Просветляющие покрытия, кроме увеличения спектральной чув­ствительности и КПД, также заметно влияют на такие параметры кремниевых фотоэлементов, как напряжение холостого хода и токи утечки, термостойкость и скорость поверхностной рекомби­нации. С помощью тщательной химической обработки фотоэле­ментов перед просветлением, кипячения в деионизованной воде, прогрева в процессе просветления до 120—150° С, длительного отжига испаряемого вещества до просветления и фотоэлементов с покрытиями после просветления удается получить прочные и прозрачные просветляющие покрытия, увеличивающие прохожде­ние солнечного излучения внутрь полупроводника и практически не ухудшающие других электрофизических параметров фотоэлемен­тов. Помимо этого, эффективность просветляющих покрытий во многом зависит от исходных электрофизических параметров фото­элементов.

Одним из основных параметров фотоэлемента, определяющих величину прироста КПД после просветления, является его после­довательное сопротивление Лп. Расчет вольт-амперных характе­ристик фотоэлемента по формуле

q(U + RnJu)

АкТ

РИС. 2.4. Нагрузочные вольт-амперные характеристики кремниевого фо­тоэлемента (1X2 см) при различных просветляющих пленках с d = 0,15 мкм 1 — до просветления; 2 — MgF2; 3 — Si02; 4,5 — Cc02, ZnS; 6,7 — SiOK, Sn02; З — SiO

РИС. 2.5. Вольт-амперные характеристики фотоэлементов с различным по­следовательным сопротивлением до (1, 2, 3) и после (1′, 2′, 3′) просветления

1,1’ — Яп = 1 Ом-см2; 2, 2′ — Д„ = 10 Ом-см2; 3, 3′ — Ra = 0

где q — заряд электрона; к — постоянная Больцмана, позволяет оценить это явление. При расчете задавалось значение плотности фототока /ф = 24 мА • см-2, значение плотности тока насыщения Js = 4 • 10~12 А • см’2 (коэффициент А = 1), а величину Rn из­меняли от 0 до 10 Ом • см2. Было принято, что плотность тока короткого замыкания за счет просветления возрастает на 40%, что соответствует экспериментальным значениям. Полученные резуль-

Таблпца 2.2

Влияние последовательного сопротивления фотоэлементов на плотность
нагрузочного тока после нанесения просветляющего покрытия

Примечание. Д7Н — увеличение; плотности нагрузочного тока по опюшению к значению до просветления.

таты представлены на рис. 2.5 и в табл. 2.2, из которых видно, что если при Ra = 1 Ом • см2 возрастание /„ (при напряжении на нагрузке 400 мВ) составляет (как и для /к. э) 40% от исходной ве­личины, то при Ra = 10 Ом-см2 увеличение /„происходит лишь на 12%. Перед нанесением просветляющего покрытия необходим тщательный контроль Rn фотоэлементов, а сравнение эффективно­сти различных просветляющих покрытий следует проводить на фотоэлементах с одинаковым Ra. Конструкция фотоэлемента и тех­нология его изготовления должны обеспечивать получение воз­можно более низкого значения Ru.

Измерение спектрального коэффициента отражения проводилось на двух приборах: спектрофотометре СФ-2М в области 0,4— 0,75 мкм и инфракрасном спектрофотометре ИКС-14 со специаль­ной приставкой для измерения зеркального отражения в области 0,75—2,2 мкм. Кривые, снятые в обеих областях спектра, хорошо совпали при X = 0,75 мкм. В качестве эталона в видимой области спектра использовались кремниевые фотоэлементы, абсолютный спектральный коэффициент отражения которых был измерен с по­мощью фотометрической сферы, в ближней инфракрасной облас­ти — алюминированное зеркало с известной спектральной зави­симостью коэффициента отражения.

Абсолютная спектральная чувствительность фотоэлементов из­мерялась на зеркальном монохроматоре ЗМР-З с использованием радиационного термоэлемента.

Результаты отдельных этапов расчетного определения donT приведены на рис. 2.2. На рис. 2.2, а представлены полученные в результате расчета спектральные зависимости коэффициента отражения поверхности кремния после просветления пленками SiO. Исходная поверхность кремниевых фотоэлементов представ­ляет собой сильнолегированный (до концентрации примесей 4>

• 1020 см-3) слой /г-типа, полированный в смеси кислот.

Расчет проводился с учетом многократного отражения в плен­ке по формуле

Д _ I /о I2 + І /і I2 + 2 I /о 1 ІДІсоз^яД)

1 + І /о І21 /і I2 + 2 | /о I | fi | cos (с/4яА) ’

где

і г._- ,1() ~ Пі * / Я1 — п2 .

0 »0 + «1 ’ ~ /ц — J — га2 ’

Щ = nSi; — показатель преломления просветляющего покрытия; п0 = 1. Значения пг (для SiO) взяты из работы [23]. В расчетах учитывалась дисперсия показателей преломления кремния ГЗО] и пленки. Кривая Т (рис. 2.2, б) — измеренная абсолютная

1, Ґ, Г~ d = 0;

2, 2’, 2” — d = 0,125 мкм;

3, s’, з" — d = 0,1375 мим;

4, 4′,4" — d = 0,15 hbm;

5,5′, 5" — d = 0,175 мкм;

6, 6′, 6“ — d = 0,2 мкм;

7, 7′, 7" — d = 0,2125 мкм

РИС. 2.3. Экспериментальные (штриховые) и расчетные (сплошные) спектральные за­висимости коэффициента отра­жения (1,2) и абсолютной чувствительности (3, 4) крем­ниевого фотоэлемента, про­светленного пленкой SiO

1.3 — d = 0,15 мкм;

2.4 — d = 0,2 мкм

спектральная чувствительность фотоэлемента с чистой полирован­ной поверхностью, расчетный коэффициент отражения от кото­рой — кривая 1 (рис. 2.2, а). Спектральные зависимости абсолют­ной чувствительности того же фотоэлемента после просветления пленкой SiO разной оптической толщины получены пересчетом кривой 1 с учетом уменьшения отражения после просветления. Нарис. 2.2, в представлено использованное в расчетах спектраль­ное распределение энергии излучения в спектре внеатмосферного Солнца р(Х) (Р = 1360 Вт/м2). Кривые 1"—7" получены расчетом по спектральной чувствительности (Г—7′), а площади, ограниченные ими, позволяют определить расчетным путем значения плотности тока короткого замыкания фотоэлемента при работе на внеатмо­сферном Солнце.

Аналогичные результаты дает и эксперимент. Для этого на фотоэлемент, параметры которого использовались в расчетах, а также на ряд других фотоэлементов наносились последовательно пленки SiO со значениями оптической толщины, использованны­ми в расчетах (см. рис. 2.2). Просветление производилось напыле­нием в вакууме при давлении 5-Ю-6 мм рт. ст. из смеси Si + Si02, загруженной в танталовую лодочку, со скоростью бООА/мин. После нанесения каждой из пленок SiO на монохроматоре измеря­лась абсолютная спектральная чувствительность фотоэлемента и ток короткого замыкания при освещении излучением имитатора Солнца. Затем пленка SiO удалялась плавиковой кислотой, фо­тоэлемент промывался деионизованной водой и после специальной обработки поверхности производилось напыление пленки другой оптической толщины. Контроль толщины пленки проводился по достижению минимума отражения при данной длине волны.

Полученные экспериментальные кривые спектральной чувст­вительности пересчитывались на известное спектральное распреде­ление солнечного излучения [53], а измерения под имитатором по­зволяли сразу получить значения JK. a фотоэлемента при Р = = 1360 Вт/м2. Экспериментальные кривые спектральной чувстви­тельности фотоэлемента почти совпали с кривыми, полученными расчетным путем на основе данных по отражению, что говорит о получении на поверхности кремния пленки с оптическими свой­ствами, близкими к использованным при расчетах. Измерение от­ражения от просветленной поверхности фотоэлемента подтверждает этот вывод. Из рис. 2.3 видно, что экспериментальные кривые спектральной чувствительности и коэффициента отражения для пленок SiO с d = 0,15 и 0,2 мкм хорошо совпадают с расчетными. Подобные же результаты были получены для пленок SiO с другими значениями оптической толщины.

