Для солнечных элементов, используемых в фототермических уста­новках или коллекторах, были разработаны на основе полупрозрач­ных металлических4 пленок и диэлектрических слоев интерферен — ционой толщины покрытия двух типов [306].

Селективные покрытия первого типа, предназначенные для сол­нечных элементов, работающих в условиях концентрированного солнечного излучения [304], наносятся на лицевую поверхность обычных солнечных злементові со сплошным тыльным контактом. Помимо того, что эти покрытия обеспечивают необходимые оптиче­ские свойства в широком спектральном диапазоне, их применение позволяет решить проблему снижения последовательного сопротив­ления солнечных элементов, что является обязательным условием для эффективного преобразования солнечной энергии в электриче­скую при повышенной интенсивности излучения.

Селективные покрытия второго типа, разработанные для сол­нечных элементов, прозрачных в инфракрасной области спектра [23, 110, 111], наносятся на их тыльную поверхность и позволяют повысить поглощательную способность ас (повышая полезное тепло­вое использование солнечного излучения за краем основной полосы поглощения полупроводника) и одновременно уменьшить собствен­ное тепловое излучение. При однократной солнечной освещенности наиболее высокие электрические характеристики имеют солнечные элементы с покрытиями именно этого типа.

Экспериментальные исследования по созданию многослойных се­лективных покрытий основывались на результатах расчетной опти­мизации (см. ЗЛ и работы [23, 111, 304]).

Для получения селективных покрытий первого типа применя­лись солнечные элементы с глубиной залегания р—тг-перехода ^0,8 мкм, легированный слой которых создавался методом термо­диффузии через пористую окисную пленку и имел ступенчатое рас­пределение примесей [121, 122, 125]. Покрытия наносили методом термического испарения в вакууме при давлении порядка 10“3 Па. Чтобы предохранить солнечные элементы от закорачивания в процес­се напыления металла, их края и торцы защищались маской. Со­здание таких покрытий потребовало проведения довольно большого объема экспериментальных исследований, поскольку, помимо полу­чения необходимых оптических характеристик, следовало обеспечить омический контакт покрытия с поверхностью солнечного элемента и низкое слоевое сопротивление тонкого металлического слоя, яв­ляющегося составной частью элемента.

Изучавшиеся структуры схематически изображены на рис. 3.7". Первоначально пленка серебра толщиной 1^70 А создавалась непо­средственно на поверхности солнечного элемента и на эту пленку^ наносился просветляющий слой сульфида цинка толщиной /^500 А (см. рис. 3.7,а). При напылении в вакуумной камере устанавлива­лась стеклянная пластина, и толщина металлической пленки кон­тролировалась по степени прозрачности системы пленка серебра — стекло при Я=0,65 мкм. Пленка серебра толщиной /^70 А на стек­лянной подложке имела коэффициент пропускания 60%, что близко к данным, опубликованным в работе [293, 294]. Слоевое со­противление пленки, измеренное четырехзондовым методом, состав­ляло приблизительно 5 Ом/О» Последовательное сопротивление сол­нечных элементов с таким покрытием, определявшееся по методу,, предложенному в статье [71], уменьшалось, однако было не нижф 0,5 Ом-см2.

Последовательное сопротивление кремниевых солнечных элемен­тов менее 0,5 Ом-см2 удалось получить при нанесении более толстой (I—90 А) пленки серебра (что соответствует коэффициенту пропус­кания системы пленка серебра—стекло 40% [293, 294] и слое­

вому сопротивлению пленки рсл—2 Ом/D), а также путем предвари­тельного напыления на поверхность солнечного элемента тонкого (коэффициент пропускания на стекле Г^90%) подслоя хрома или титана (см. рис. 3.7, б, в). Потребовалось подобрать соответствую­щий режим термообработки в вакууме (200—220° С; 0,5 ч). Этот режим использовался и в дальнейшем при создании покрытий дан­ного типа.

