для работы в условиях воздействия радиации, наносятся трехслойные покрытия. После публикаций [70, 83] достоинства трехслойной системы покрытий были подтверждены в последующих работах, посвященных этой проблеме, например в [88].

Большое число научных публикаций последнего времени со­держит результаты исследований, целью которых является пере­ход от трехслойной системы покрытий к двухслойной, аналогич­ной описанной в работе [55] и получившей название интегрального покрытия. Эти покрытия дают возможность исключить клеящий слой, потемнение которого может оказаться значительным при многолетней эксплуатации солнечных батарей. Разработка инте­гральных покрытий к тому же, как ожидается, приведет к сниже­нию массы батарей и уменьшению числа ручных операций при их производстве. Двухслойное интегральное покрытие состоит из просветляющей пленки (например, из ТЮ3 и Та205) и защитного стеклянного слоя толщиной 50—70 мкм, наносимого, например, распылением стекол сложного состава в инертной атмосфере в тече­ние сотен часов при приложении переменного напряжения [89] или испарением электронным лучом в высоком вакууме [90]. Последний способ предпочтительнее, поскольку его продолжи­тельность для создания слоя толщиной порядка 50 мкм составля­ет 40—50 мин, однако состав покрытия не соответствует составу исходного стекла из-за различной летучести и отличия в коэффи­циентах аккомодации на подложке у окислов, входящих в состав многокомпонентного радиационно-стойкого стекла. Интересен способ приварки стекла под действием приложенного электриче­ского поля Г91]. Следует отметить, что проблема уменьшения массы покрытий может быть решена также уменьшением толщины стекла в трехслойном покрытии до 70—80 мкм, а приклейка стекла легко может быть автоматизирована.

Испытания в лабораторных условиях дают возможность с доста­точной точностью прогнозировать поведение покрытий в косми­ческих условиях. Точность прогнозирования обеспечивается мак­симальным приближением проводимых испытаний к натурным условиям.

Воздействие ультрафиолетового излучения и термоциклиро — вания. Стойкость покрытий к ультрафиолетовому излучению Солнца исследовалась на установках, снабженных ртутными и ксеноновыми лампами, позволяющими получить мощность излу­чения в ультрафиолетовой части спектра, в 6—10 раз превышаю­щую ультрафиолетовое излучение Солнца; образцы при этом на­ходились за прозрачным кварцевым окном в вакууме при давле­нии 1 • 10~5 мм рт. ст. и температуре от 30 до 70° С.

Интенсивность ультрафиолетового излучения определялась расчетом по результатам измерения для каждого данного расстоя­ния от лампы до образцов /к. э кремниевого фотоэлемента (абсо­лютная спектральная чувствительность которого ранее была измерена) при облучении ртутной лампой с известным относи­тельным спектральным распределением энергии излучения. Эти же установки позволяли проводить термоциклирование образцов в интервале от +100 до —100° С, охлаждение осуществлялось жидким азотом со скоростью 3—4 °С/мин. Измерение коэф­фициентов пропускания покрытий проводилось на спектрофото­метре СФ-4, КПД фотоэлементов — под имитатором внеатмос­ферного Солнца с удельной мощностью падающего излучения 1360 Вт/м2 и хорошим воспроизведением спектра Солнца в интер­вале от 0,4 до 1,1 мкм.

Из результатов испытаний (рис. 2.14) видно, что прозрачность в области 0,4—1,1 мкм после облучения в вакууме ультрафиоле­товым излучением, эквивалентным пребыванию образцов на вне­атмосферном Солнце в течение 600 ч, значительно меньше в случае кремнийорганического покрытия при I ж 120 мкм, чем в случае того же покрытия при I ^ 30 мкм. Это можно объяснить резким

возрастанием поглощения ультрафиолетовой части солнечного спектра при увеличении толщипы покрытия.

При увеличении толщины кремнийорганического покрытия уменьшается его стойкость к многократному термоциклированию в вакууме, а возникающие из-за разности коэффициентов тепло­вого расширения полимерного слоя и кремния большие внут­ренние напряжения (особенно при низких температурах) приво­дят к отслоению покрытия от кремния или к разрушению контак­тирующих материалов.

Был сделан вывод, что единственным способом увеличить толщину защитного слоя является приклейка прозрачных в об­ласти 0,4—1,1 мкм пластин из неорганического материала, не темнеющего под длительным воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и космической радиации. Испытания показали (рис. 2.15), что из многих исследованных материалов этим тре­бованиям удовлетворяют лишь синтетические: сапфир (А1203), плавленый кварц, а также специальные сорта стекол (бороси­ликатное оптическое стекло), содержащие 2% Се02 [81]. Для ис­следований были выбраны два сорта боросиликатных стекол с 2% Се02, несколько отличавшихся по составу, — № 1 и № 2. Оба оказались стойкими к воздействию радиации. Для сравнения на рис. 2.15 показано, как сильно темнеет при облучении теми же потоками протонов и электронов стекло с добавкой лишь 0,1% Се02.

Все эти материалы, за исключением стекла № 2, успешно выдержали многократное термоциклирование в вакууме от +100 до — 100° С. Стекло № 2 оказалось недостаточно термостойким: на нем в результате термоперепадов образовались мелкие тре­щины, приводившие к потере прозрачности.

Чтобы при приклейке прозрачной защитной пластины но ухудшались просветляющие свойства покрытия, материал за­щитной пластины должен иметь показатель преломления около

1,5. Таким образом, сапфировые пластины, имеющие более вы­сокий показатель преломления, не могут быть использованы для приклейки, так как в этом случае появляются потери на отраже ние на границе сапфир—клей (показатель преломления клея 1,5) и коэффициент отражения на верхней границе покрытие — воздух возрастает с 4 до 8%. Плавленый кварц и стекло № 1 удовлетворяют этому требованию, так как имеют показатели пре­ломления соответственно 1,45 и 1,51. Для того чтобы сделать не­нужным нанесение на внутреннюю поверхность защитных пластин многослойного интерференционного фильтра, необходимо выбрать для защитных пластин тот материал, который в значительной степени сам бы поглощал ультрафиолетовое излучение, и в ка­честве клеящего материала использовать полимерный материал, обладающий высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению.

1 — сапфир; 2 — плавленый кварц; 3 — боросиликатные стекла № 1 и М2 с 2% С еО, 4 — боросиликатное стекло с 0,1% Се02

РИС. 2.16. Спектральные зависимо­сти коэффициента пропускания пла­стин (1 = 1 мм) до облучения

і — сапфлр; г — плавленый кварц; з — бпроснликатное стекло № 1 с добавкой £% Сс02

Из кривых пропускания сапфира, плавленого кварца и бо­росиликатного оптического стекла № 1 с 2% Се02 (рис. 2.16) видно, что стекло (во многом благодаря добавке Се02) непрозрач­но для ультрафиолетового излучения с X ^ 0,35 мкм. Следова­тельно, оно будет защищать клеящий состав от потемнения под действием ультрафиолетового излучения лучше, чем плавленый кварц.