Результаты определения по этим методикам JK3 фотоэлемента с чистой поверхностью и с просветляющими покрытиями на осно­ве SiO различной оптической толщины при работе в условиях вне-

атмосферного солнечного излучения суммированы в табл. 2.1. Анализ этих результатов позволяет сделать ряд важных выводов: наиболее выгодной оптической толщиной пленки SiO для работы на внеатмосферном Солнце является й0Пт = 0,15 мкм (A, min = = 0,6 мкм), теоретически позволяющая получить прирост /к. э 44— 45%; нанесение покрытий, приводящих к минимальному отраже­нию в точке максимума спектральной чувствительности фотоэле­ментов (при X -= 0,85 мкм), энергетически невыгодно в случае работы фотоэлементов на внеатмосферном Солнце, так как /к. э фотоэлемента, просветленного пленкой SiO с d = 0,2125 мкм (Amin = 0,85 мкм), на 9—10% ниже JK-3 фотоэлемента после на­несения пленки SiO с d = 0,15 мкм (Amj, i = 0,6 мкм); изменение оптической толщины пленки d от 0,1375 до 0,1750 мкм весьма не­значительно сказывается на /к з просветленного фотоэлемента — изменение составляет не более 2,5% от /ь.3 фотоэлемента, просвет­ленного наиболее эффективной пленкой с й0Пт = 0,15 мкм.

Последний вывод имеет два важных практических следствия: отсутствие жесткого допуска на толщину покрытия позволяет вести визуальный контроль за ходом процесса его нанесения, что зна­чительно упрощает просветление кремниевых фотоэлементов в производственных условиях, так как не требуется сложной автома­тической системы контроля; широкий диапазон допустимых зна­чений дает возможность выбирать толщину покрытия исхо­дя из других требований, существенных для эксперименталь­ных характеристик фотоэлементов: механической прочности по­крытий, влияния на радиационные характеристики поверхности, например на интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения ас.

Было показано, что величина d = 0,15 мкм (Amin = 0,6 мкм) приводит к наибольшему приросту /к 3 и при других просветляю­
щих покрытиях на поверхности кремниевых фотоэлементов. Это позволяет рассчитать оптимальный показатель преломления про­светляющего покрытия: riy = n’ll — 2,012. Использованная ме­тодика определения оптимальных параметров просветляющих покрытий успешно применена при разработке двухслойных по­крытий, позволяющих решить одновременно задачи просветления и температурной стабилизации фотоэлементов в условиях безвоз­душного пространства Г55], а также при расчете покрытий для фотоэлементов других систем, в частности на основе GaAs.

Было обнаружено, что применение просветляющих покрытий не только увеличивает спектральную чувствительность и /к.3, но и улучшает всю вольт-амперную характеристику фотоэлемента в целом. На рис. 2.4 показаны измеренные под имитатором внеат­мосферного солнечного излучения вольт-амперные характеристи­ки одного из фотоэлементов до и после просветления пленками MgF2, Si02, Ce02, ZnS, SiO*, Sn02, SiO c d = 0,15 мкм. В случае применения пленок SiOx, Sn02, SiO было получено уве­личение КПД фотоэлемента на 41—44% от его значений до про­светления. Аналогичные результаты были получены в работах [56, 57] после нанесения пленок ТЮЖ, Ta205, Nb205.

Вследствие относительно большого показателя преломления крем­ния рабочая поверхность кремниевых фотоэлементов отражает большую часть падающего излучения во всем интервале спектраль­ной чувствительности (0,4—1,1 мкм).

Эффективным способом уменьшения потерь на отражение мо­жет служить нанесение просветляющих покрытий [33, 34]. Выбор оптимального просветляющего покрытия для кремниевых фото­элементов осложняется несколькими обстоятельствами: несов­падением положения максимума спектрального распределения энергии излучения источника света и максимума спектральной чувствительности фотоэлемента; дисперсией показателя прелом­ления кремния; небольшими размерами и неровностями рабочей поверхности, что не позволяет использовать некоторые из методов нанесения просветляющих покрытий; зависимостью формы кривой спектральной чувствительности фотоэлемента от глубины залега­ния р—л-перехода и параметров исходного материала.

Для получения на поверхности кремниевых фотоэлементов эффективных просветляющих покрытий и определения оптических характеристик оптимального просветляющего покрытия была при­менена специальная методика расчета плотности тока короткого замыкания /к з просветленных фотоэлементов при работе на вне­атмосферном Солнце [33], позволившая с большой точностью определить параметры оптимального просветляющего покрытия, приводящие к наибольшему приросту /к. з за счет просветления. Результаты расчета полностью подтверждены экспериментальными данными.

Выбор метода нанесения просветляющего покрытия

Были исследованы различные методы нанесения просветляющих покрытий. Простой и удобный метод получения пленок гидро­лизом эфиров ортокремниевой и ортотитановой кислот оказался недостаточно эффективным из-за небольших размеров просвет­ляемой поверхности (несмотря на тенденцию увеличения со­временных фотоэлементов до 2, 4, 6, 12 см2, широко используются мелкие фотоэлементы с площадью рабочей поверхности 0,8; 1,2; 1,6 см2), причем равномерность покрытия ухудшается также из-за прямоугольной формы фотоэлементов и неровностей поверх­ности кремния ввиду наличия на ней токосъемных контактов. Метод образования просветляющего покрытия травлением по­верхности кремния позволяет получить пленку лишь одного определенного состава — Si02 (ngio2 = 1,44). К тому же при химическом травлении трудно точно контролировать толщину получаемого покрытия, так же как при методе просветления кремниевых фотоэлементов окислением кремния при высокой температуре [50], когда просветляющее покрытие должно быть нанесено до создания электрических контактов.

Был выбран способ нанесения просветляющих покрытий тер­мическим испарением в вакууме, который дает возможность ис­следовать большое число покрытий с разными показателями преломления, хотя некоторые покрытия не удается получить достаточно прозрачными в области 0,4—1,1 мкм из-за частичного разложения испаряемого вещества в процессе нанесения. К их числу, например, относится ТЮ2, обладающая весьма подходящим для просветления кремния показателем преломления птю2 = 2,2. Перед напылением производилась тщательная очистка поверхно­сти фотоэлемента в плавиковой кислоте, деионизованной воде и изопропиловом спирте.

Методом испарения в вакууме на поверхности кремния были получены просветляющие покрытия из веществ: фтористый магний MgF2 (nMgI, = 1,38), двуокись олова Sn02 (nsno2 = 1,7), моноокись кремния SiO («sio = 1,9), окисленная моноокись крем­ния SiOJ.(«Siox = 1,7), двуокись кремния Si02 (я3ю2 = 1,44), дву­окись церия Се02 (псе02 = 2,2), сернистый цинк ZnS (nzns = 2,3) (значения п приводятся для Я = 0,8 мкм).

Для оценки поглощения в полученных пленках одновременно с осаждением на кремниевую поверхность наносились покрытия на контрольные стеклянные пластины. У пленок ZnS, Се02 при оптической толщине d = 0,15 мкм поглощение отсутствует во всем интервале 0,4—1,1 мкм, а у пленок Sn02 и SiO достигает 2—3%, причем только в области 0,4—0,5 мкм. Такая величина поглощения практически не влияет на эффективность просветле­ния кремния.

