Вследствие относительно большого показателя преломления крем­ния рабочая поверхность кремниевых фотоэлементов отражает большую часть падающего излучения во всем интервале спектраль­ной чувствительности (0,4—1,1 мкм).

Эффективным способом уменьшения потерь на отражение мо­жет служить нанесение просветляющих покрытий [33, 34]. Выбор оптимального просветляющего покрытия для кремниевых фото­элементов осложняется несколькими обстоятельствами: несов­падением положения максимума спектрального распределения энергии излучения источника света и максимума спектральной чувствительности фотоэлемента; дисперсией показателя прелом­ления кремния; небольшими размерами и неровностями рабочей поверхности, что не позволяет использовать некоторые из методов нанесения просветляющих покрытий; зависимостью формы кривой спектральной чувствительности фотоэлемента от глубины залега­ния р—л-перехода и параметров исходного материала.

Для получения на поверхности кремниевых фотоэлементов эффективных просветляющих покрытий и определения оптических характеристик оптимального просветляющего покрытия была при­менена специальная методика расчета плотности тока короткого замыкания /к з просветленных фотоэлементов при работе на вне­атмосферном Солнце [33], позволившая с большой точностью определить параметры оптимального просветляющего покрытия, приводящие к наибольшему приросту /к. з за счет просветления. Результаты расчета полностью подтверждены экспериментальными данными.

Выбор метода нанесения просветляющего покрытия

Были исследованы различные методы нанесения просветляющих покрытий. Простой и удобный метод получения пленок гидро­лизом эфиров ортокремниевой и ортотитановой кислот оказался недостаточно эффективным из-за небольших размеров просвет­ляемой поверхности (несмотря на тенденцию увеличения со­временных фотоэлементов до 2, 4, 6, 12 см2, широко используются мелкие фотоэлементы с площадью рабочей поверхности 0,8; 1,2; 1,6 см2), причем равномерность покрытия ухудшается также из-за прямоугольной формы фотоэлементов и неровностей поверх­ности кремния ввиду наличия на ней токосъемных контактов. Метод образования просветляющего покрытия травлением по­верхности кремния позволяет получить пленку лишь одного определенного состава — Si02 (ngio2 = 1,44). К тому же при химическом травлении трудно точно контролировать толщину получаемого покрытия, так же как при методе просветления кремниевых фотоэлементов окислением кремния при высокой температуре [50], когда просветляющее покрытие должно быть нанесено до создания электрических контактов.

Был выбран способ нанесения просветляющих покрытий тер­мическим испарением в вакууме, который дает возможность ис­следовать большое число покрытий с разными показателями преломления, хотя некоторые покрытия не удается получить достаточно прозрачными в области 0,4—1,1 мкм из-за частичного разложения испаряемого вещества в процессе нанесения. К их числу, например, относится ТЮ2, обладающая весьма подходящим для просветления кремния показателем преломления птю2 = 2,2. Перед напылением производилась тщательная очистка поверхно­сти фотоэлемента в плавиковой кислоте, деионизованной воде и изопропиловом спирте.

Методом испарения в вакууме на поверхности кремния были получены просветляющие покрытия из веществ: фтористый магний MgF2 (nMgI, = 1,38), двуокись олова Sn02 (nsno2 = 1,7), моноокись кремния SiO («sio = 1,9), окисленная моноокись крем­ния SiOJ.(«Siox = 1,7), двуокись кремния Si02 (я3ю2 = 1,44), дву­окись церия Се02 (псе02 = 2,2), сернистый цинк ZnS (nzns = 2,3) (значения п приводятся для Я = 0,8 мкм).

Для оценки поглощения в полученных пленках одновременно с осаждением на кремниевую поверхность наносились покрытия на контрольные стеклянные пластины. У пленок ZnS, Се02 при оптической толщине d = 0,15 мкм поглощение отсутствует во всем интервале 0,4—1,1 мкм, а у пленок Sn02 и SiO достигает 2—3%, причем только в области 0,4—0,5 мкм. Такая величина поглощения практически не влияет на эффективность просветле­ния кремния.