В качестве клеящего состава после длительных исследований был выбран прозрачный кремнийорганический каучук, сохра­няющий высокую эластичность до весьма низкой температуры. Благодаря пластической деформации каучука снимаются внут­ренние напряжения, возникающие в клеевом слое при термоцик — лировании. Характерная для кремнийорганических соединений плохая адгезия к стеклу и кремнию была улучшена с помощью весьма тонких (2—5 мкм) промежуточных слоев светостойкого кремнийорганического лака, предварительно наносимых на стек­ло и просветленный кремний. Обладая не меньшей исходной прозрачностью, чем эпоксидная смола [74, 751, выбранный крем­нийорганический материал благодаря прочности молекулярных связей обладает значительно большей стойкостью к ультрафио­летовому излучению. Испытания показали, что кремнийоргани­ческий каучук под защитным стеклом при облучении в течение 600 солнечных часов (время, после которого, по нашим измере­ниям, заканчиваются процессы образования центров окрашива — вания в кремнийорганических покрытиях) практически не тем­неет, что объясняется, кроме повышенной стойкости к ультра­фиолетовому излучению Солнца, полной прозрачностью тонкого слоя кремнийорганического каучука для той небольшой части ультрафиолетового излучения (0,35—0,4 мкм), которая пропуска­ется стеклом с 2% Се02.

Измерения спектральной чувствительности и вольт-амперной нагрузочной характеристики (под имитатором солнечного излу­чения с Р = 1360 Вт/м2) кремниевых фотоэлементов с полиро­ванной поверхностью площадью 1,5 см2 до и после нанесения трехслойного покрытия, состоящего из просветляющего слоя ZnS (d = 0,15 мкм), клеящего слоя из кремнийорганического кау­чука и защитной стеклянной пластины, показали (рис. 2.17), что трехслойные покрытия благодаря своим просветляющим ка­чествам позволяют увеличить /ц. з и КПД фотоэлементов на 40— 42%. Результаты, представленные на рис. 2.17, говорят о том, что длительное воздействие ультрафиолетового излучения Солнца в вакууме, равное по интенсивности пребыванию на внеатмосфер­ном Солнце в течение 600 ч, весьма слабо сказывается на опти­ческих свойствах трехслойного покрытия, так как характеристики фотоэлементов с покрытием почти не изменились после испытаний. Испытания на стойкость к термоперепаду в вакууме в интервале от +100 до —100° С с выдержкой более 1 ч при каждом из край­них значений температуры показали, что оптические и механи­ческие свойства трехслойного покрытия сохраняются при тол­щине защитных стеклянных пластин 0,15—3 мм. Благодаря вы­сокому коэффициенту излучения стекла (е = 0,9) трехслойное покрытие обладает хорошими теплорегулирующими свойствами и позволяет стабилизировать рабочую температуру фотоэлемен­тов на уровне 65—70° С.

Испытания на стойкость к механическим повреждениям н истиранию. Дополнительным преимуществом трехслойных покры­тий с внешним слоем стекла является их способность защищать фотоэлементы от воздействия микрометеоритов в космических условиях и от песчаных частиц при работе в пустынных южных районах.

Были проведены испытания, имитирующие в лабораторных условиях истирание и механическое повреждение микрометеори­тами и песчаными частицами поверхности солнечных элементов. Полученные на электрофизическом ускорителе потоки стеклянных (диаметром 10—50 мкм) и хромовых (диаметром около 5 мкм) час­тиц направлялись на поверхность кремниевых фотоэлементов с просветляющими однослойными (пленка ZnS), двухслойными (ZnS + слой кремнийорганического лака) и трехслойными (ZnS+ каучук + стекло толщиной 0,2—0,5 мм) покрытиями. Для ими­тации 3—4-летней работы на опасных в метеоритном отношении орбитах вокруг Земли потоки при испытаниях доводились, на­пример, по хромовым частицам до плотности 3-104 частиц/м2.

В результате облучения на поверхности кремния (в случае однослойных и двухслойных покрытий) образовывались крат ры глубиной до 80—90 мкм, наблюдалось возрастание диффузной составляющей коэффициента отражения и во многих случаях — закорачивание р—п-перехода и полное разрушение просветля­ющего и полимерного покрытий.

При трехслойном покрытии (с внешним слоем стекла) проис­ходило превращение полированной поверхности стекла в матовую, шероховатую. Это не приводило к сколько-нибудь заметному ухудшению характеристик солнечных элементов, поскольку бла­годаря хорошему оптическому контакту кремния со стеклом весь солнечный свет после многократных отражений от возникших не­ровностей на внешней поверхности стекла попадает почти полно­стью в фотоэлемент. В то же время электрофизические характе­ристики фотоэлементов благодаря трехслойному покрытию оста­ются неизменными даже после облучения большими потоками стеклянных и хромовых частиц.

Зависимость оптических и электрических характеристик фо­тоэлементов от угла падения солнечных лучей. Солнечные эле­менты и батареи часто работают в условиях, когда периодически изменяется их положение относительно источника излучения или, наоборот, меняется угол падения солнечных лучей на не­подвижную поверхность батарей. Таковы, например, фотогене­раторы для энергопитания маяков и речных буев, устанавливае­мые на жестко закрепленных опорах и не снабжаемые системой слежения за Солнцем. В условиях переменного угла падения сол­нечных лучей функционируют солнечные батареи, смонтирован­ные непосредственно па внешней поверхности спутников Земли, имеющих сложную форму. Постоянно меняются интенсивность освещения и угол падения света на поверхность малогабаритных солнечных батарей, предназначенных для постоянной подзарядки аккумуляторов наручных электронных часов и калькуляторов.

На рис. 2.18 показаны измеренные при различных углах У. между нормалью к поверхности и направлением падения солнеч­ных лучей вольт-амперные характеристики малогабаритной кремниевой солнечной батареи площадью 2×2 см для электрон­ных часов (внешнее покрытие —полированное стекло). Измерения проводились в специальном зачерненном тубусе с диафрагмами, угловой размер светового пучка не превышал ±1,5°, точ­ность поворота относительно Солнца батареи, помещенной в ту­бус, составляла 1°, слежение всего тубуса за Солнцем осуществля­лось с помощью часового механизма и фотоэлектрического датчика ориентации. Измерения проводились при прозрачной сухой ат­мосфере в высокогорных условиях [4], интенсивности солнечного излучения около 920 Вт/м2, воздушной массе атмосферы 3,5 и температуре солнечной батареи во время измерений +40° С.