Таким образом, при просветлении фотоэлементов можно при менять обычную технологию термического испарения в вакууме [32—34, 51], не прибегая к более сложным методам [28, 29, 46]

Выбор параметров оптимального покрытия

Расчет параметров покрытия сводится к нахождению оптической толщины d и показателя преломления просветляющей пленки п2, определяемого для непрозрачных подложек соотношением

(Пі — ГС„)2 _ К — ‘hf -1- fc2

(/lj — J — Л0)2 ("2 + nl)2 + ’

тде п0 = 1, пи п2 — показатели преломления воздуха, просвет­ляющей пленки и подложки (кремния) соответственно; к = = аХ/4я и а — показатель и коэффициент поглощения кремния. Из (2.2) следует

Используя значения п2 и а из работ [30, 52], легко показать, что для выбора пг при % > 0,5 мкм можно с достаточной точностью пользоваться формулой для просветления прозрачных диэлектри­ков:

Однако окончательный расчет пг можно провести лишь после определения d просветляющего покрытия (или, что равнозначно, Ятіп, поскольку d = Я. щіп/4), так как вследствие дисперсии п2 оп­тимальный показатель преломления п1 просветляющего покрытия зависит от выбора точки минимального отражения. Выбор d ослож­няется, в свою очередь, несовпадением максимума спектрального распределения энергии солнечного излучения (0,5—0,6 мкм) и максимума спектральной чувствительности фотоэлемента (0,8 — 0,85 мкм). Очевидно, что Ятт должна лежать в области от 0,5 до 0,85 мкм, но точное значение ^min невозможно определить без специального расчета или эксперимента.

Были намечены два метода выбора d. Первый состоял из выпол­нения в указанной последовательности следующих операций.

1. Экспериментально определяли спектральный коэффициент отражения и абсолютную спектральную чувствительность непро­светленного фотоэлемента (с полированной приемной поверхно­стью).

2. Выбирали просветляющее покрытие с хорошо известным показателем преломления в интервале 0,4—1,1 мкм.

3. С помощью известных соотношений рассчитывали спектраль­ный коэффициент отражения фотоэлемента, просветленного выб­ранным покрытием с разной оптической толщиной d. Значения d для расчета выбирали таким образом, чтобы Я. шіп принимала не­сколько промежуточных значений в интервале 0,5—0,85 мкм.

4. По экспериментальным значениям спектральной чувстви­тельности непросветленного фотоэлемента расчетом получали спектральную чувствительность фотоэлемента после просветления пленками определенного состава, но разной оптической толщины, учитывая для каждого значения К изменение коэффициента отра­жения в результате просветления.

5. Кривые абсолютной спектральной чувствительности пере­считывали на спектральное распределение энергии источника све­та (перемножением ординат кривых, соответствующих одной и той же длине волны) и получали семейство кривых, представля­ющих собой спектральное распределение /к.3 фотоэлемента до и после просветления при освещении данным источником света.

6. Подсчет площадей, ограничиваемых кривыми спектраль­ного распределения /к.3, позволил получить интегральное значе­ние плотности тока короткого замыкания (при работе с данным источником света) для непросветленного и просветленного (плен­ками разной оптической толщины) фотоэлементов.

7. Сравнение полученных таким образом значений /к з позво­лило сделать выбор между пленками разной толщины, т. е. опре­делить попт и с£опт просветляющего покрытия, приводящего к наи­большему увеличению КПД, поскольку уже найдено оптимальное значение Я.,піп.

Второй метод отличался от первого тем, что экспериментально определяли спектральную чувствительность не только непро­светленного фотоэлемента, но и просветленного (после каждого последовательного нанесения и снятия с одного и того же фото­элемента пленок одинакового состава, но разной оптической тол­щины). Пункты 5, 6, 7 в обоих методах совпадали.

Данная методика расчета (как по первому, так и по второму способу) позволяет выбрать оптимальное покрытие фотоэлемента при работе его под любым источником света. Был проведен расчет для случая внеатмосферного Солнца (Р = 1360 Вт/м2), спектраль­ное распределение энергии излучения которого взято из работы [53].

Возможен также третий метод — измерение под имитатором солнечного излучения. Результаты, получаемые с помощью ими­татора, следует признать менее точными, чем те, к которым приво­дят первые два способа, так как спектральное распределение энер­гии излучения имитатора несколько отличается от солнечного, но относительное сравнение эффективности различных пленок этот способ позволяет провести (применялся имитатор солнечного из­лучения на основе вольфрамовой лампы, спектральное излучение которой было исправлено фильтрами [54]).

Для расчетной и экспериментальной оценок была выбрана пленка моноокиси кремния SiO по следующим соображениям:

1) показатель преломления пленки близок к значению nil в интервале 0,5—0,85 мкм; 2) при экспериментальном получении пленки SiO наблюдалась хорошая воспроизводимость результатов, что дало возможность провести практическую проверку результа­тов расчета с необходимой точностью.

Наибольшим КПД преобразования солнечной энергии в элек­трическую ц обладает полупроводниковый фотоэлемент с р—п — переходом. В 1975—1976 гг. были получены кремниевые фото­элементы с т| — 18 — г — 19% [49] и гетерофотоэлементы на основе системы твердый раствор алюминия в GaAs—GaAs с г| ж 22% [14] в наземных условиях.

Селективные оптические покрытия играют важную роль в этих преобразователях солнечной энергии. С помощью покрытий удается решить целый ряд задач: повысить КПД за счет снижения отра­жения от рабочей поверхности, защитить от воздействия кор­пускулярного облучения и резко уменьшить рабочую темпе­ратуру, что особенно важно в связи с тем, что КПД полупровод­никовых фотоэлементов сильно уменьшается с увеличением их температуры [10]. Например, при 160—180° С у кремниевых фотоэлементов практически ц = 0. Очевидно, что задача темпе­ратурной стабилизации кремниевых фотоэлементов на возможно более низком уровне приобретает чрезвычайно большое значение, особенно при их интенсивном освещении, использовании концент­раторов солнечной энергии и работе в космосе. Необходимо от­метить, что возможность отдачи тепла теплопроводностью и кон­векцией определяется в основном конструктивными особенностями фотоэлектрогенератора и лишь радиационная составляющая за­висит от оптических характеристик поверхности. Поскольку ра­диационные потери в тепловом балансе фотоэлектрогенератора составляют большую долю (наземные условия), а в ряде случаев полностью определяют его (космос), оценка равновесной рабочей тем­пературы может быть проведена лишь с учетом радиационного теплообмена.

Без учета теплопроводности и конвекции равновесная рабочая температура кремниевых фотоэлементов будет опреде­ляться следующим радиационным балансом: поглощенная сол­нечная энергия (исключая энергию, преобразованную в электри­ческую) равна вновь излученной энергии.

Сделаем допущения: 1) фотоэлементы из кремния смонтиро­ваны на плоской панели, которая ориентирована перпендикуляр­но к Солнцу; 2) фотоэлементы термически изолированы от основ­ной конструкции; 3) излучение исходит только от Солнца.

Тогда условие радиационного равновесия запишется в виде

оо ОС

SacP 5 а(Я, Т) р (X) dk I jj р (к) dk —

О ‘ о

оо сс

— rSacP J а (X, Т) p(k)dk / І р (к) dk =

О ‘ о

оо оо

= SEoTl $ s (X, Т) р {к, T)dk I $ р (X, Т) dk,

где Sac — площадь поверхности фотоэлементов, поглощающей солнечное излучение; SE — площадь излучающей поверхности фотоэлементов; а (к, Т) — спектральный коэффициент поглоще­ния излучения при температуре Г, К; р (к) — спектральная ин­тенсивность солнечной радиации; Р — солнечная постоянная, составляющая для внеатмосферных условий около Земли 1360 Вт/м2; е(Х,7’)—спектральный коэффициент излучения фотоэлементов при температуре Т; р (X, Т) — спектральная интенсивность излучения черного тела при температуре Т; в — постоянная Стефана — Больцмана (5,67• 10-8 Вт-м~2-К_4).

Обозначив интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения поверхностью фотоэлементов ас и интегральный коэф­фициент собственного излучения фотоэлементов е, получим для равновесной температуры

(2.1)

Из равенства (2.1) следует, что для получения низкой равновес­ной температуры кремниевых фотоэлементов необходимо стре­миться к снижению ас и SajSE и увеличению е. Из равенства (2.1) можно сделать вывод, что если излучает тепло не только освещаемая поверхность фотоэлементов, но и неосвещенная (тыль­ная), не поглощающая солнечную радиацию, то в силу уменьше­ния отношения SaJSE равновесная температура снизится. Заме­тим, что поглощение происходит в спектральном интервале 0,2— — 3 мкм (спектр основной части энергии солнечного излучения), а тепловое излучение при 25° С — в области 3—33 мкм с мак­симумом около 10 мкм (спектр излучения черного тела при 25° С). Поскольку поглощение солнечного света и излучение кремниевых фотоэлементов происходят в разных областях спектрального диа­пазона, то теоретически возможно влиять на каждый из коэф­фициентов ас и е, изменяя тепловой баланс в желаемом направ­лении.