Таким образом, при просветлении фотоэлементов можно при менять обычную технологию термического испарения в вакууме [32—34, 51], не прибегая к более сложным методам [28, 29, 46]

Выбор параметров оптимального покрытия

Расчет параметров покрытия сводится к нахождению оптической толщины d и показателя преломления просветляющей пленки п2, определяемого для непрозрачных подложек соотношением

(Пі — ГС„)2 _ К — ‘hf -1- fc2

(/lj — J — Л0)2 ("2 + nl)2 + ’

тде п0 = 1, пи п2 — показатели преломления воздуха, просвет­ляющей пленки и подложки (кремния) соответственно; к = = аХ/4я и а — показатель и коэффициент поглощения кремния. Из (2.2) следует

Используя значения п2 и а из работ [30, 52], легко показать, что для выбора пг при % > 0,5 мкм можно с достаточной точностью пользоваться формулой для просветления прозрачных диэлектри­ков:

Однако окончательный расчет пг можно провести лишь после определения d просветляющего покрытия (или, что равнозначно, Ятіп, поскольку d = Я. щіп/4), так как вследствие дисперсии п2 оп­тимальный показатель преломления п1 просветляющего покрытия зависит от выбора точки минимального отражения. Выбор d ослож­няется, в свою очередь, несовпадением максимума спектрального распределения энергии солнечного излучения (0,5—0,6 мкм) и максимума спектральной чувствительности фотоэлемента (0,8 — 0,85 мкм). Очевидно, что Ятт должна лежать в области от 0,5 до 0,85 мкм, но точное значение ^min невозможно определить без специального расчета или эксперимента.

Были намечены два метода выбора d. Первый состоял из выпол­нения в указанной последовательности следующих операций.

1. Экспериментально определяли спектральный коэффициент отражения и абсолютную спектральную чувствительность непро­светленного фотоэлемента (с полированной приемной поверхно­стью).

2. Выбирали просветляющее покрытие с хорошо известным показателем преломления в интервале 0,4—1,1 мкм.

3. С помощью известных соотношений рассчитывали спектраль­ный коэффициент отражения фотоэлемента, просветленного выб­ранным покрытием с разной оптической толщиной d. Значения d для расчета выбирали таким образом, чтобы Я. шіп принимала не­сколько промежуточных значений в интервале 0,5—0,85 мкм.

4. По экспериментальным значениям спектральной чувстви­тельности непросветленного фотоэлемента расчетом получали спектральную чувствительность фотоэлемента после просветления пленками определенного состава, но разной оптической толщины, учитывая для каждого значения К изменение коэффициента отра­жения в результате просветления.

5. Кривые абсолютной спектральной чувствительности пере­считывали на спектральное распределение энергии источника све­та (перемножением ординат кривых, соответствующих одной и той же длине волны) и получали семейство кривых, представля­ющих собой спектральное распределение /к.3 фотоэлемента до и после просветления при освещении данным источником света.

6. Подсчет площадей, ограничиваемых кривыми спектраль­ного распределения /к.3, позволил получить интегральное значе­ние плотности тока короткого замыкания (при работе с данным источником света) для непросветленного и просветленного (плен­ками разной оптической толщины) фотоэлементов.

7. Сравнение полученных таким образом значений /к з позво­лило сделать выбор между пленками разной толщины, т. е. опре­делить попт и с£опт просветляющего покрытия, приводящего к наи­большему увеличению КПД, поскольку уже найдено оптимальное значение Я.,піп.

Второй метод отличался от первого тем, что экспериментально определяли спектральную чувствительность не только непро­светленного фотоэлемента, но и просветленного (после каждого последовательного нанесения и снятия с одного и того же фото­элемента пленок одинакового состава, но разной оптической тол­щины). Пункты 5, 6, 7 в обоих методах совпадали.

Данная методика расчета (как по первому, так и по второму способу) позволяет выбрать оптимальное покрытие фотоэлемента при работе его под любым источником света. Был проведен расчет для случая внеатмосферного Солнца (Р = 1360 Вт/м2), спектраль­ное распределение энергии излучения которого взято из работы [53].

Возможен также третий метод — измерение под имитатором солнечного излучения. Результаты, получаемые с помощью ими­татора, следует признать менее точными, чем те, к которым приво­дят первые два способа, так как спектральное распределение энер­гии излучения имитатора несколько отличается от солнечного, но относительное сравнение эффективности различных пленок этот способ позволяет провести (применялся имитатор солнечного из­лучения на основе вольфрамовой лампы, спектральное излучение которой было исправлено фильтрами [54]).

Для расчетной и экспериментальной оценок была выбрана пленка моноокиси кремния SiO по следующим соображениям:

1) показатель преломления пленки близок к значению nil в интервале 0,5—0,85 мкм; 2) при экспериментальном получении пленки SiO наблюдалась хорошая воспроизводимость результатов, что дало возможность провести практическую проверку результа­тов расчета с необходимой точностью.