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

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

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

_ /j-і + г, exp (— 2іФр Гі~г ~ ї + fj^j exp (— 2іФр	(3.3)
g}-! ехр(-гфр ;_1 І + fj-Sj exp (— 2їФ;) *	(3.4)
ще
Л-і — №— N,)/#і-і + N 3)	(3.5)
ж
8э~г — ^{Nj-i + iVj)	(3.6)

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

(3.7)

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

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

. /о + ГХ ехр (—14rniihlk) т

0 1 + fori exp (— i4rmJtlk) ’

X ____ Щ — Щ # f _____ Щ — Kg ~f“ .

Щ + Пі ’ 1 *

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

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

где

[ і [2 _ (no-nQV. (Щ-ъУ + и*

‘J’ («0 + «і)2 ’ ‘Л’ (щ + n2)2 + Л* ’

2щк2 -»5-Ч *

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

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

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

является соотношение

Annilil‘k=axgfl+2nm (т=0, 1, 2,…).

При тп=0 получаем

иіА=‘/*Я arg /і/я, (3.41)

согласно уравнению (3.9)

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

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

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

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

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента отражения структуры просветляющее покрытие—просветляемый металл от показателя поглощения металла при раз­личных значениях показателя преломления пленки (n4) и металла (п2) I, ґ, I" —712=0,5; 2, 22" —712=1,5; 3, 3′, 3” — щ=2$ 1—3 _ ті,=1,45; і’—3’— п,=2,3; 1"—3" — 71,=2,8

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

J, 3 — d=350 А; 2 — <2=485 А

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

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

к2= ((п2—п0) (п2—ПоП2)1по)ъ. (3.13)

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

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

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

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

5 М. М. Колтун

Таблица 3.1 Эффект просветления металлических слоев прозрачной диэлектрической пленкой сульфида цинка Металл R, % iZqS, нм ^П1П’ % ^2Х, т1П dZaS ^тш’ мкм Опыт Расчет Ag 0,480 95,0 38,0 79,5 0,30 4,71 Я/5,49 Я/5,62 А1 0,650 84,5 48,5 46,0 1,08 4,85 *,/5,83 Я/5,50 т 0,625 38,5 35,0 1,0 1,54 1,89 А,/7,76 *,/7,62

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

Пі= (По(п2-гк221 (п2—п0)))

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

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

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

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

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

в_ (*»-!)» + *;

(«2+1)2Ч-^

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

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

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

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

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