Практически мы не можем уменьшить поглощение в области 0,4 —1,1 мкм, так как это рабочий интервал спектра солнечных батарей из кремния. Большая часть энергии солнечного спектра (65—67%) лежит именно в этом интервале, и снижение ас воз­можно лишь за счет отражения энергии (33—35%), которая заключена в спектральных областях 0,2—0,4 мкм и 1,1—3 мкм. Поэтому даже в оптимальном случае полного отражения от по­верхности кремния солнечной радиации этих участков спектра

——————————————————————————- —

ш———

за —

00 —

40 —

РИС.2.1. Спектральное распределе­ние коэффициента отражения от по — 40 — верхности фотоэлементов при идеаль­ном охлаждающем покрытии 0 __ і___ і ■ ‘ ■…………….. …..

Ofi 1,0 3,0 3,0 7,0 3,0

Л, мкм

величину ас можно снизить лишь до значений в пределах 0,65— 0,67.

Для теплового излучения подобного ограничения не сущест­вует, и теоретически возможно увеличение є до значений 0,95-1,0.

Согласно закону Кирхгофа излучение тела равно его погло­щательной способности в этой же части спектра. Коэффициенты поглощения А, отражения R и пропускания Т в одном и том же участке спектра связаны следующим образом: А + R + Т = 1. Высокое поглощение и, следовательно, большое значение коэф­фициента излучения требуют, чтобы R — j — Т = 0. Коэффициент пропускания Т кремниевых фотоэлементов со сплошным тыльным контактом практически равен нулю в области 3—33 мкм. Это создает удобство в экспериментальном отношении. Измерив спек­тральный коэффициент отражения, можно судить о поглощении в этом спектральном интервале и, следовательно, об излучении фотоэлементов при той же температуре. Чем меньше отраже­ние от поверхности фотоэлементов в интервале 3—33 мкм, тем больше поглощение и излучение в этой же части спектра и тем ниже будет равновесная температура поверхности, как это сле­дует из равенства (2.1).

Спектральное распределение коэффициента отражения по­верхности фотоэлементов при идеальном охлаждающем покрытии

(рис. 2.1) будет иметь сложный характер (для большей нагляд­ности участок спектра 0,2—1 мкм дан в увеличенном масштабе).

Для максимального снижения равновесной рабочей темпера­туры с целью увеличения КПД преобразования бесполезное для получения электроэнергии солнечное излучение в интервалах 0,2—0,4 мкм и 1,1—3 мкм (нефотоактивное для кремниевого фотоэлемента) должно быть полностью отражено при одновре­менном оптимальном просветлении поверхности в области спек­тральной чувствительности фотоэлементов (0,4 —1,1 мкм); в об­ласти собственного теплового излучения (3 —33 мкм) поверхность должна быть поглощающей.

Рассмотрим сначала вопросы, связанные с созданием про­светляющих покрытий.

2.1.

Если в случае тепловых преобразователей солнечной энергии можно, как показано в 1.5, применять для снижения отражения от коллекторных поверхностей частично поглощающие слои, а при просветлении гетерофотоэлементов нижняя просветляющая пленка неизбежно является частично поглощающей в связи с тем, что она одновременно выполняет роль фотоактивного слоя (слой Cu2S, рассмотренный в качестве примера в 1.6), то для других типов преобразователей солнечной энергии необходимо уменьшить отражение от металлических слоев, пользуясь только совершенно прозрачными диэлектрическими пленками. Таковы, например, покрытия для прозрачной селективной стеклянной или полимерной изоляции гелиоустановок или приемных по­верхностей комбинированных фототермических преобразователей. В этих случаях важно обеспечить возможно более низкий коэф­фициент собственного теплового излучения поверхности, что можно сделать только с помощью металлических слоев, и в то же время получить максимальную прозрачность покрытия в об­ласти солнечного спектра. Удовлетворить столь противоречивым требованиям можно, используя для создания селективного по­крытия полупрозрачные металлические пленки, просветленные с обеих сторон совершенно прозрачными диэлектрическими слоями.

Рассмотрим возможность просветления металлов с помощью прозрачных пленок. Учитывая актуальность этой проблемы для создания перспективных комбинированных преобразователей сол­нечной энергии, ход рассуждений проведем достаточно подробно с обобщением некоторых положений, высказанных выше.

Система, состоящая из металлической подложки с просвет­ляющим покрытием, является одним из простейших случаев многослойной оптической системы. Для нее согласно предыдуще­му справедливы следующие соотношения:

= /о + Г1 ехр (— іплУтГк) ш ° 1 + /о гі ехр (— іп^Алі’А) ’

по + лі ’ ^ «1+"г —ifc ’

D = I 12 I /о |г + 1 /і I2 + 2 І /о І І /і I cos (nJAn/k — arg fl + я) =

1 0| 1 + І/о І2 І/і I2-i-2 І/п II/і I cos («іМл/Я — arg/j-n)

= І /о I2 + 1 fl I2 — 21 /о I I jl 1 cos КІ4nil — arg /,)

1 + І /о I2 I fi I2 — 2 I /01 І /і I cos (njin/k — arg ft)

(arg /0 = я, так как щ = 1 и всегда п1 п0);

І /і

2пгк

— — А*

Условием, определяющим толщину пленки, при которой для данных значений оптиче­ских констант п-у, /г2, к отраже­ние минимально и равно R =

= (і’-і/Імьі Г’являотсяс°-

отношение

— щі =— arg Д + 2ят,

где т = О, 1, 2,…

Для случая т = О

М = -7^- arg А, (1-35) или

Я 2/1 і/г

іїг arcts ——V-

и — .—. n* — откуда видно, что при А: = 0 и пі < пг оптическая толщина про­светляющей пленки равна Я/4 (результат, хорошо известный для случая просветления непо­глощающих слоев). Если пх «2 и к = 0, то Пу1 = 0, т. е. при таком соотношении между Пу и пг пленка увеличивает отражение.

Исходя из условия (1.35) построены зависимости оптической толщины просветляющей пленки (рис. 1.8), соответствующей минимуму отражения, от показателя поглощения металла в двухслойной системе просветляющая пленка—металл. Для про­светляющей пленки можно выбрать несколько непоглощающих материалов с различными показателями преломления, например Пу = 1,45 (Si02), Пу = 2,3 (ZnS), Пу = 2,8 (Ti02, SiC). Для каж­дого фиксированного значения пх построено семейство кривых

зависимости оптической толщины просветляющей пленки нД от показателя поглощения подложки к при определенных значениях показателя преломления подложки п2. Рассматривая правую часть соотношения (1.36), можно сразу же сказать, что основные ха­рактерные особенности зависимости оптической толщины пленки от показателя поглощения d = d (к) можно разграничить условием п1 = п2. При п2 Д> пг для всех к выполняется п — п — к[3] < О, причем пД — V Х/4 как при к 0, так и при к -*■ оо; в точке к ——

= (тй. — Hi),,z кривые имеют минимум. Для случая п1 Д> п2 экстремума нет; тгД -*■ 0 при к —0, пхI Х/4 при к-*■ оо; если

п{ — п2 = /с2, значение оптической толщины пД не определяется;

в этом случае вещественная часть Д = 0, т. е. на границе просвет­ляющая пленка—подложка отражение равно нулю, и при любой толщине пленки отражение системы обусловливается отражением от границы раздела воздух—пленка:

"о — "і «0 + «1

При п1 = п2 минимум соответствует к = 0, что является частным случаем условия /г^ — щ == к2, и, следовательно, в этой точке значение оптической толщины не определяется. Действитель­но, при этих условиях рассматриваемая оптическая система представляет собой однородную полубескопочную непоглощаю-

щую среду, и R = |r0|2 = (-"n ^ j. При к-*- оо оптическая

толщина просветляющей пленки n-J. А/4.

