Принципиальная возможность создания таких солнечных элементов обеспечивается прозрачностью любого чистого высокоомного полупро­водникового материала за краем основной полосы поглощения (см. рис. 1.1). Однако если базовый слой солнечных элементов выпол­няется из сравнительно чистого материала с малым содержанием легирующих примесей, то верхний слой для уменьшения сопротив­ления растекания тока носителей заряда, разделенных р-п-перехо­дом, легируется практически до концентрации, соответствующей пределу растворимости донорной или акцепторной примеси в данном полупроводниковом материале. Естественно, что такой высоколеги­рованный слой будет сильно поглощать и отражать длинноволновое излучение (см. рис. 1.2 и 1.3).

Низкое значение времени жизни и диффузионной длины неос­новных носителей заряда в легированном слое приводит к необхо­димости-уменынени я толщины этого слоя до значений в диапазоне

0,15—0,5 мкм (см. гл. 1). Поглощение инфракрасной области сол­нечного излучения (Я от 1,1 до 2,5 мкм) элементом с легированным слоем такой толщины не превышает 1—3% [23, 111]. Таким обра­зом, тенденция к уменьшению глубины залегания р—п-перехода, характерная для современных солнечных элементов, позволила устранить одно из главных препятствий на пути создания элемен­та, прозрачного в длинноволновой области спектра.

Два других препятствия — поглощение излучения в сплошном тыльном контакте и высокое отражение от тыльной поверхности элемента — были преодолены путем замены сплошного тыльного контакта на сетчатый и нанесения просветляющего покрытия с оп­тической толщиной 0,3—0,4 мкм [23, 109]. Расчет показал, что при сетчатом тыльном контакте определенной конфигурации можно со­хранить последовательное сопротивление и коэффициент заполнения нагрузочной вольт-амперной характеристики прозрачного кремние­вого солнечного элемента практически на уровне элемента обычной конструкции со сплошным тыльным контактом [110, 111]. Подобные же результаты были получены для солнечных элементов из арсе­нида галлия [23, 108].

Прозрачные солнечные элементы из кремния и арсенида галлия были использованы для создания первых реальных моделей каскад­ных солнечных элементов [108]. Равновесная рабочая температура у прозрачных солнечных элементов из кремния в космосе значи­тельно ниже, чем у обычных [23], вследствие того что интеграль­ный коэффициент поглощения солнечной радиации составляет, как показали данные прямых измерений этой величины в космических условиях, не 0,92—0,93 (значения, характерные для элемента обыч­ной конструкции со сплошным тыльным контактом из плохоотра- жающего металла), а 0,72—0,73 [110].

Солнечные элементы с тыльным сетчатым контактом, прозрачные в инфракрасной области спектра начиная от длины волны 1,1 мкм, были получены в СССР из кремния и арсенида галлия [23, 108—111] и на основе тонкопленочных структур Cu2S—CdS во Франции [138]. Как показали расчеты для геостационарной орбиты [138], у таких солнечных элементов в космосе температура должна понизиться на 10° С, а выходная мощность возрасти на 8—9%.

Нефотоактивное длинноволновое инфракрасное излучение может быть не только пропущено сквозь прозрачный солнечный элемент, но и отражено от его тыльной поверхности к источнику излучения. Для этого на тыльную поверхность прозрачных солнечных элемен­тов, свободную от токосъемного омического контакта, должен быть нанесен слой высокоотражающего металла, например алюминия, меди, серебра.

Отражающий слой может быть получен испарением в глубоком вакууме обычной трехслойной структуры титан—палладий —серебро непосредственно на поверхность кремния, свободную от контактных полос, или создан одновременно с алюминиевым контактом. Однако

2.4. СЭ. прозрачные в длинноволновой области спекіра

необходимое для получения хорошего омического контакта впекание алюминия при высоких температурах приводит к уменьшению коэф­фициента отражения таким слоем инфракрасного излучения.

Спектральный коэффициент отражения нескольких изученных в работе [139] высокоэффективных солнечных элементов с тыльным контактом из алюминия представлен на рис. 2.10. Два элемента (1 и 2) имели полированные тыльную и внешнюю поверхности, а элемент 3 — неотражающую черную внешнюю поверхность, полу­ченную селективным травлением с образованием часто расположен­ных пирамндообразных выступов. На поверхность всех трех эле­ментов было нанесено различной толщины просветляющее покрытие из нятиокиси тантала. Отражающий омический контакт из впечен­ного алюминия позволяет увеличить отражение от солнечных эле­ментов в длинноволновой области за краем основной полосы погло­щения при X от 1,1 до 2,5 мкм лишь до 40%.