Солнечные элементы, структура которых показана на рис. 3.7, а, зт отличаются тем, что у последнего на поверхность кремния предва­рительно нанесен слой сульфида цинка толщиной Z^500 А. Кроме солнечных элементов, в качестве подложек при напылении исполь­зовались легированные кремниевые диски без контактов, служившие контрольными образцами для измерения коэффициентов отражения.

Спектральные зависимости коэффициента отражения оптических

Рис. 3.7. Структура предназначенных для фототермических установок и кол­лекторов селективных солнечных элементов

1 — ZnS—Ag—ZnS; 2 — ZnS—Ag

Рис 3.9. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремниевых пластин с отражающим тыльным слоем непрозрачного серебра и селективными покрытиями

1, 2 — MgF2—ZnS—Si—ZnS—Ni—ZnS (J — psi=i Om-cm; 2 — pgi =25 Ом-см);

3 — ZnS—Si (p =i Ом cm) селективных покрытий на основе структур сульфид цинка—серебро — сульфид цинка—кремний и сульфид цинка—серебро—кремний, у ко­торых слой серебра имел одинаковую толщину (коэффициент про­пускания на стекле составлял примерно 40%), приведены на рис. 3.8. По ходу кривых в инфракрасной области спектра можно судить об электрических свойствах серебряной пленки. Высокий коэффициент отражения от поверхности покрытия сульфид цинка—серебро—суль­

фид цинка свидетельствует о том, что пленка серебра, напыленная на слой сульфида цинка, по электропроводности существенно пре­восходит пленку серебра, нанесенную непосредственно на поверх­ность кремния. Действительно, измерения показали, что для струк­туры сульфид цинка—серебро—сульфид цинка—кремний є=0,1, а для структуры сульфид цинка—серебро—кремний 8=0,6. Различная электропроводность пленок объясняется более совершенной струк­турой пленок серебра в системе сульфид цинка—серебро—сульфид цинка—кремний. Аналогичное явление было отмечено при нанесе­нии однослойных пленок серебра и структур серебро—сульфид цин­ка на поверхность стекла [307, 308]. Пленка серебра, полученная испарением в вакууме на поверхность кремния или стекла без под­слоя сульфида цинка, имеет трещины и разрывы.

При создании структуры сульфид цинка—серебро—сульфид цин- ка-^кремний вследствие регулярной пористости слоя сульфида цин­ка, нанесенного непосредственно на поверхность кремния, осущест­вляется контакт пленки серебра с кремнием, что подтверждается низкими значениями последовательного сопротивления (0,2—0,5 Ом — — см2) солнечных элементов этой структуры.

Таким образом, селективные покрытия сульфид цинка—серебро — сульфид цинка, наносимые на лицевую поверхность кремниевых солнечных элементов, обеспечивают 8—0,1 и прирост тока короткого замыкания порядка 15% (за счет частичного просветления поверх — рости кремния в спектральной области чувствительности элементов). Наличие пленки серебра приводит к довольно быстрому возрастанию коэффициента отражения структуры в ближней инфракрасной об­ласти и, следовательно, к недостаточно полному поглощению сол­нечного излучения, основная часть которого сосредоточена в области длин волн Л<4 мкм, в то время как некоторое поглощение света с превращением его в тепло в самой пленке серебра не является отрицательным эффектом в комбинированном фототермическом пре­образователе солнечной энергии.

Для изготовления экспериментальных образцов многослойных се­лективных покрытий второй группы, расположение слоев в которых показано на рис. 3.7, д, применялся кремний д-типа с удельным со­противлением psi—1 и 25 Ом-см, используемый для создания солнеч­ных элементов на основе p—i—n — и п+—п—д*-структур. Толщина полированных кремниевых пластин составляла 0,3 мм, остальные слои структуры имели толщину, близкую к оптимальной расчетной [23]. Покрытия осаждались методом вакуумного испарения, конт­роль толщины слоев осуществлялся с помощью предварительно от­градуированного кварцевого резонатора.