Рассмотрим, при каких соотношениях между оптическими константами достигается пулевое отражение.

Если выполнено соотношение иД arg Д, то

(1.37)

и В 0 при | /о | — | Д |. Тогда

/«О — "і 2 „ ("i — "2р — і — к2

п„ -| — / ("1 ч — "Д2 — г /2 откуда следует (п2 — п0)(nJ — пип2) = п0к2.

Для к = О ЭТО обычное условие просветления п ~ ПоЩ при оптической толщине пленки пД — л/4.

При к ф О

откуда видно, что (п2 — nn)(nl — п(1п2) ^> 0. Это означает, что нулевое отражение может быть получено, если одновременно выполняются условия:

1) п2 ^> п„ н пх (п0п2)’/г (или П| п2 так как показатель преломления воздуха п0 = 1), причем оптическая толщина про-

7 Я,

СВЄТЛЯЮЩЄГО СЛОЯ удовлетворяет условию П1 — arg ]х 2

ломления просветляющей пленки имеет вид

Пг= [по(п2+- 2"„о)]/2-

Это условие справедливо при п2 ?г0 и любых значениях к если к ф 0 и п2 <Z п0 или п1 = (п0п2)Чг, значение В = 0 не до­стигается.

Из рис. 1.9 можно сделать некоторые предварительные за­ключения об эффективности применения просветляющих покры­тий с тем или иным показателем преломления. По-видимому, с точки зрения просветления наиболее удачными можно считать покрытия с наибольшим возможным показателем преломления, так как они имеют при фиксированных п2 и к наименьшие значе­ния коэффициента отражения. Кроме того, как видно из рис. 1.9, эти покрытия позволяют получать широкий минимум коэффи­циента отражания, т. е. они менее чувствительны к отклонениям п2 и к от оптимальных.

Очень интересен другой вывод — максимального снижения отражения можно достичь при уменьшении значения показателя поглощения металла даже в том случае, когда его показатель преломления имеет сравнительно высокое значение. Этот вывод имеет важные практические следствия:

1) если для описываемых систем удается подобрать просвет­ляющую пленку с необходимым показателем преломления, то целесообразно в качестве подложек применять такие металлы, как никель, титан, железо, имеющие оптические константы, близкие тем, которые позволяют получить почти нулевые зна­чения коэффициента отражения;

2) при необходимости использовать высокоотражающие метал­лы, такие, как серебро, медь, алюминий, золото, хром, родий, следует с помощью технологических приемов (например, путем изменения структуры и геометрии металлического слоя) обеспе­чить в основной спектральной области солнечного излучения тре­буемые для оптимального просветления оптические константы. Так, нанося сильно диспергированные слои с большим количест­вом микропор или превращая с помощью фотолитографии сплош­ной слой серебра или алюминия в микросетку, можно добиться необходимой селективности свойств — облегчить условия про­светления в области солнечного спектра (благодаря снижению к и повышению п металлического слоя) при сохранении высокого отражения в спектральной области собственного теплового из­лучения.

Следует подчеркнуть, что проведенный теоретический анализ указывает не только максимально достижимые, предельные зна­чения, но и пути дальнейших экспериментальных исследований.

Особенности просветления тонкопленочных полупроводниковых фотоэлементов рассматриваются на примере фотоэлементов из CdS и CdTe, имеющих верхний слой из Cu2S. Такие фотоэлементы пред­ставляют собой слой CdS (или CdTe) n-типа толщиной 5—15 мкм, осажденный на молибденовую фольгу; потенциальный барьер создается нанесением p-слоя Cu2S толщиной около 0,1 мкм [47]. Оптические константы слоев CdS и CdTe достаточно хорошо описаны в литературе [48]. Определение оптических констант пленок Cu2S проводилось так же, как и для пленок никеля, по номограммам оптических констант тонких поглощающих пленок, составленным в соответствии с методикой, описанной в работе [44]. Полученные значения оптических констант пленок Cu2S (I = 625—650 А), которые использовались в расчетах, приводятся в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Оптические константы пленок сульфида меди

Из полученных значений оптических констант пленок Cu2S видно, что в области спектра 0,5—0,8 мкм поглощение пленок Cu2S сравнительно мало, а показатель преломления Cu2S имеет промежуточное значение между показателями преломления воз­духа и CdS или CdTe (например, при % = 0,6 мкм, rccds = 2,5, ксdS ~ 0). Вследствие этого слой Cu2S, выполняющий роль фо — тоактивного p-слоя гетерофотоэлементов, позволяет од овремен — но значительно увеличить пропускание света в базовую область за счет эффекта просветления. В области 0,6—0,7 мкм находится максимум спектральной чувствительности тонкопленочных гете­рофотоэлементов. Для получения с помощью просветляющего покрытия минимального отражения от пепоглощающих слоев необходимо, чтобы оптическая толщина пленки была равна чет­верти длины волны, на которой происходит просветление.

В качестве длины волны, на которой происходит просветление, выбираем к = 0,6 мкм (в этой области наблюдается минимум показателя поглощения к и пленка Cu2S ведет себя почти как непоглощающая), тогда оптическая толщина пленки Cu2S должна быть равна примерно 0,15 мкм, а геометрическая — 625 А (в этой области п(;П!1<£=.2,2, a /rcu, s~0,2). Толщина пленки Cu2S, опти­мальная с точки зрения оптических характеристик преобразо­вателя, хорошо согласуется с толщиной пленки, необходимой для получения высоких фотоэлектрических параметров гетеро­фотоэлемента. При проведенной оценке оптической толщины не учитывалось поглощение в пленках Cu2S и CdS или CdTe, хотя показатель поглощения пленок Cu2S в довольно широких обла­стях спектра (входящих в интервал спектральной чувствитель­ности гетерофотоэлементов) — от 0,4 до 0,5 мкм и от 0,8 до

1,0 мкм —достигает достаточно большого значения: 1,6—0,8

и 0,6—1,4 (см. табл. 1.7).

В связи с этим следует проводить расчет оптимальных опти­ческих параметров слоев с учетом поглощения в пленках Cu2S и CdS, тем более что оптические системы, состоящие из одной или двух прозрачных просветляющих пленок, нанесенных по­верх двух частично поглощающих пленок, характерны для мно­гих селективных покрытий на полупроводниках, и методика такого расчета может быть использована при оптимизации по­крытий для широкого класса гетерофотоэлементов, в частности для просветления перспективных гетеросистем на основе двух­слойной структуры: твердый раствор алюминия в GaAs—GaAs, для і оторых уже в настоящее время получен реальный КПД преобразования излучения в условиях наземного Солнца в элек­трическую энергию, превышающий 20% [14].

Рассмотрим оптическую систему: на неинтерференционной пленке CdS создана испарением в вакууме, химической реакцией или реактивным распылением тонкая пленка Cu2S. В этой системе обозначим: п0 — показатель преломления воздуха; и,, кх и пг, /г2 — показатели преломления и поглощения пленок Cu2S и CdS соответственно; — толщина пленки Cu2S.

Тогда, пользуясь формулами теории многослойных тонко­пленочных систем, приведенными выше, получаем выражение —

для коэффициента отражения этой системы

R = I Го |2 = г*г„ = [ I /о I* 4 І Гі I2 охр (— &Л8л/Х) — г
-f — 2 | /о | | гх | exp (— kil^in/X) cos^ij/tnlk — f-

arg/о — arg rj)]/[l — f — | /„ |21 rx |2 exp (— ХУгЗл/Х) 4- ~ 2 І /о I I Г! I exp (— kJAn/X) cos (гсіМл/Х — arg /0 — arg /’,)],

/■j — амплитудный коэффициент отражения на границе пленка Cu2S—пленка CdS.

