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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пі2Пд=П22По (3.1)

и

ПіП2—ПоПз, (3.2)

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

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

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

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

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

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

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

Выполнены эксперименты по изготовлению двухслойных покры­

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

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

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