Хотя однослойные просветляющие покрытия значительно увели­чивают КПД фотоэлементов и просты в изготовлении, они облада­ют одним серьезным недостатком. Для полупроводников с больши­ми показателями преломления (типа кремния) с помощью одно­слойных покрытий можно получить почти нулевое отражение на определенной длине волны, однако оно весьма быстро возрастает при изменении длины волны. Получить низкое отражение во всей области спектральной чувствительности фотоэлементов и тем са­мым максимально увеличить их КПД можно только с помощью многослойных просветляющих покрытий, что было показано рас­четным путем в главе 1. Ниже будут приведены результаты экспе­риментов по созданию таких покрытий на поверхности кремние­вых фотоэлементов.

К оптическим характеристикам многослойных просветляющих покрытий для полупроводниковых фотоэлементов предъявляются два основных требования: абсолютная прозрачность в области спектральной чувствительности фотоэлементов (0,4—1,1 мкм для приборов из кремния) и максимально возможное снижение отра­жения от поверхности полупроводника втом же интервале спектра.

Следует отметить, однако, что многослойные покрытия с очень большим числом слоев сложны при серийном изготовлении и очень чувствительны к тяжелым условиям эксплуатации (большие све­товые потоки, ультрафиолетовое излучение, облучение корпуску­лярными частицами, термоциклирование, влажность и т. д.).

Было получено двухслойное просветляющее покрытие из пле­нок двуокиси церия Се02 п двуокиси кремния Si02 (каждая из пленок имела оптическую толщину 0,15 мкм), которое снижает отражение от поверхности кремний—воздух до 0,5—1,5% в об­ласти спектра 0,5—1,0 мкм, т. е. почти во всей области спект­ральной чувствительности кремниевых фотоэлементов 0,4—1,1мкм. Могут быть использованы также пленки сернистого цинка ZnS и фтористого магния MgF2. Показатели преломления контактирую­щих слоев почти удовлетворяют в этом случае соотношению для

1,4,7 — до просветления; 2 — Се02 или ZnS; 3 — Се02 + Si02 или ZnS — f — McF,; .5 — ТЮа + Cc02 t Zr02 + прозрачный клей — f стекло; 6— Ti02 + Ce02 + Zr02 + SiO + + AJjOa — f прозрачный клей + стекло; a, 9 — ZnS — f-Si2Oa-l — прозрачный клей + стекло

двухслойных покрытий из пленок равной оптической толщины [28]: пхп2 = п0п3, (2.3)

где «! — показатель преломления верхней просветляющей плен­ки; п2 — показатель преломления нижней просветляющей плен­ки; «о — показатель преломления среды (воздух); пэ — показа­тель преломления полупроводника.

Расчет по методике, изложенной в работе [28], показывает, что кривая отражения в этом случае имеет два минимума, близ­ких к нулю, максимум коэффициента отражения между которыми не превышает 3—4%. Экспериментальные данные (кривая 3 рис. 2.6) подтверждают расчет. На этом же рисунке представлена зависимость коэффициента спектрального отражения кремния пос­ле нанесения однослойного просветляющего покрытия (кривая 2).

Как показали результаты измерений параметров кремниевых фотоэлементов, нанесение двухслойных покрытий ZnS + MgF2 или Се02 + Si02 приводит к возрастанию тока короткого замы­кания и КПД на 50—55% от их значений до просветления.

При контакте полупроводника не с воздухом, а со слоем с п =- = 1,5 просветляющие покрытия для получения двух точек нулевого отражения на спектральной кривой должны иметь, как показыва­ет расчет по формуле (2.3), например, такие показатели преломле­ния: п = 2,6; п = 2,3. Однако коэффициент отражения в макси­муме будет в этом случае достигать 10—11% на границе полупро­водник—оптический клей, а отражение от всей системы полу-

проводник — просветляющие покрытия—клей—стекло будет

-составлять 14—15%. Нанесение просветляющих покрытий из пленок ТЮ2 (нтю2 = 2,75) п СеО»(псео2 = 2,2) подтвердило ре­зультаты расчета.