Вследствие большой толщины поглощающей пленки CdS (5—15 мкм) и сильного поглощения излучения на развитой ше­роховатой границе раздела CdS—Мо можно не учитывать мно­гократного отражения в пленке CdS, поэтому следует считать амплитудный коэффициент отражения на этой границе равным коэффициенту Френеля на этой же границе:

г — і ■ I г I2 — К — ”г)а + (X, — Х2)2 .

1 11’ 1 Jl (ах + »2)2 + (АT-I-A-42 ’

2 {плк. г — n2kj)

„І — п + к — к •

Расчет спектрального коэффициента отражения поверхности гетерофотоэлемента без покрытия при dcuiS = 0,15 мкм показы­вает, что в области спектра 0,45—0,7 мкм действительно наблю­дается ожидаемый минимум коэффициента отражения, однако в области коротких волн значительная часть излучения, падаю­щего на фотоэлемент, все же теряется вследствие отражения. Возникает задача расширения области низкого коэффициента от­ражения, которая решается обычно созданием двух — или трех­слойных просветляющих покрытий. Однако при просветлении двух частично поглощающих пленок не существует простых со­отношений для определения оптимального показателя преломле­ния верхней просветляющей пленки и ее толщины, так как необ­ходимо учитывать дополнительный сдвиг фаз падающей и отра­женной волн за счет поглощения в слое Cu2S и слое CdS.

Рассмотрим предыдущую систему с нанесенным вторым про­светляющим слоем. Обозначим в ней: п0 — показатель преломле­ния среды, из которой падает свет; п1 — показатель преломления просветляющего слоя; щ, к2 и п3, к3 — показатели преломления
и поглощения пленок Cu2S и CdS; 1г — толщина просветляющей пленки; 1г — толщина пленки Cu2S. Тогда из условия просвет­ления получаем, что при длине волны, на которой происходит просветление, отражение на границе просветляющая пленка— внешняя среда должно быть нулевым, следовательно, и ампли­тудный коэффициент должен быть нулевым на этой же границе. Для данной системы выполняются следующие соотношения:

/о-Г Гівхр(—іп^п/Х) . , _ па — пх _

0 1 +/о»іЄхр(— ’ ■Го и0 + "і ’

_ /і + г2 ехр [ — і 12 (>і2 — ік2) 4яД] # . _ пг — пг — І — ік2 _

Гі 1 + hr2 ехр [— і Ія («2 — t/r2) 4л/?.] ’ Iі ~~ п-і + пг— ік2 ’

__ — >h — * (^2 — І{:>)

2 л2 -|- «з — і (к2 -j — к3)

где г, и г2 — амплитудные коэффициенты отражения на границе просветляющая пленка—пленка Cu2S и пленка Cu2S— пленка CdS; fx — коэффициент Френеля на границе просветляющая пленка— пленка Cu2S.

Из приведенных формул видно, что г0 является комплексной величиной. Для равенства нулю г0 достаточно, чтобы числитель был равен нулю, знаменатель при этом не равен нулю, так как действительная часть произведения /0гх ехр (— т1/14л/Х) по аб­солютной величине меньше единицы.

Таким образом, имеем

/о + ехр (— = 0. (1.30)

Подставляя в (1.30) значение гх в виде = | rx | exp (i arg rx) и учитывая приведенное ранее определение /0, получим

Ы [cos (argГ!——— bLmh) +

(arg rx—— Пгіг} = 0,

или

Если справедливо второе уравнение системы (1.31), то arg гх — —Пі/і = лт, где т = 0, 1, 2,…

Следовательно,

cos (arg ri—g — Пгіг} = (— l)m. (1.32)

Тогда из первого уравнения системы (1.31) получим

= Ы2-

"о — «1 / 1 1

Значение гх находится из ранее приведенных соотношений. Окончательное уравнение для нахождения имеет вид

где коэффициенты Вг, Dv G, F, B2, D2 являются функциями

ОТ l2, Нг, Нз, &3.

РИС. 1.6. Графическое решение урав­нения (1.33)

1 — соответствует правой части уравнения,

2 и 3 — левой части уравнения при фикси­рованных?^ — 1 її?10 = 1,5 соответстпешю

Графическое решение уравнения (1.33) для рассматриваемой системы пленок представлено на рис. 1.6. Найдя значение по­казателя преломления, из (1.32) легко определить толщину про­светляющего слоя.

При решении уравнения (1.33) рассматривалось два случая: 1) свет падает из воздуха (п0 = 1); 2) свет падает на фотоэлемент, защищенный слоем стекла (пст = 1,5). Во втором случае учи­тывалось, что толщина стекла много больше длины волны и коэффициент отражения на границе стекло—воздух усреднялся путем интегрирования по фазовой толщине стекла фст =

= лст/ст, которая может принимать значения от 0 до 2л:

где

I л, I2 — І ‘-ПI2 -1- 2 I /п 1 I "м I(Чсг А ^ f’n — агц ‘•»)’ .

1 I /„ I21 ‘■(, I2 ■ 2 I /0 I! r„ I cos (срст — а Г L>- /’ — — AViX С„) ’

("о-"ст)2 , | |2 (»CT-"lV2 ■

("о + "ст)2 ’ 0 0’ст + "і)2 ■’

/о — коэффициент Френеля на границе воздух—стекло.

Как и выше, в качестве значения длины волны, для которой достигается минимальное 1І, было выбрано ^min — 0,6 мкм, так как эта длина волны близка к X, соответствующей максимуму интенсивности излучения внеатмосферного Солнца.

Решепие уравнения (1.34) для первого случая дало п1 — 1,55, а для второго — п1 — 1,75.

Среди прозрачных просветляющих пленок, получаемых экспе­риментально, ближе всего к этим значениям находятся пока­затели преломления Si02 (?isio2 = 1,45) и А1203 («аі2о3 — 1.7). Толщина просветляющих пленок Si02 и А1203 при = 0,6 мкм соответственно 0,13 и 0,12 мкм.

РИС. 1.7. Расчетные спектральные зависимости коэффициента отраже­нии топкопленочного фотоэлемента CdS—Cu2S (dClbS = 0,15 мкм) с раз­личными просветляющими покрыти­ями

1 — Поз покрытии;

2 — Si02 (rf. SiO, = 0,1.4 мкм);

3 — А120з (<ід 1,0, = О,*2 МКМ) — J — стекло

Из рис. 1.7 видно, что в области минимума R <С2% для тон­копленочного фотоэлемента без внешнего слоя стекла или лака и R — 4% для фотоэлемента, защищенного слоем стекла, что означает сведение к минимуму потерь на отражение.

Аналогичные результаты были получены для тонкопленочных фотоэлементов с базовым слоем из CdTe толщиной 10—15 мкм и сильиолегированным тонким (0,1 мкм) верхним слоем из Cu2S. Оптические константы CdTe, необходимые для расчетов, были взяты из работы [48].

Экспериментальное нанесение просветляющих покрытий на тонкопленочные гетерофотоэлементы подтвердило результаты про­веденных расчетов (см. главу 2).

1.7.

Оптимизация оптических параметров и расчет спектральных характеристик, в частности коэффициентов отражения металлов с тонкослойными покрытиями, необходимы для успешного экс­периментального получения селективного покрытия на коллек­торной поверхности тепловых преобразователей, которая обычно выполняется из хорошо проводящих тепло меди или алюминия (например, в случае солнечных термоэлектрогенераторов). Как будет показано в главе 3, очень эффективным является нанесе­ние поверх меди или алюминия полупрозрачной, частично по­глощающей пленки никеля, ибо дальнейшее снижение отражения в области солнечного спектра значительно легче осуществить от пленки никеля, чем от чистой поверхности меди или алюминия. Однако для выбора оптимальной толщины пленки никеля, сни­жающей отражение от меди пли алюминия в области солнечного спектра и одновременно позволяющей сохранить их высокое отражение в инфракрасной области, полезно провести расчет оптических параметров такой двухслойной системы для ряда значений толщины пленки никеля, хотя (см. главу 3) возможен и экспериментальный выбор оптимальной толщины пленки.