Два обстоятельства обусловливают показанную на рис. 2.18 и характерную для солнечных батарей зависимость вольт-ампер — ной характеристики от угла падения солнечных лучей:

1) уменьшение освещенности по закону косинуса при отклоне­нии угла падения солнечных лучей от нормали к поверхности;

2) возрастание коэффициента отражения как полупроводников, так и стекла при больших углах падения света [41].

Было обнаружено, что влияние второй причины угловой за­висимости параметров солнечных батарей может быть значительно уменьшено созданием развитого микрорельефа как поверхности полупроводника, так и поверхности внешнего слоя стекла при условии, что глубина равномерно распределенных углублений поверхности будет соизмерима со значениями X солнечного спектра.

Эксперименты показали, что для кремниевых солнечных ба­тарей наиболее эффективным является создание микрорельефа внешней поверхности защитных стекол их предварительной (до

0, и К

000 400 200 О

РИС. 2.17. Спектральные зависимости абсолютной чувствительности (а) и вольт-амперные нагрузочные характеристики (б) кремниевого фотоэлемента 1 — до просветления; 2 — с трехслойным понрытисм до облучения; 3 — после облучения в вануумс ультрафиолетовым излучением

РИС. 2.18. Вольт-амперные характеристики кремниевой солнечпой^батарен для электронных часов при различных углах падения^солнечного излучения

1 — X = 0; 2 — X — 20°; 3 — х = 40°; 4 — х = 60°; 5 — г = 80°

РИС. 2.19. Зависимости плотности тока короткого[замыкания тонкопленоч­ного солнечного элемента CdS—Cu2S от угла падения солнечного излучения при различных покрытиях

1 — полированная стеклопленка (/ = 100 мим); 2 — диолеитрическая пленка А1203
приклейки) шлифовкой микроабразивными порошками с диа­метром зерна 5—10 мкм. Для тонкопленочных солнечных бата­рей на основе гетеросистем CdS—Cu2S или CdTe—Cu2Te очень удобным способом улучшения угловых характеристик оказалось проведение такого процесса осаждения слоя CdS или CdTe, кото­рый приводит к получению поликристаллических пленок с микро­зернами размером 0,5—1,5 мкм. Последующее нанесение слоя Cu2S (или Си2Те), а также диэлектрических защитных пленок, например А1203 или Si02, испарением электронным лучом в ва­кууме сохраняет практически без изменений развитый микрорель­еф поверхности поликристаллических пленок CdS с углубления­ми, соизмеримыми со значениями К солнечного спектра.

На рис. 2.19 представлены угловые зависимости плотности тока короткого замыкания тонкопленочного фотоэлемента си­стемы CdS—Cu2S с покрытием из стеклопленки с полированной поверхностью и с диэлектрической пленкой А1203, полностью повторяющей микрорельеф поверхности слоев CdS и Cu2S.

Результаты измерений, показанные на рис. 2.19, позволяют количественно оценить значительное преимущество развитого ми­крорельефа поверхности для солнечных батарей, работающих при переменных углах падения солнечного света.

Выбор покрытия и способа обработки поверхности, наиболее подходящих для таких солнечных батарей, удобно производить при представлении экспериментальных результатов в виде за­висимости величины /„.з (x)/cos х (в относительных единицах) от угла х между направлением падения солнечных лучей и нор­малью к поверхности, где /к. э (х) — значение плотности тока ко­роткого замыкания солнечной батареи при данном угле X — При этом величина /к.3 (x)/cos % принимается равной единице для слу­чая, когда изменение /к.3 солнечных батарей от угла падения лу­чей происходит в точном соответствии с законом косинуса. На рис. 2.20 показаны зависимости, полученные для нескольких ти­пов покрытий и видов обработки поверхности солнечных батарей из монокристаллического кремния и поликристаллических пле­нок CdS—Cu2S, в частности с покрытиями из стекол, внешняя по­верхность которых предварительно шлифовалась микропоро­шком из SiC с диаметром зерна 10 мкм (кривые 4, б на рис. 2.20) и 7 мкм (кривая 7 на рис. 2.20).

Для определения ІШД солнечных элементов при различных углах падения света необходимо знать угловую зависимость не тока короткого замыкания, а тока при определенном оптимальном сопротивлении нагрузки внешней цепи. В ходе экспериментов были получены и эти зависимости, которые для солнечных элементов с низким последовательным сопротивлением Ra практически сов­пали С приведенными выше зависимостями /,(.з от X. Для сол­нечных элементов с высокими значениями 7?п (для топкопленоч-

РИС. 2.20. Зависимость/к а (x)/cosX от угла падения солнечных лучей для кремниевых (а) и тонкопленоч­ных CdS—Cu2S (б) солнечных эле­ментов с различными покрытиями 1,6 — полированное стекло;

2 — матовый полимерный слой;

3 — прозрачный полимерный слой; 4,6,7 — шлифованное стекло;

6 — пленка А1,0> ных фотоэлементов площадью 1 см2 значения і? п могут составлять иногда более 10 Ом) угловые зависимости нагрузочного тока вы­ражены значительно менее резко (для всех типов покрытий и ви­дов обработки поверхности). По этой же причине нагрузочный ток таких фотоэлементов очень медленно падает с уменьшением интенсивности освещения, что позволяет наблюдать в экспери­менте интересное явление — рост КПД при переходе от высоких освещенностей к низким.

Спектральные и интегральные характеристики покрытий для фотоэлементов. В табл. 2.4 приведены сравнительные характе­ристики кремниевых фотоэлементов до и после нанесения одно-, двух — и трехслойных покрытий. Указаны коэффициент отражения при К = 0,6 мкм, интегральные коэффициенты поглощения ас и излучения є рабочей поверхности и плотность радиационной защиты с помощью данного покрытия. Из табл. 2.4 видно, что разработанное трехслойное покрытие обладает оптимальным комплексом оптических, тепловых и защитных свойств.

