Значительно более простым способом уменьшения ас является отражение излучения в области 1,1—3,0 мкм с помощью блестя­щего металлического контакта, наносимого термическим испаре­нием в вакууме на предварительно механически или химически полированную тыльную сторону фотоэлементов. Принципиальная возможность такого метода основана на высокой прозрачности чистых полупроводниковых материалов за краем основной полосы поглощения, в частности для кремния при к 1,1 мкм. Наличие в кремниевых фотоэлементах сильнолегированного диффузион­ного слоя приводит к уменьшению прозрачности в области к ^> ^>1,1 мкм вследствие сильного поглощения свободными носителя­ми заряда. Однако, как следует из главы 1, при уменьшении I силь­нолегированного диффузионного слоя прозрачность за краем основной полосы поглощения резко возрастает, приближаясь при I <[ 1 мкм к прозрачности нелегированного полупроводнико­вого кристалла [83, 84].

Разработанные особые технологические приемы, такие, как контролируемая короткая диффузия в потоке газа [66], внедрение легирующих примесей методом ионной бомбардировки с последую­щим отжигом [85], термодиффузия на воздухе через предваритель­но созданную на поверхности анодную окисную пленку [36], по­зволили создать фотоэлементы, обладающие повышенной чувстви­тельностью в области максимума энергии солнечного излучения и имеющие толщину диффузионного слоя I 0,5 мкм. Как показа­ли измерения, поглощение в таких слоях (несмотря на концентра­цию носителей 2-1020 см-3) в области спектра 1,1—3,0 мкм практи­чески отсутствует. Это означает, что при правильном выборе материала темнового металлического контакта при высококаче­ственной полировке темновой поверхности солнечное излучение в области 1,1—3,0 мкм может быть эффективно отражено от фото­элементов с топким диффузионным слоем (I < 0,5 мкм). Расчеты по формулам главы 1 показали, что на границе кремния с контак­том из алюминия, меди, золота и серебра при X = 1,2 мкм может быть получен коэффициент отражения соответственно 75, 94, 96 и 98%.

Экспериментальная проверка подтвердила, что предлагаемый метод позволяет резко увеличить коэффициент отражения в об­ласти 1,1—3,0 мкм при сохранении просветляющих свойств в области 0,4—1,1 мкм и сильного поглощения в области X 3 мкм (благодаря трехслойному или двухслойному покрытию на прием­ной поверхности фотоэлементов). При тыльном металлическом контакте из алюминия интегральный коэффициент поглощения фотоэлементом солнечной радиации уменьшается с 0,92 до 0,8, а при контакте из серебра — с 0,92 до 0,76 (при этом остается є = = 0,9). Введение между металлом и кремнием пленки MgF2 опти­мальной толщины позволяет даже в случае алюминиевого контакта получить ас = 0,78 [86].

Как показано в главе 1, для кремниевых фотоэлементов с тонким диффузионным слоем существует еще одна возможность уменьшения их радиационного перегрева — пропускание солнеч­ного излучения в области 1,1—3,0 мкм сквозь фотоэлемент. Оче­видно, что для этого сплошной металлический контакт на тыльной поверхности должен быть заменен топкими (занимающими менее 5—10% поверхности) полосками металла, а на освободившуюся полированную тыльную поверхность кремния нанесена просвет­ляющая пленка, оптическая толщина которой должна составлять 0,3—0,4 мкм, чтобы получить максимум прозрачности в области 1,2—2 мкм. Расчет и эксперимент показали, что замена сплошно­го контакта на сетчатый, занимающий 7—10% площади тыльной поверхности, не приводит к возрастанию 7?п фотоэлемента, вызы­вающему ухудшение его вольт-амперной характеристики, если величина ячейки этого сетчатого контакта не превышает 5 X 5 мм

Г,%

00

20 00 00 га

РИС. 2.22. Спектральные зависимости коэффициента пропускания фотоэле­ментов из Si {1,1) и GaAs (2,2′) с тонкими (I = 0,5 мкм) диффузионными слоя­ми

1, — —до просветления; і’, 2′ — после просветления пленкой SiO рабочей (d = = 0,15 мкм) и темповой (d = 0,3 мкм) поверхностей соответственно.

РИС. 2.23. Световые вольт-амперные характеристики фотоэлементов из Si (1, 2, 3) и GaAs (1‘, 2′, 3′) при различных тыльных контактах к базовой об­ласти

1,1’ — сплошной; 2,2’ — по периметру; 3,3′ — сетчатый (с ячейкой 5×5 мм) 187]. Поверх просветляющей пленки с обратной стороны фото­элементов может быть нанесено кремнийорганическое покрытие для увеличения коэффициента излучения до 0,92. Приводимые в работе [83] результаты измерения коэффициента пропускания пластин монокристаллического кремния с диффузионным слоем толщиной менее 0,5 мкм и двухслойными покрытиями на обеих поверхностях показали практическую возможность осуществле­ния (без ухудшения других оптических характеристик фотоэле­ментов) этого метода уменьшения ас и легли в основу дальнейших исследований.

Фотоэлементы из кремния и GaAs, прозрачные в инфракрасной области солнечного спектра, были получены экспериментально. Оптические и электрические характеристики фотоэлементов пло­щадью 2 см2 представлены на рис. 2.22 и 2.23. Следует отметить, что прозрачные в инфракрасной области кремниевые фотоэлементы в предельном случае могут пропустить сквозь себя 26% энергии внеатмосферного солнечного излучения (часть солнечного излуче­ния в интервале 1,1—2,5 мкм), а прозрачные в инфракрасной области фотоэлементы из GaAs даже 35% (часть солнечного излучения в интервале 0,9—2,5 мкм). Были получены также фотоэлементы из других полупроводниковых материалов, таких, как CdS и Ge, прозрачные в длинноволновой области за краем основной полосы

поглощения. На обе поверхности прозрачных фотоэлементов, предназначенных для работы в условиях воздействия радиации, наносятся трехслойные покрытия. После публикаций [70, 83] достоинства трехслойной системы покрытий были подтверждены в последующих работах, посвященных этой проблеме, например в [88].

Большое число научных публикаций последнего времени со­держит результаты исследований, целью которых является пере­ход от трехслойной системы покрытий к двухслойной, аналогич­ной описанной в работе [55] и получившей название интегрального покрытия. Эти покрытия дают возможность исключить клеящий слой, потемнение которого может оказаться значительным при многолетней эксплуатации солнечных батарей. Разработка инте­гральных покрытий к тому же, как ожидается, приведет к сниже­нию массы батарей и уменьшению числа ручных операций при их производстве. Двухслойное интегральное покрытие состоит из просветляющей пленки (например, из ТЮ3 и Та205) и защитного стеклянного слоя толщиной 50—70 мкм, наносимого, например, распылением стекол сложного состава в инертной атмосфере в тече­ние сотен часов при приложении переменного напряжения [89] или испарением электронным лучом в высоком вакууме [90]. Последний способ предпочтительнее, поскольку его продолжи­тельность для создания слоя толщиной порядка 50 мкм составля­ет 40—50 мин, однако состав покрытия не соответствует составу исходного стекла из-за различной летучести и отличия в коэффи­циентах аккомодации на подложке у окислов, входящих в состав многокомпонентного радиационно-стойкого стекла. Интересен способ приварки стекла под действием приложенного электриче­ского поля Г91]. Следует отметить, что проблема уменьшения массы покрытий может быть решена также уменьшением толщины стекла в трехслойном покрытии до 70—80 мкм, а приклейка стекла легко может быть автоматизирована.