Серьезным препятствием для проведения такого расчета слу­жило отсутствие в литературе сведений об оптических констан­тах (показателе преломления п и показателе поглощения к) пленок никеля разной толщины во всем интересующем нас спек­тральном диапазоне от 0,2 до 30 мкм. Вследствие этого расчет был проведен при тех значениях к, для которых известны опти­ческие константы никеля, в частности при к — 0,59 .мкм (п = = 1,79, к = 1,86 [42]), к = 0,95 мкм (п = 2,6, к — 4,1), к = — 3,0 мкм (п = 3,55, к = 7,6), к = 6,0 мкм (п = 5,3, к = 13,9), к — 7,0 мкм (п = 6,05, к = 15,9), к = 10,25 мкм (п = 8,65, к = = 22,0 [43]). При тех же значениях к были измерены оптические константы сравнительно толстых слоев никеля (1—2 мкм). Из­вестно, что оптические константы пленок могут заметно изме­няться с уменьшением толщины, что может быть связано с из­менением электрических свойств (уменьшение длины свободного пробега носителей заряда из-за рассеяния на границах пленки) и влиянием структурных дефектов (увеличение количества пор). В связи с этим с помощью метода, описанного в работе [441, и специально построенных графиков зависимости коэффициентов отражения и пропускания поглощающих пленок, нанесенных на стекло, от их толщины были определены оптические константы пленок никеля, использованных для создания покрытий, и вы­полнено сравнение полученных данных с константами, взятыми из работ [42, 43] при проведении расчетов. Оптические константы массивных меди и алюминия были взяты из [41].

Результаты расчетов по формуле (1.28) сведены в табл. 1.6, из которой видно, что пленка никеля толщиной 100—400 А, нанесенная на медь или алюминий, резко усиливает селективность

оптических свойств поверхности в необходимом нам направлении. Отражение в области солнечного спектра значительно уменьшается после нанесения пленки никеля, оставаясь по-прежнему высоким в инфракрасной области спектра (для К у> Змкм). При I > 300 А пленка никеля начинает заметно поглощать излучение, и в этом спектральном интервале В падает, что должно привести к воз­растанию Є.

Таким образом, из проведенного расчета видно, что для со­хранения е поверхности коллектора на низком исходном уровне, характерном для меди или алюминия, и одновременного увели­чения поглощения в области солнечного спектра толщина слоя никеля в покрытии не должна превышать 300—400 А. Достаточно ли такого слоя для защиты поверхности от окисления и корро­зии — могли решить только лабораторные и натурные испыта­ния, методика и результаты которых описываются в главе 3.

Расчет параметров многослойного селективного покрытия
на металлической коллекторной, поверхности

Снижения отражения в области солнечного спектра, достигае­мого с помощью однослойного покрытия из никеля (см. табл. 1.6), явно недостаточно для получения значений интегрального коэффициента поглощения солнечной радиации ас 0,9. Поверх пленки никеля необходимо нанести дополнительное селективное покрытие, например, состоящее из двух диэлектрических и од­ного металлического слоев. Вместо пленок SiO, предложенных для этой цели [41, 45), частично поглощающих в инфракрасной области спектра, особенно в области 9—10 мкм, и изменяющих свои оптические свойства при длительном облучении ультрафио­летовым излучением [46], целесообразнее использовать стабиль­ные и прозрачные в спектральном интервале 0,2—30 мкм пленки Si02, получаемые испарением в вакууме с помощью электронно­лучевого нагрева. Оптическая толщина каждой из пленок Si02 должна составлять Х/4 в области, соответствующей максимальной плотности потока фотонов в спектре Солнца, т. е. 0,5—0,6 мкм. Отсюда оптическая толщина пленок Si02 должна быть 0,12— 0,15 мкм, а геометрическая — 800—1000 А, учитывая, что nSl0a = = 1,45. В связи с тем, что медь или алюминий должны быть предварительно покрыты слоем никеля, то и для полупрозрачного слоя трехслойного покрытия выгодно и технологически удобно выбрать пленку никеля. Следует учитывать, однако, что суммар­ная толщина обоих слоев не должна превышать 300—400 А. Это означает, что толщина каждого слоя никеля должна быть не более 100—200 А. Такое четырехслойное пленочное покрытие должно выглядеть следующим образом: подложка из полиро­ванной меди или алюминия—пленка Ni (/4 = 150—200 А)—плен­

ка Si02 (1Э = 800—1000 А)—пленка Ni (/2 = 150—200 А)—плен­ка Si02 (Z4 = 800-1000 А).

Окончательный вывод об эффективности данной (или любой другой) оптической схемы многослойного покрытия можно сде­лать только после расчета коэффициентов отражения поверхно­сти коллектора с такими покрытиями в широком спектральном интервале.

Расчет был проведен по рекуррентным формулам, приведен­ным в 1.1, 1.2. В рассматриваемом случае расчет усложнился из-за того, что в пленочном черно-белом покрытии имеются че­тыре слоя, два из которых являются поглощающими. Это озна­чает, что показатель преломления и фазовая толщина этих слоев должны быть записаны в комплексном виде.

Использованные для расчета формулы выглядят так:

где пь— ікь— комплексный показатель преломления металлической подложки.

Расчет коэффициента отражения поверхности меди и алюми­ния с четырехслойным покрытием был проведен для тех значе­ний X, для которых имелись литературные данные об оптических константах пленок никеля. Показатель преломления пленки Si02 был принят равным 1,45 для всех рассматриваемых значений к.

В результате расчета для выбранного в качестве примера четырехслойного черно-белого покрытия Si02 (li= 750 А) —Ni (Z2 = 150 A)—Si02 (Z3 = 1000 A)—Ni (Z4 — 150 А) на меди для значений длины волны 0,6; 1,0; 3,0; 7,0 и 10,25 мкм получены коэффициенты отражения 11,1; 21,4; 71,1; 84,4 и 93,3% соот­ветственно.

Таким образом, данная четырехслойная пленочная система позволяет получить поверхность коллектора, резко селективную по своим оптическим свойствам.

С помощью метода, изложенного в работе Г44], были экспе­риментально определены оптические константы пленок никеля с теми значениями толщины, которые использовались в расчетах. Они оказались отличными от тех, которые имеются в литературе для толстых пленок, но их использование в расчетах не привело к значительному изменению спектрального коэффициента отра­жения многослойного покрытия.

Эксперимент, результаты которого будут приведены в главе 3, позволил на практике получить покрытия, характеристики ко­торых подтвердили справедливость расчетных данных.

1.6.

Если отражение от поверхности полупроводников с помощью прозрачных диэлектрических покрытий удается уменьшить до практически нулевых значений, то от металлической коллектор­ной поверхности преобразователей солнечного излучения в те­пловую энергию в силу больших значений показателя поглощения металла снизить отражение сколько-нибудь заметно с помощью прозрачных пленок нельзя — необходимо включение в состав покрытия частично поглощающих слоев. Для теплового преобра­зователя не имеет значения, где поглотится излучение — в по­крытии или в самом коллекторе (если, конечно, общая толщина многослойного покрытия достаточно мала, чтобы его тепловым сопротивлением при передаче тепла от покрытия к коллектору можно было бы пренебречь). Поверхность тепловых преобразо­вателей солнечной энергии должна быть поглощающей (черной) в солнечной области спектра и слабоизлучающей (белой) в об­ласти теплового излучения. Покрытия, обеспечивающие благода­ря своим оптическим характеристикам (обычно в сочетании с характеристиками металлической подложки) такую селективность свойств поверхности тепловых преобразователей, получили на­звание черно-белых.

Прежде чем перейти к вопросам оптимизации селективных покрытий для тепловых преобразователей солнечной энергии, рассмотрим вывод основных формул для расчета параметров черно-белых покрытий.

Коэффициент отражения оптической системы
поглощающая пленка на поглощающей подложке

Как было показано выше,

R = г „г о,

где г* — величина, сопряженная г0;

= /о + ‘~іЄхр(— 2іф) . , = »о — >h + .

0 1+/(,гівхр(—2іф) ’ Уо "о + ‘Ц — ікі ‘

г = "і — ”2—

1 пі + п2 — і (^’і + *:г)

В этих выражениях г„, /„, rx — коэффициенты Френеля на границах контактирующих сред; тг0 — 1; пъ кх, щ, к2 — пока­затели преломления и поглощения поглощающей пленки и под­ложки соответственно.