Спектральные зависимости коэффициента отражения полученных структур, у которых толщина слоя никеля составляла приблизитель­но 100 А, а в качестве высокоотражающего металла применялось серебро, изображены на рис. 3.9 (кривые 1 и 2). Для сравнения приведена спектральная характеристика структуры с однослойным

просветляющим покрытием из сульфида цинка и непрозрачным слоем серебра, нанесенным непосредственно на тыльную поверхность (кри­вая 3).

Предлагаемые покрытия (кривые І, 2} обеспечивают в условиях АМ2 и AM 1,5 интегральное значение коэффициента поглощения ас^0,90. Однако при использовании кремния с pSi=l Ом см (кри­вая 1) при Х>8 мкм наблюдается резкое снижение коэффициента отражения, в результате чегр е (при комнатной температуре) со­ставляет 0,34 Это снижение Д, как показали измерения в инфра­красной области спектральных зависимостей коэффициентов про­пускания и отражения полированных кремниевых пластин толщи­ной 0,3 мм (без каких-либо покрытий), вызвано увеличением по­глощательной способности кремния А=1—Д—Т.

Расчеты* выполненные И. П Гавриловой, позволили оценить, на­сколько снизится поглощательная способность при уменьшении тол­щины кремниевой пластины (при psi=l Ом*см), допустим, от 0,3 до 0,1 мм Для определения показателя поглощения к кремния в инфракрасной области использовалось известное значение его пока­зателя преломления п=3,42 [25, 27, 28] и какая-либо одна из еле — дующих формул для оптической системы воздух—кремний-воздух:

Д

или

гр__ (1 — г)2 ехр (— 4nkl/k)

1 — г2 ехр (— Snkl/X) 9

полученных суммированием интенсивностей (пластина кремния имеет неинтерференционную толщину Г) многократно отраженных лучей с учетом того, что в результате однократного прохождения слоя поглощающего материала толщиной I интенсивность излучения ослабляется в ехр(—ЫЫ/%) раз В соотношениях (314) и (315)

где |/о|2 и ІМ2-френелевские коэффициенты отражения на гра — ницах воздух—кремний и кремний—воздух. Значения R и Т были взяты по результатам измерений пластин кремния с Z—0,3 мм

Найденные значения к при Л=10, 20, 25 и 30 мкм составляют 0,0004; 0,0013; 0,0021 и 0,027 соответственно. Поглощательная спо­собность А=1— Д—Г, рассчитанная с использованием формул (3 14) и (3 15) для 1=0,1 мм, при Я=10, 20, 25 и 30 мкм снижается с 11,5; 23,5; 25,0 и 26,5% (экспериментальные данные для Z=0,3 мм) до 4,9, 7,6; 9,6 и 10,0% соответственно. Таким образом, при умень­шении толщины кремниевой пластины, на которую наносится се­лективное покрытие, можно ожидать значительного снижения е.

Более низкой поглощательной способностью в инфракрасной об —

ласти обладает высокоомный кремний [25, 32, 185]. При использо­вании кремниевых пластин p-типа толщиной 0,3 мм с pSl=25 Ом см получены оптические структуры, имеющие при комнатной темпера­туре є=0,16 Согласно оценочным расчетам при 100° С нормальная степень черноты этих структур є „=0,15, в то время как у струк­тур на основе кремния с pSi=1 Ом см она равна 0,3.

Проведенные исследования показали, что нанесением многослой­ных селективных покрытий на высокоэффективные солнечные эле­менты, прозрачные в инфракрасной области, можно повысить ас до 0,9 за счет поглощения солнечного излучения в более широком спектральном диапазоне и одновременно достичь значений є<0,16 благодаря высокой отражательной способности структуры в инфра­красной области. Выходные электрические характеристики солнеч­ных элементов при этом не снижаются по сравнению с исходными, в то время как высокие значения отношения ас/г обеспечивают зна­чительное увеличение тепловой составляющей КПД фототермиче- ской установки или коллектора.