Спектральное распределение коэффициента отражения поли­рованной приемной поверхности кремниевых фотоэлементов до и после нанесения защитных и теплорегулирующих покрытий представлено на рис. 2.21, на котором в области солнечного спект­ра (0,2—3 мкм) использовалась «деформированная» шкала к, отражающая распределение солнечной энергии по спектральным интервалам, в остальной части спектра шкала X равномерная. Кривые 1—4 на рис. 2.21 получены для фотоэлементов, которые непрозрачны во всем исследованном интервале спектра вследст­вие того, что их темновая нерабочая сторона полностью покрыта металлическим контактом, образованным химическим осаждением никеля или вакуумным испарением титана на предварительно шлифованную поверхность кремния. Если коэффициент излуче­ния е благодаря двухслойным или трехслойным покрытиям поч­ти достигает уровня є черного тела, то получить теоретически возможное (без уменьшения КПД) низкое значение ас = 0,66 [82,83] указанные покрытия не позволяют (см. рис. 2.21 и табл. 2.4). Основной причиной этого является невысокое отражение в области 1,1—3,0 мкм, на которую приходится около 26% энер­гии падающего солнечного излучения. Как уже указывалось [74, 82], для защиты от ультрафиолетового излучения и уменьшения ас предложено наносить на внутреннюю поверхность стеклянных

1 — без покрытия; 2 — SIO (d = 0,15 мкм); 3 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийоргани- ческий слой (/ = 50 мкм); 4 — ZnS (d = 0,15 мкм) + кремнийорганический каучук + + стеклянная пластина (( =■ 0,5 мм); 5 — идеальное охлаждающее пластин, приклеиваемых к кремнию, интерференционный фильтр, состоящий из 38, 41 и 58 слоев. Однако высокое отражение в об­ласти солнечного спектра достигается при этом только в интер­вале спектра 1,1—1,8 мкм, причем оптические свойства фильтров подвержены значительным изменениям при облучении ультра­фиолетовым излучением и ядерными частицами [56].

Характерный для GaAs высокий коэффициент отражения в види­мой, а для сильнолегированного GaAs и в инфракрасной области спектра препятствует получению высокоэффективных полупро­водниковых приборов, таких, как фотоэлементы и излучатели, основой которых являются диффузионные слои GaAs с высокой концентрацией свободных носителей. В связи с этим представляло интерес исследовать отражение от сильнолегированных монокрис­таллов и диффузионных слоев GaAs в широком спектральном ин­тервале и установить зависимость коэффициента отражения от концентрации свободных носителей и совершенства обработки поверхности. Кроме того, были экспериментально изучены раз­личные методы селективного и неселективного уменьшения коэф­фициента отражения GaAs при различной исходной концентрации примесей. Измерения коэффициента отражения в области спектра 0,2—0,75 мкм проводились на спектрофотометре СФ-4, в области спектра 0,75—25 мкм — на инфракрасном спектрофотометре ИКС-14 с использованием приставки для определения зеркального отражения.

На рис. 2.11, а показано спектральное распределение коэф­фициента отражения в интервале 0,2—0,7 мкм, а на рис. 2.11, б — в области 2—25 мкм для монокристаллического GaAs р-типа, легированного цинком, с концентрацией дырок Ср = 1,5 • 1020 — 1,7 • 1019 см-3 и и-типа с концентрацией электронов Сп = 3>

• 101а см-3. У образцов 1—3 поверхность была обработана в поли­рующем травителе и величина неровностей поверхности, оценен­ная с помощью микроскопа МИС-11, составляла Al 1 мкм; у образца 4 А1 гг: 1 мкм.

Большая величина АI у образца 4 приводит к значительно более низким значениям коэффициента отражения в ультрафиоле­товой и видимой областях спектра, т. е. в области, где X падающе­го излучения соизмерима с величиной неровностей на поверхности образца. Из рис. 2.11, а видно также, что в области 0,2—0,75 мкм при одинаковой обработке поверхности зависимость коэффициента отражения от концентрации носителей выражена весьма слабо, в то время как в инфракрасной области спектра (см. рис. 2.11, б) наблюдается сильный рост коэффициента отражения с увеличе­нием концентрации носителей.

При этом минимум кривой отражения, объясняющийся при­ближением показателя преломления к единице в области спектра, где показатель поглощения стремится к нулю, сдвигается с уве­личением концентрации носителей в область коротких волн (см. рис. 2.11, б). Наличие максимумов кривой отражения при X = = 0,24 мкм (см. рис. 2.11, а) и при Я = 0,4 мкм получило объясне­ние в работах [77, 781.

Несколько меньшая величина коэффициента отражения при X = 0,24 мкм по сравнению со значением, приведенным в работе [78], может быть связана с нарушениями поверхностного слоя глубиной 0,2—0,3 мкм, имевшимися у образцов 1—3, что было оп­ределено на интерференционном микроскопе. Наблюдавшееся в этих измерениях небольшое возрастание коэффициента отраже-

1 —без покрытия; 2",г’,2 —SiO (d соответственно 0,137, 0,175 и 0,21 мкм); 3 — MgF, d = 0,21 мкм); 4 — Si02 (d = 0,21 мкм)

РИС. 2.13. Спектральные зависимости коэффициента отражения арсенида галлия p-типа в инфракрасной области спектра

1 — без понрытия; 2,3 — после нанесения слоя кремнийорганического лака с I = 10 Ч — 15 мкм (е = 0,85) и I = 35 + Л0 мкм (е = 0,92) соответственно

ния в области X = 0,6 0,64 мкм (см. рис. 2.11, а) может быть

объяснено особенностями зонной структуры GaAs р-типа [79].

Высокий коэффициент отражения в видимой и ближней инфра­красной областях спектра означает, что приборы, основанные на взаимодействии полупроводника со световым излучением (фото­элементы или лазеры), теряют большую часть световой энергии на границе раздела с внешней средой из-за большой разницы по­казателей преломления GaAs и воздуха.

Как уже указывалось, среди многочисленных исследованных методов просветления (термическое окисление, травление поверх­ности, нанесение покрытий химическим путем и испарением в ва­кууме) наиболее технологичным и удобным оказался метод терми­ческого испарения веществ в вакууме, позволяющий получать разнообразные по оптическим характеристикам и хорошо воспро­изводимые просветляющие покрытия на поверхности GaAs. На рис. 2.12 показано спектральное распределение R, измеренное для полированной поверхности GaAs p-типа (с концентрацией приме­сей 1,5- 1020 см-3) до и после нанесения покрытий из MgF2, Si02 и SiO, показатели преломления которых соответственно равны 1,38; 1,45 и 1;9. Вследствие того, что у каждого из этих покрытий d = 0,21 мкм, минимум отражения для всех трех покрытий нахо­дится при X ■-== 0,84 мкм. Значение коэффициента отражения при позволяет оценить эффективность просветляющего действия каждой из пленок.

Наиболее эффективным в случае GaAs просветляющим покры­тием является покрытие из SiO, с помощью которого удается уменьшить коэффициент отражения с 32% до значений в пределах 0,5-1%.

Из рис. 2.12 видно, что, плавно изменяя d просветляющего покрытия (например, SiO), можно добиться минимального коэф­фициента отражения (0,5—1%) сильнолегированного GaAs в лю­бом узком спектральном интервале, например при X = 0,55 — г- -т — 0,6 мкм (что является наиболее выгодным для приемных поверх­ностей солнечных элементов из GaAs) или при X = 0,84 мкм (что необходимо для уменьшения световых потерь в лазере из GaAs).