В случае поглощающей пленки показатель преломления дол­жен быть записан в комплексном виде, следовательно,

2я . . 2я , ,

Фі — —Пііі — і —^— kill.

Обозначим

Фі = —k^i, p = — riili.

Тогда для конечного выражения получим „ * Zo + ^expt — <р’)ехр(-ф’)

It = Г0г0 =———————— ;————- X

1 + Uri exp (- фх) exp (— ф’)

/* + г* ехр(-ф’)ехр(ф’) _

1 + /*г? ехр(—ФІ)ехр(ф’)

_ 1 /о Р + Iг! 12 ехр (— 2ф’) + 2 І /о І І Гі | exp (— ф’) cos (ft’ + arg /в — arg rj ‘ — г І /» І* І ‘■і I2 exp (— 2ФЇ) + 2 | /0 | К I exp (— ф’) cos ф’ — arg fa — arg ‘

(1.28)

Используя те же исходные выражения, выведем формулу, имеющую другой конечный вид:

R _ |/о|2ехр(ф’) + |М2ехр(-ф’) +у*ехр(ф’Н-/*гіЄхр(— ФО ехр (ф’) + 1 /о Р | ‘112 ехр (— ф^) + f*r* ехр (ф’) + /0гА ехр (- ф’) Подставив в последнее выражение

ехр (ip’) = cos Р’ — і — £ sin Р’; ехр (— £Р’) = cos Р’ — і sin Р’;

|/|. (‘-»1)2 + ^ . , («і-д. У + ^-^У

1/01 + ’ 1 («і + «а)4 + (*! — Н W

получим окончательный вид формулы:

д = Л1 СХР (ФІ) + А2 СХР (- ФІ) — L А3 C0S Р’ + Л1 Sin Р’ (1 29)

A* exp (tpj) — I — AT, exp (— (fj) -I — A~ cos P’ + Л+ sin [V где

-4? = 1(1 ± «О2 + fell [(«1 n2y + (fci + кг)2];

■4? = [(1 4; /її)2 4~ &J] [(/її — n2)2 -4 (k — &з)2];

Af = 2 [(1 — n — k) (ni — nl + k’l — k) ± {Пік-l — /i2fci) ki;

Af = 4 1(1 — /г2 — fc2) {nfk., — //o/C]) + Л: (її2 — nl — к{ — А:,)].

Поскольку формулы (1.28) и (1.29) выведены из одних н тех же исходных предпосылок, то очевидно, что они тождественны.

Необходимо отметить также, что конечный вид формулы (1.29), приводимый на с. 276—277 в работе [31], содержит опечатки (в коэффициенте Af).

При расчете коэффициента отражения по выведенным формулам использовались оптические константы алюминия, серебра и меди из работы [41]. В качестве материала для антипросветляющего слоя интерференционной толщины был выбран MgF2, толщ ина которого 1Я была оптимизирована по формуле (1.24) и составила, например, при отражающем слое из алюминия 0,38 мкм. Среди всех применяемых в настоящее время стабильных диэлектрических пленочных материалов наименьший показатель преломления име­ет MgF2 (nwgFj = 1,38). Был также проведен расчет коэффициента отражения с антипросветляющими диэлектрическими пленками SiO (nSi0 = 1,9) и ZnS («zns 2,3), который показал, что уве­личение отражения для этих пленок меньше, чем для системы с аптипросветляющей пленкой MgF2.

В качестве антипросветляющего слоя пеиптерферепционной толщины использовался полимерный клей на основе прозрачного кремнийорганического каучука с показателем преломления 1,5. Дисперсия показателя преломления полимерного слоя в спек­тральной области 1,1—3,0 мкм не учитывалась.

Результаты расчета коэффициента отражения оптических си­стем трех типов с различными теплоотражающнми металличес­кими покрытиями па тыльной поверхности помещены в табл. 1.5,

А1

Ag

Си

А1

Ag

Си

из которой видно существенное возрастание /? в области 1,2 — 3,0 мкм для систем с аптппросветляющими слоями.

Важно отметить два обстоятельства: 1) технологически удоб­ная приклейка стекла с отражающим слоем с помощью полимер­ного клея позволяет получить к тому же увеличение отражения по сравнению с отражением системы кремний—металл; 2) слой серебра с оптимизированным антипросветляющим слоем MgF2 обеспечивает высокий коэффициент отражения (99,3%) нефото — активного для кремния излучения с X = 1,2 мкм.

Расчет был подтвержден экспериментом, результаты которого будут приведены в главе 4.

1.5.

Нанесение сплошных металлических слоев на тыльную сторону фотоэлемента всегда таит в себе опасность выхода из строя («зако­рачивания») элемента при попадании металла на торцы прибора в месте выхода р — и-перехода на поверхность даже в том случае, если на тыльной стороне фотоэлемента есть антипросветляющий диэлектрический слой. Поэтому было бы значительно проще и на­дежнее создавать отражающий слой путем приклейки к тыльной стороне прибора (между токосъемными контактами) стеклянной пластины с предварительно нанесенным на нее испарением в ваку­уме слоем высокоотражающего металла (например, алюминий, серебро, медь). В этом случае между отражающим слоем и крем­ниевой пластиной будет находиться слой прозрачного полимерного клея иеинтерференционной толщины (20—30 мкм) для области спектра 1,1—3,0 мкм. Несмотря на несовпадение толщины слоя клея с оптимальными значениями толщины, полученными для диэлектрической пленки, благодаря сравнительно малому значению показателя преломления слой клея должен оказывать антипро­светляющее действие. Это было подтверждено расчетным путем и экспериментально.

Наличие на тыльной поверхности стекла, имеющего интеграль­ный коэффициент теплового излучения Єст = 0,86-^0,9 (в отличие, например, от еді = 0,04), обеспечивает также дополнительное охлаждение фотоэлемента путем отвода тепла излучением.

Все сказапное для описанных выше систем относится и к этому случаю. Методика вывода формулы для коэффициента отражения аналогична:

R = Г0Г*, где

= /о + гг ехр(—2іф)

0 1 + /оГіЄхр(— 2іф) ■

Тогда

» = і — і* = і_____________ (1 — 1/п 1а)(1 — |rt|2)________

1 ° 1 1 + І /о I2 I Г1 Iа + 2 І /о I I Г11 соз (<Pj — arg Г!)

где

/о = і — ; фі = ?Wsi4jt/X;

"о — Г ”Si

I г 12 = л___________ (1-|/|1а)(1-|г,1«)____________ .

1 11 1 + I/iI2I»2|2-|-2|/i| |г2 | cos (Ра — arg г2) ’

Входящие в эти выражения величины имеют тот же смысл, как в формуле (1.23), за исключением того, что здесь пд — показа­тель преломления полимерного клея и 1д — его геометрическая толщина. После усреднения R (1.25) по фг получаем

п = і_ (і-і/рЖі-К і2)

1-1/оРЫ2

В свою очередь, J J2 необходимо усреднить по р2. Такое после­довательное усреднение непротиворечиво, так как ф! и f$2 незави­симы.

Подставляя | |2 из уравнения (1.26) в (1.22), имеем

Д = 1- (1-|/оР)(1-|/г|,)(і -|г, l2) t (1.27)

«2 + ь2 СОЗ р2 — г (2 sin р2 ‘ ’

где

«2 = (1 — I /о I2) (1-І Л Iі | Р) + I /1 Р (1 — I h Р) (1 — |>2 Р);

ь2 = 21 /t І І г21 (1 — I /,, I2) cos (arg Г2);

c2 = 2|/j I I r21 (1 — I/op) si a (arg r2).

После усреднения (1.27) по [32 получаем для рассматриваемой системы

R = 1 — (1 — | /о Р) (1 — | /і Р) (1 — | г212)/{[(1 — | /о | | Л |)* —

— |г2р (|/о| —|Л |)2) [(l-i-1/ol hf-

-ы2т + п)2])^