Значительно более равномерный характер (см. кривые 8, 9 на рис. 2.6) имеют спектральные зависимости коэффициента от­ражения, полученные после нанесения на кремний двухслойных покрытий из пленок Се02 и А12Оэ (нано, ~ 1)7) или ZnS (nZns = = 2,3) HSi203 («shOi = 1,7), поверх которых была приклеена крем — нийоргапическим каучуком стеклянная защитная пластина тол­щиной 150 мкм. Как видно из сравнения с однослойным просвет­ляющим покрытием под стеклом (см. рис. 1.4, а, б), отражение уменьшается в случае двухслойного покрытия в более широком интервале спектра. При сравнении кривых 8 — 9 рис. 2,6 по ме­тоду, изложенному в 1.2, следует учесть, что в суммарный коэф­фициент отражения входит отражение от внешней поверхности защитной стеклянной пластины, составляющее 4% во всем интер­вале измерения. Эта величина может быть уменьшена после просвет­ления пленкой MgF2. Результаты расчета и эксперимента с двух­слойными просветляющими покрытиями под защитным стеклом на кремнии были впервые опубликованы в работе [58] и затем практически повторены для кремния, покрытого фторэтиленпро — пиленовой пленкой марки FEP (п = 1,34), в работе [59].

Теоретические расчеты показали, что для снижения отражения от поверхности полупроводниковых кристаллов и приборов в очень широком спектральном интервале оптимальной является ступенчатая система интерференционных просветляющих пленок, когда показатель преломления слоев постепенно уменьшается от показателя преломления полупроводника (3,5—4,0) до показате­ля преломления воздуха (1,0) или внешнего защитного слоя стекла (1,5) [28, 60].

В настоящее время отсутствуют пленочные материалы, которые позволили бы создать многослойное покрытие, прозрачное в об­ласти спектра 0,4—1,1 мкм, каждый из слоев которого имел бы по­казатель преломления, отличающийся, например, на 0,1 от показа­теля преломления соседних слоев во всем интервале значений от

4,0 до 1,0 или 1,5. В настоящее время лишь для инфракрасной об­ласти (X > 1 мкм) показана возможность плавного изменения по­казателей преломления слоев [29]. В связи с этим для создания ступенчатой просветляющей системы в видимой и ближней инфра­красной областях необходимо использовать известные до сих пор прозрачные материалы, число которых довольно ограничено. Для нанесения пленок использовался метод испарения в высоком ва­кууме при давлении 1-Ю’7 мм рт. ст. несфокусированным элек­тронным лучом сравнительно большого диаметра (5—10 мм) [41, 46]. Этот метод расширяет возможности оптической пленочной тех-

нологии, так как ряд покрытий ис тугоплавких окислов, в частное^ ти А1203 (nAjt03 = 1,7), Се02 (нссОг = 2,2 — ч — 2,4), Zr02 (raZro2 = = 2,1), которые при применении испарителейизтугоплапких метал­лов являются частично поглощающими из-за разложения в про­цессе нагрева и реакции с материалом испарителя, при использо­вании электронного луча получаются прозрачными в области 0,4—1,1 мкм. Пленки ТЮ2, однако, и при нагреве порошка Ті02 электронным лучом оказались поглощающими, и для получения прозрачных слоев Ті02 с высоким показателем преломления (лтю* = = 2,7 — н 2,8) использовалось быстрое (со скоростью конденсации 30—40 А/с) испарение чистого титана электронным лучом с после­дующим окислением его на воздухе при 450° С в течение 2—3 ч до Ті03 [32]. Основные оптические характеристики просветляющих покрытий, полученных нами испарением электронным лучом в вакууме, представлены в табл. 2.3.

На рис. 2.6 (кривые 5 и 6) представлены спектральные зависи­мости коэффициента отражения поверхности кремниевого фото­элемента до и после нанесения пятислойных (ТЮ2 + Се02 + — г Zr02 + клей + стекло) или семислойных (ТЮ2 + Се02 + + Zr02 — f Si О + А120з+ клей + стекло) просветляющих покры­тий. Все интерференционные пленки в этих покрытиях имели оди­наковую оптическую толщину 0,15 мкм, у защитных прозрачных стекол I ~ 150 мкм.

Из кривых 5 и 6 рис. 2.0 видно, что многослойные просветляю­щие покрытия обеспечивают весьма широкую область низкого отражения, особенно если учесть, что в измеренное значение спектрального отражения входит отражение от непросветленной поверхности защитного стекла, равное 4% в исследованной об­ласти спектра. Однослойные и многослойные покрытия находят применение не только для фотоэлементов из различных полупро­водниковых материалов, но и для полупроводниковых излучателей и фотосопротнвлений с широкой спектральной областью излу­чения и чувствительности, а также полупроводниковых детекто­ров ядерного излучения, которые одновременно обладают фотс- чувствительностью, особенно в ультрафиолетовой области спектра.