Для резкого уменьшения отражения от сильнолегированных монокристаллов и слоев в области 3—25 мкм, необходимого, как было показано, для увеличения теплового излучения поверхнос­ти, наиболее эффективными оказались два способа: создание на поверхности равномерно распределенных неровностей глубиной 10—30 мкм с последующим электрохимическим окислением по­верхности [80] и нанесение слоя кремнийорганического лака тол­щиной 10—40 мкм. Оба эти метода, как показали наши измерения, позволяют увеличить интегральный коэффициент теплового излучения поверхности при 25° С со значений 0,49—0,51 (харак­терных для GaAs p-типа с концентрацией примесей 1,5* 1020см~3) до 0,8. Сравнивая оба метода, следует отметить, что нанесе­ние кремнийорганического лака, улучшая оптические характе­ристики поверхности, не сказывается отрицательно на таких электрофизических характеристиках приборов из GaAs, как скорость поверхностной рекомбинации или величина обратного тока. Кремнийорганические покрытия обладают хорошими селек­тивными оптическими характеристиками: поглощающие в области теплового излучения (рис. 2.13), они сохраняют высокую прозрач­ность в области 0,4—1 мкм, что очень важно при использовании их в качестве покрытий для фотоэлектрических приборов. Созда­ние на поверхности иеровностей определенной глубины, достига­емое с помощью шлифовки или обработки в селективных травите — лях, связано с ухудшением свойств поверхности, которая после такой обработки не может быть использована для образования ка­чественных диффузионных переходов. Из сказанного следует, что применение кремнийорганических покрытий для улучшения теп­лового баланса полупроводниковых приборов из GaAs является наиболее эффективным и удобным методом.

При необходимости надежной защиты фотоэлементов из GaAs от воздействия космической радиации вместо кремнийорганиче­ского покрытия могут быть использованы защитные оптические стекла различной толщины, приклеиваемые к просветленной (пленкой с п = 2,2-^-2,3) поверхности GaAs теми же светостойкими прозрачными составами, что и к поверхности кремния.

Оптические константы твердого раствора алюминия в GaAs и чистого GaAs близки. Описанные оптические селективные по­крытия эффективны также при нанесении на поверхность гетеро­фотопреобразователей па основе GaAs с оптическим окном из твердого раствора алюминия в GaAs.

Однако, кроме разработки оптической схемы многослойного селективного покрытия и выбора материалов, необходимо прове­дение испытаний (прежде всего в лабораторных условиях) с по­дробным исследованием оптических характеристик.

Известно много покрытий, удовлетворяющих какому-либо одно­му из перечисленных выше требований [33, 50] или даже двум из них, например решающих одновременно задачи просветления и температурной стабилизации [55]. Однако в течение длительно­го времени были известны лишь два способа решения всех трех задач (просветления, температурной стабилизации и защиты от радиации) в комплексе [72, 74]. На поверхность фотоэлементов наносилось испарением в вакууме просветляющее покрытие из SiO. Над солнечными элементами с помощью платиновой обоймы с ке­рамическим основанием крепились пластины из прозрачного сап­фира, защищающие элементы от радиации. Был осуществлен хо­роший тепловой контакт между фотоэлементами и сапфировыми пластинами через серебряные гибкие ленты, теплопроводящее керамическое основание и платиновые стенки обойм. Однако вследствие того, что для сапфира е 0,6, избежать перегрева ба­тарей удалось только благодаря быстрому изменению условий освещенности. Применение аналогичной системы покрытий на панелях солнечных батарей, ориентированных перпендикулярно к Солнцу, привело бы к падению КПД более чем на 50% за счет перегрева.

Недостатками указанного решения являются также чрезвычай­но высокая стоимость и уменьшение коэффициента заполнения поверхности фотоэлементами из-за необходимости отводить место для специальной системы крепления защитных покрытий над элементами. В работе [74] описана другая система нанесения за­щитных покрытий, заключающаяся в приклейке пластин из плав­леного кварца к чистой поверхности каждого фотоэлемента. Чтобы оптический клеевой контакт не нарушался в результате резкою термоциклнровапия (например, с + 70 до —70° С или до —100° С), в качестве клея была выбрана эпоксидная смола, обладающая вы­сокой эластичностью при низких температурах. Однако прозрач­ные эпоксидные смолы сильно темнеют под воздействием ультра­фиолетового излучения Солнца [75] и облучения электронами и протонами [73]. Для того чтобы защитить эпоксидный клей хо­тя бы от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца (а также для уменьшения интегрального коэффициента поглощения ас солнечного излучения поверхностью фотоэлементов без умень­шения пропускания в области их спектральной чувствительности), перед приклейкой на внутреннюю поверхность каждой из защит­ных пластин наносились полностью отражающие ультрафиоле­товую часть излучения солнечного спектра (и часть излучения от 1 до 2 мкм) интерференционные фильтры, состоящие из 1G, 41 и 58 слоев тонких оптических покрытий [74]. Однако и под та­кими фильтрами некоторое световое старение клеев все же проис­ходит [73], а под влиянием радиации темнеет клей и сам интерфе­ренционный фильтр [56], причем потеря прозрачности эпоксид­ного клея при облучении электронами с энергией 1 МэВ об­щей дозой 1 • 101в электронов на 1 см2 достигает 70% при X = 0,6 мкм [73].

Таким образом, эта система покрытий обладает невысоким сроком службы в поясах радиации при большей трудоемкости из­готовления.

Для создания универсального покрытия был использован принцип, положенный в основу разработки двухслойного, облада­ющего высокими просветляющими и теплорегулирующими свой­ствами [55]. Увеличение коэффициента излучения поверхности кремниевых фотоэлементов с 0,19—0,24 до 0,9 происходит в слу­чае двухслойного покрытия благодаря верхнему теплорегулирую­щему кремнийорганическому слою толщиной 40 —80 мкм (птп = = 1,51), обладающему селективными оптическими характеристи­ками: прозрачному в области 0,4—1,1 мкм и поглощающему в области теплового излучения поверхности при 30—60° С, т. е. в интервале спектра 3—30 мкм.

Высокая эффективность просветления при применении двух­слойного покрытия достигается благодаря правильному выбору пленки из ZnS(raZnS = 2,3, d = 0,15 мкм) в качестве оптималь­ного просветляющего слоя между теплорегулирующим покры­тием и кремнием, так как расчет показывает, что для оптималь­ного просветляющего подслоя

п = (птпи8|),/2 = (1,5-3,7)’/« = 2,3.

