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

>., мкм	71	Jt |	X, мкм	п	к
0,4	1,0	1,6	0,8	2,2	0,6
0,5	1,3	0,8	0,9	2,1	0,9
0,6	2,2	0,2	1,0	2,0	1,4
0,7	2,3	0,4

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.