При тыльном контакте из трехслойной композиции титан—пал­ладий—серебро отражение в этой области составляет не более 20—30% [139], но может быть несколько увеличено путем умень­шения толщины пленки титана [140]. Солнечные элементы с чер­ной неотражающей поверхностью практически полностью поглоща­ют не только излучение от 0,4 до 1,1 мкм (область спектральной чувствительности элементов), но и инфракрасное излучение за краем основной полосы поглощения. На их основе прозрачные элементы не могут быть созданы [23].

Значительно выгоднее использовать для увеличения отражения в нефотоактивной области спектра слой высокоотражающего метал­ла, нанесенный на поверхность кремния между полосами сетчатого контакта на тыльной стороне. В этом случае можно ограничиться сравнительно небольшим (до температуры 150—200° С) подогревом поверхности кремния для увеличения адгезии слоев и сохранить отражение в инфракрасной области от границы кремний—металл на достаточно высоком уровне [109]. Спектральный коэффициент отра­жения внешней полированной поверхности кремниевых солнечных элементов с трехслойным покрытием (просветляющая пленка из сернистого цинка + клеющий слой кремнийорганического каучука + + радиационно-защитная стеклопленка [23]) и различными отра­жающими слоями (из меди, алюминия, серебра, никеля, титана) на тыльной поверхности элементов, свободной от контактных полос* несмотря на наличие селективных полос поглощения излучения кремнийорганическим каучуком, в области спектра от 1,1 до 1,5 мкм достигает 75—95% (рис. 2.11).

К столь же высоким значениям коэффициента отражения при­водит решение аналогичной задачи другим простым и технологичным способом: приклейкой кремнийорганическим каучуком (к тыльной поверхности прозрачных солнечных элементов) стеклопленок с пред­варительно нанесенным на их поверхность слоем алюминия или се­ребра [141]. При этом к внешней поверхности элементов или груп-

1, 2 — полированная; 3 — черная неотражающая, полученная селективным травлением

1 — никель и титан, 2 — алюминий; 3 — медь; 4 — серебро

а, б — с просветляющим и

отражающим покрытием на тыльной поверхности соответственно, в — вид модуля сверху,

1 — токосъемные контакты и межэлементные соединения;

2 — прозрачный кремнийорганический каучук,

3 — радиационно-защитная стеклопленка;

4 — сетка из алюминиевых или серебряных отражающих полос над верхними токосъемными контактами и соединениями,

5 — отражающее покрытие на тыльной стеклопленке,

6 — просветляющее покрытие,

7 — солнечные элементы,

А — солнечное излучение,

Б — инфракрасное излучение

солнечного спектра с А,>1,1 мкм или с А,>0,9 мкм в случае солнечных элементов из кремния или арсенида галлия соответственно

иы — модуля из таких элементов — может быть приклеено стекла с нанесенной на его поверхность (обращенную к элементу) сеткой из отражающего металла в местах, расположенных над токосъем­ными контактами к самим солнечным элементам или над электри­ческими соединениями между ними. Изменяя ширину полос отра­жающей сетки, можно регулировать температуру таких элементов при увеличении или уменьшении потока солнечного излучения. Кон­струкция модуля с параллельно соединенными кремниевыми сол­нечными элементами, прозрачными в области инфракрасного сол­нечного излучения, с защитными стеклами на обеих сторонах и сеткой из отражающих металлических слоев на внутренней поверх­ности схематически показана на рис. 2.12. Солнечные батареи из — модулей подобной конструкции обладают в космосе более низкой равновесной рабочей температурой (на 25—35° С) и повышенной термостойкостью, что было экспериментально подтверждено в ходе — длительной эксплуатации в космических условиях на борту совет­ских межпланетных автоматических станций «Венера-9» и «Вене­ра-10» [142].

Следует отметить, что оптические характеристики прозрачных Солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов с отражающими слоями на тыльной стороне весьма близки к опти­ческим характеристикам дихроических светоделительных зеркал [143], что делает весьма перспективным применение таких солнеч­ных элементов для создания высокоэффективных фотоэлектрических систем со спектральным разделением солнечного излучения и после­дующим преобразованием его в электроэнергию элементами с раз­личной спектральной чувствительностью. Прозрачные солнечные эле­менты могут при этом выполнять одновременно две функции: ак­тивно преобразующего элемента системы и светоделительнога зеркала.