Чтобы такое двухслойное покрытие могло выполнять еще роль защиты от воздействия радиации, верхний теплорегулирую­щий слой при сохранении своих оптических свойств, высокого коэффициента излучения и стойкости к условиям эксплуатации в вакууме должен иметь толщину, достаточную для защиты фото­элементов. Несомненно, что наиболее простым решением явля­лось бы увеличение толщины кремнийорганического покрытия. Эксперимент показывает [71—73, 76], что значительное увеличе­ние стойкости фотоэлементов к воздействию радиации при относи­тельно небольшом увеличении общей массы батареи происходит при возрастании плотности защиты с 0,01 до 0,2—0,3 г/см2. Учи­тывая, что плотность большинства прозрачных кремнийорганичес­ких материалов составляет 1—1,2 г/см3, для получения эффектив­ной радиационной защиты толщину покрытий необходимо увели­чить с 40—80 мкм до 2—3 мм. Однако при этом механическая проч­ность и стабильность оптических характеристик покрытий, как это подтвердили испытания, резко ухудшились. Необходимую толщину покрытия можно уменьшить более чем в два раза при за­мене кремнийорганического покрытия пластинами из прозрачных неорганических материалов, так как плотность, например, стекла равна 2,4 г/см3. Однако, кроме высокой стойкости к радиации и ультрафиолетовому излучению Солнца, нужно, чтобы пластины и составы, используемые для приклейки пластин к поверхности кремниевых фотоэлементов, просветленных пленкой ZnS, имели показатели преломления в пределах 1,45—1,55, как следует из формулы (2.4). В этом случае эффективное просветление по­верхности будет сохраняться и при нанесении трехслойного пок­рытия. Аналогичная разработка была проведена и для фотоэле­ментов с р—n-переходом в GaAs. Этому предшествовало деталь­ное исследование отражения от сильнолегированного GaAs в ши­роком интервале спектра.

Интенсивные потоки частиц, в основном свободных электронов и протонов, образующих в околоземном пространстве так назы­ваемые радиационные пояса, приводят к ухудшению электри­ческих параметров полупроводниковых приборов, установленных на космических аппаратах. Особенно сильно это отрицательное
влияние сказывается на полупроводниковых солнечных батареях, которые с целью максимального использования солнечного излу­чения приходится монтировать на внешней поверхности аппара­тов или на специальных выносных панелях.

Хотя в настоящее время предложены интересные способы по­вышения радиационной стойкости самих полупроводниковых ма­териалов. такие, как введение ионов лития или высокотемпера­турный (до 400° С) отжиг [69], создание покрытий из прозрачных и радиационно-стойких материалов по-прежнему является наибо­лее эффективным способом защиты солнечных батарей [70, 711. Эффективность прозрачной защиты основана на том, что его сильно «срезаются» или вообще не пропускаются к полупроводнику час­тицы малых энергий, которых особенно много в спектре радиацион­ных поясов Земли (энергетический спектр протонов и электронов в поясах радиации носит спадающий характер — суточные дозы частиц резко уменьшаются с увеличением их энергии). К тому же именно частицы малых энергий наиболее разрушительпо дейст­вуют на фотоэлементы, уменьшая их КПД [69].

Насколько срок службы солнечных батарей возрастает при ис­пользовании покрытий разной толщины, легко представить из расчетных данных, приведенных в работах [72, 73]. Однако основ­ная трудность практического решения этой проблемы состоит в том, что, кроме защиты от повреждающего действия радиации, оптические покрытия должны обладать высокими просветляющи­ми и теплорегулирующими свойствами, т. е. уменьшать коэффи­циент отражения в рабочей области спектра и предохранять фото­элементы от перегрева путем увеличения интегрального коэффи­циента собственного теплового излучения поверхности е до значе­ний в пределах 0,8—0,9. Необходимость просветления рабочей поверхности вызвана высоким коэффициентом отражения (35—40%) чистой полированной поверхности фотоэлементов в области спект­ральной чувствительности (0,4—1,1 мкм); это означает, что без уменьшения потерь на отражение не могут быть получены фото­элементы с высоким КПД. Увеличение собственного теплового излучения поверхности фотоэлемента особенно важно в связи с тем, что для полированной высоколегированной (концентрация примесей (1-^2) • 1020 см’3) поверхности кремниевых фотоэлемен­тов без теплорегулирующего покрытия е составляет 0,19—- 0,24.

Использование фотоэлементов в условиях радиационного теп­лообмена без селективного теплорегулирующего покрытия, как легко показать расчетом по формулам теплового баланса, приве­денным в начале данной главы, привело бы к установлению равно­весной рабочей температуры на ориентированных фотогеперато — рах на уровне 160—180° С, что означало бы практически выход их из строя. Оптические покрытия для фотоэлементов должны

обладать также высокими эксплуатационными характеристиками: не терять прозрачности под действием ультрафиолетового излуче­ния Солнца и облучения электронами и протонами, сохранять ис­ходные оптические и механические параметры и сцепление с по­верхностью фотоэлемента при многократном резком термоциклиро — вании в вакууме в интервале от +100 до —100° С.

Исследованные нами тонкопленочные фотоэлементы представляют собой слой теллурида кадмия CdTe л-типа толщиной 10—15 мкм, осажденный на молибденовую фольгу; фотовольтаический барьер создавался нанесением слоя Cu2S p-типа толщиной около 0,1 мкм испарением в вакууме при давлении 1-Ю-4 мм рт. ст., КПД фотоэлементов составлял 2—4%.

Значение показателя преломления слоя Cu2S является проме­жуточным между показателями преломления воздуха и базового

РИС. 2.7. Спектральные за­висимости коэффициентов отражения (1—3) и погло­щения (4, 5) кремниевых фо­тоэлементов с поверхност­ным барьером кремний—зо­лото при различных про­светляющих покрытиях

1 — без покрытия;)

2,5 — Сг + Si02;

3,4 — ТЮХ

РИС. 2.8. Абсолютна я спект­ральная чувствительность двух фотоэлементов с барь­ером кремний—золото при различных просветляющих покрытиях 1,2 — без покрытия;

3 Сг + SiO,;

4 -ТІОх

РИС. 2.9. Спектральные за­висимости коэффициента диффузного отражения при­емной поверхности тонко­пленочного фотоэлемента из CdTe на различных ста­диях изготовления

1 — CdTe (1=10ч — 15 мкм);

2 — CdTe + CujS (d = 0,16мкм);

3 — CdTe + Cu2S + SiO, (d = = 0,1 мкм) слоя из CdTe (что подтверждается результатами, приводимыми в главе 1, и имеющимися в литературе данными; ncu, s = 2,1 [67] и /гейте = 2,95 [48]), благодаря чему верхний слой p-типа может одновременно играть роль просветляющего слоя в тонкопленоч­ных фотоэлементах. Оптимизацией толщины слоя удается добиться как наилучших для данной гетеросистемы электрических харак­теристик, так и удовлетворения требований просветления и по-

РИС. 2.10. Вольт-амперные свето­вые характеристики тонкопленочного фотоэлемента CdTe—Cu3S

1 — до просветления;

2 — с защитной просветляющей пленной

SJ02 и нанесенной поверх нее золотой контактной сеткой

лучить после создания слоя Cu2S толщиной 0,1 мкм кривую отра­жения с отчетливо выраженным минимумом по сравнению с почти неселективным отражением от чистого базового слоя CdTe (рис. 2.9). Использование дополнительных внешних просветляю­щих слоев, в частности пленки Si02, полученной испарением элек­тронным лучом в высоком вакууме, позволило еще больше снизить отражение от тонкопленочных фотоэлементов (в соответствии с результатами расчета, приведенного в главе 1). К аналогичной кривой отражения приводит нанесение пленки А1203 испарением электронным лучом. Контакты (сетка из золота, серебра или ме­ди) к верхнему слою Cu2S наносятся в этом случае непосредствен­но на внешние слои Si02 и А1203 [68], что позволяет избежать происходившего ранее частичного закорачивания р—re-гетеропе­рехода при создании контактов. Измерения вольт-амперных наг­рузочных характеристик фотоэлементов показали (рис. 2.10) улуч­шение характеристик при осуществлении электрического контак­та через тонкие просветляющие пленки. Аналогичные результаты были получены для тонкопленочных фотоэлементов системы CdS — CibS.

2.2.

Благодаря таким свойствам, как малая инерционность [61] и близ­кая к 100% эффективность собирания заряда [62], поверхностно­барьерные фотоэлементы (или фотоэлементы с барьером Шоттки) могли бы, по-видимому, с успехом использоваться как солнечные элементы или фотоприемники в системах автоматики. Однако КПД преобразования таких элементов снижается из-за большого коэффициента отражения металлического рабочего контакта [62].

Была исследована возможность увеличения эффективности преобразования света в электрический сигнал путем просветления фотоэлементов с поверхностным барьером кремний—золото [201. Конструкция фотоэлементов и технология их изготовления были аналогичны использованным ранее при создании поверхностно­барьерных Si—Au-детекторов ядерных излучений [63]. Для про­светления металлических пленок, в том числе пленки золота, необходимо просветляющее покрытие с возможно большим показа­телем преломления [45]. Как показали проведенные нами иссле­дования, этому условию хорошо удовлетворяют тонкие интерфе­ренционные пленки ТіОл. и Cr + Si02, которые наносятся па рабочую поверхность фотоэлемента термическим испарением в ва­кууме при давлении порядка 10-5 мм рт. ст. В качестве испарите­лей использовались вольфрамовые жгуты и конические вольфра­мовые спирали толщиной 0,8—1 мм.

На рис. 2.7 показаны спектральные характеристики коэф­фициента отражения поверхности фотоэлементов с барьером кремний—золото без просветляющего покрытия и с покрытия­ми TiOv н Сг + Si02. Оба покрытия снижают коэффициент отра­жения поверхности золотого слоя в среднем на 65% в области спектра 0,4—0,8 мкм, но использованные просветляющие покры­тия, снижая отражение, частично поглощают падающее излуче­ние. Представленные на рис. 2.7 характеристики спектрального коэффициента поглощения получены расчетным путем из экспери­ментальных данных по отражению и пропусканию нанесенных на стеклянные пластины покрытий Ті О* и Gr — f — Si02. Из результа­тов, представленных на рис. 2.7, а также в работе [62], где приве­дены спектральные характеристики золотых пленок, нанесенных на кремний, следует, что коэффициент пропускания просветлен­ных золотых пленок на кремнии может достигать 70 ?о.

На рис. 2.8 показаны спектральные зависимости абсолютной чувствительности фотоэлементов с барьером кремний—золото до и после просветления. Просветленные фотоэлементы данного типа могут быть успешно использованы не только для преобразо­вания энергии солнечного излучения, но и как быстродействую­щие фотоприемники в системе сцинциллятор—фотоприемник для регистрации ядерных излучений, наример со сцинцилляторами из CsJ, LiJ(Sn), ZnS(Ag) [62].

Нанесение рассмотренных покрытий не изменяет темновых вольт-амперных характеристик фотоэлементов и увеличивает стой­кость к атмосферным и механическим воздействиям.

Аналогичные результаты были достигнуты при нанесении про­светляющих покрытий на кремниевые солнечные элементы с по­верхностным барьером Шоттки, полученным с помощью других металлических пленок, в частности пленки хрома [64]. Для прос­ветления металлических слоев эффективно использование и дру­гих пленочных покрытий с большим показателем преломления (ZnS, Се02, Та205), которые успешно применяются для просвет­ления кремниевых фотоэлементов с малой глубиной залегания р—«-перехода [65, 66].

Хотя однослойные просветляющие покрытия значительно увели­чивают КПД фотоэлементов и просты в изготовлении, они облада­ют одним серьезным недостатком. Для полупроводников с больши­ми показателями преломления (типа кремния) с помощью одно­слойных покрытий можно получить почти нулевое отражение на определенной длине волны, однако оно весьма быстро возрастает при изменении длины волны. Получить низкое отражение во всей области спектральной чувствительности фотоэлементов и тем са­мым максимально увеличить их КПД можно только с помощью многослойных просветляющих покрытий, что было показано рас­четным путем в главе 1. Ниже будут приведены результаты экспе­риментов по созданию таких покрытий на поверхности кремние­вых фотоэлементов.

К оптическим характеристикам многослойных просветляющих покрытий для полупроводниковых фотоэлементов предъявляются два основных требования: абсолютная прозрачность в области спектральной чувствительности фотоэлементов (0,4—1,1 мкм для приборов из кремния) и максимально возможное снижение отра­жения от поверхности полупроводника втом же интервале спектра.

Следует отметить, однако, что многослойные покрытия с очень большим числом слоев сложны при серийном изготовлении и очень чувствительны к тяжелым условиям эксплуатации (большие све­товые потоки, ультрафиолетовое излучение, облучение корпуску­лярными частицами, термоциклирование, влажность и т. д.).

Было получено двухслойное просветляющее покрытие из пле­нок двуокиси церия Се02 п двуокиси кремния Si02 (каждая из пленок имела оптическую толщину 0,15 мкм), которое снижает отражение от поверхности кремний—воздух до 0,5—1,5% в об­ласти спектра 0,5—1,0 мкм, т. е. почти во всей области спект­ральной чувствительности кремниевых фотоэлементов 0,4—1,1мкм. Могут быть использованы также пленки сернистого цинка ZnS и фтористого магния MgF2. Показатели преломления контактирую­щих слоев почти удовлетворяют в этом случае соотношению для

1,4,7 — до просветления; 2 — Се02 или ZnS; 3 — Се02 + Si02 или ZnS — f — McF,; .5 — ТЮа + Cc02 t Zr02 + прозрачный клей — f стекло; 6— Ti02 + Ce02 + Zr02 + SiO + + AJjOa — f прозрачный клей + стекло; a, 9 — ZnS — f-Si2Oa-l — прозрачный клей + стекло

двухслойных покрытий из пленок равной оптической толщины [28]: пхп2 = п0п3, (2.3)

где «! — показатель преломления верхней просветляющей плен­ки; п2 — показатель преломления нижней просветляющей плен­ки; «о — показатель преломления среды (воздух); пэ — показа­тель преломления полупроводника.

Расчет по методике, изложенной в работе [28], показывает, что кривая отражения в этом случае имеет два минимума, близ­ких к нулю, максимум коэффициента отражения между которыми не превышает 3—4%. Экспериментальные данные (кривая 3 рис. 2.6) подтверждают расчет. На этом же рисунке представлена зависимость коэффициента спектрального отражения кремния пос­ле нанесения однослойного просветляющего покрытия (кривая 2).

Как показали результаты измерений параметров кремниевых фотоэлементов, нанесение двухслойных покрытий ZnS + MgF2 или Се02 + Si02 приводит к возрастанию тока короткого замы­кания и КПД на 50—55% от их значений до просветления.

При контакте полупроводника не с воздухом, а со слоем с п =- = 1,5 просветляющие покрытия для получения двух точек нулевого отражения на спектральной кривой должны иметь, как показыва­ет расчет по формуле (2.3), например, такие показатели преломле­ния: п = 2,6; п = 2,3. Однако коэффициент отражения в макси­муме будет в этом случае достигать 10—11% на границе полупро­водник—оптический клей, а отражение от всей системы полу-

проводник — просветляющие покрытия—клей—стекло будет

-составлять 14—15%. Нанесение просветляющих покрытий из пленок ТЮ2 (нтю2 = 2,75) п СеО»(псео2 = 2,2) подтвердило ре­зультаты расчета.

Значительно более равномерный характер (см. кривые 8, 9 на рис. 2.6) имеют спектральные зависимости коэффициента от­ражения, полученные после нанесения на кремний двухслойных покрытий из пленок Се02 и А12Оэ (нано, ~ 1)7) или ZnS (nZns = = 2,3) HSi203 («shOi = 1,7), поверх которых была приклеена крем — нийоргапическим каучуком стеклянная защитная пластина тол­щиной 150 мкм. Как видно из сравнения с однослойным просвет­ляющим покрытием под стеклом (см. рис. 1.4, а, б), отражение уменьшается в случае двухслойного покрытия в более широком интервале спектра. При сравнении кривых 8 — 9 рис. 2,6 по ме­тоду, изложенному в 1.2, следует учесть, что в суммарный коэф­фициент отражения входит отражение от внешней поверхности защитной стеклянной пластины, составляющее 4% во всем интер­вале измерения. Эта величина может быть уменьшена после просвет­ления пленкой MgF2. Результаты расчета и эксперимента с двух­слойными просветляющими покрытиями под защитным стеклом на кремнии были впервые опубликованы в работе [58] и затем практически повторены для кремния, покрытого фторэтиленпро — пиленовой пленкой марки FEP (п = 1,34), в работе [59].

Теоретические расчеты показали, что для снижения отражения от поверхности полупроводниковых кристаллов и приборов в очень широком спектральном интервале оптимальной является ступенчатая система интерференционных просветляющих пленок, когда показатель преломления слоев постепенно уменьшается от показателя преломления полупроводника (3,5—4,0) до показате­ля преломления воздуха (1,0) или внешнего защитного слоя стекла (1,5) [28, 60].

В настоящее время отсутствуют пленочные материалы, которые позволили бы создать многослойное покрытие, прозрачное в об­ласти спектра 0,4—1,1 мкм, каждый из слоев которого имел бы по­казатель преломления, отличающийся, например, на 0,1 от показа­теля преломления соседних слоев во всем интервале значений от

4,0 до 1,0 или 1,5. В настоящее время лишь для инфракрасной об­ласти (X > 1 мкм) показана возможность плавного изменения по­казателей преломления слоев [29]. В связи с этим для создания ступенчатой просветляющей системы в видимой и ближней инфра­красной областях необходимо использовать известные до сих пор прозрачные материалы, число которых довольно ограничено. Для нанесения пленок использовался метод испарения в высоком ва­кууме при давлении 1-Ю’7 мм рт. ст. несфокусированным элек­тронным лучом сравнительно большого диаметра (5—10 мм) [41, 46]. Этот метод расширяет возможности оптической пленочной тех-

нологии, так как ряд покрытий ис тугоплавких окислов, в частное^ ти А1203 (nAjt03 = 1,7), Се02 (нссОг = 2,2 — ч — 2,4), Zr02 (raZro2 = = 2,1), которые при применении испарителейизтугоплапких метал­лов являются частично поглощающими из-за разложения в про­цессе нагрева и реакции с материалом испарителя, при использо­вании электронного луча получаются прозрачными в области 0,4—1,1 мкм. Пленки ТЮ2, однако, и при нагреве порошка Ті02 электронным лучом оказались поглощающими, и для получения прозрачных слоев Ті02 с высоким показателем преломления (лтю* = = 2,7 — н 2,8) использовалось быстрое (со скоростью конденсации 30—40 А/с) испарение чистого титана электронным лучом с после­дующим окислением его на воздухе при 450° С в течение 2—3 ч до Ті03 [32]. Основные оптические характеристики просветляющих покрытий, полученных нами испарением электронным лучом в вакууме, представлены в табл. 2.3.

На рис. 2.6 (кривые 5 и 6) представлены спектральные зависи­мости коэффициента отражения поверхности кремниевого фото­элемента до и после нанесения пятислойных (ТЮ2 + Се02 + — г Zr02 + клей + стекло) или семислойных (ТЮ2 + Се02 + + Zr02 — f Si О + А120з+ клей + стекло) просветляющих покры­тий. Все интерференционные пленки в этих покрытиях имели оди­наковую оптическую толщину 0,15 мкм, у защитных прозрачных стекол I ~ 150 мкм.

Из кривых 5 и 6 рис. 2.0 видно, что многослойные просветляю­щие покрытия обеспечивают весьма широкую область низкого отражения, особенно если учесть, что в измеренное значение спектрального отражения входит отражение от непросветленной поверхности защитного стекла, равное 4% в исследованной об­ласти спектра. Однослойные и многослойные покрытия находят применение не только для фотоэлементов из различных полупро­водниковых материалов, но и для полупроводниковых излучателей и фотосопротнвлений с широкой спектральной областью излу­чения и чувствительности, а также полупроводниковых детекто­ров ядерного излучения, которые одновременно обладают фотс- чувствительностью, особенно в ультрафиолетовой области спектра.