Разработка селективных интерференционных покрытий, обладаю­щих оптимальными оптическими коэффициентами, высокой стой­костью и стабильностью оптических коэффициентов в условиях

эксплуатации, была начата с исследования оптических свойств коллекторных поверхностей и материалов покрытий.

Отражение от коллектора в области солнечного излучения сни­жается с помощью интерференционных покрытий тем эффективнее, чем ниже исходное значение коэффициента отражения материала коллектора (до нанесения на него селективного покрытия). Сле­довательно, для коллекторных пластин необходимы металлы, ха­рактеризующиеся максимальным значением ас и наименьшим ко­эффициентом е (табл. 3.4).

Коэффициент ас измерялся при комнатной температуре на фото­метре ФМ-59, воспроизводившем спектр внеатмосферного Солн­ца в интервале 0,25—2,5 мкм, є — при 25—30° С на терморадио­метре ФМ-63 (область спектра 4—40 мкм) и более детально при по­вышенной температуре по методикам, описанным в 3.6 (41, 145-147].

Как видно из табл. 3.4, никель и титан обладают наибольшими значениями ас и, к сожалению, сравнительно высоким значением е. Никель и титан — металлы с низкой электропроводностью, кон­центрация свободных электронов у них мала по сравнению с та­кими металлами, как алюминий, медь, серебро. Это и является причиной пониженного значения показателя поглощения в инфра­красной области спектра, следовательно, и пониженного отра­жения в той же области спектра, что и обусловливает высокое зна­чение є. Значительное же поглощение в видимой и ультрафиоле­товой областях солнечного спектра вызвано в основном явлением внутреннего фотоэффекта.

Металлы с хорошей электропроводностью и низким значением є имеют недостаточно высокий коэффициент ас, что также следует из данных табл. 3.4. Очевидно, что наиболее удачный материал для коллекторной поверхности должен обладать в области солнеч­ного спектра оптическими свойствами никеля или титана, в инф­ракрасной области собственного теплового излучения — свойст­вами меди или алюминия.

Металлы с низкой электропроводностью (никель, олово, желе­зо, титан) и их сплавы [148] характеризуются высоким значением ас и сравнительно низким а (X) в инфракрасной области спектра. Используя эту селективность в оптических свойствах, можно най­ти такую толщину пленки каждого из металлов, которая обеспе­чивала бы характерное для этих металлов высокое значение ас и в то же время прозрачность в инфракрасной области спектра. Если такую пленку нанести на полированную поверхность хорошо проводящего металла, например меди, которая имеет низкое зна­чение е, то можно получить селективную систему, отвечающую двум необходимым требованиям для коллекторной поверхности: высокое значение ас и низкое є. Расчет по формулам главы 1 для поглощающей пленки на поглощающей подложке показал возмож­ность осуществления этой идеи.

Этот вывод был подтвержден и экспериментально. Удалось подобрать такую толщину пленок никеля и титана [149], получен­ных методом испарения в высоком вакууме на полированных мед­ных или алюминиевых подложках, которая позволила получить селективные поверхности со значением ас, близким к ас никеля или титана (см. табл. 3.4), н є, как у меди или алюминия. Для чис­той полированной поверхности высокоотражающего металла, например меди пли алюминия, с помощью однослойных просвет­ляющих покрытий из прозрачного диэлектрика невозможно сни­зить отражение до нуля при X = 0,5 — н 0,6 мкм. В этом легко убе-

диться, подставив оптические константы меди или алюминия в формулу (3.4).

Как уже указывалось, для некоторых металлов, например для родия, нулевое отражение можно получить лишь с помощью пле­нок с показателем преломления п1 = 6 [45]. Для алюминия, что­бы получить R = 0 при Я = 0,8 мкм, потребовалась бы пленка с Mj — 7. Таких пленок, как известно, в распоряжении технологов не имеется. Максимальный показатель преломления полученных до сих пор пленок, прозрачных в видимой части спектра, состав­ляет 2,2—2,75 (гстю2 = 2,75; wZng = 2,3; псео2 = 2,2 2,4).

Пленка с п1 = 2,3 и d = Я/4 снизит отражение при длине волны Я с 91 до 65%, с п1 = 2,8 — до 55% [45].

Поскольку в рассматриваемом случае оптические свойства по­верхности в области солнечного спектра определяются не медью или алюминием, а непрозрачным в этой области слоем никеля или титана, то возможности получения низкого отражения нанесением просветляющих покрытий резко возрастают. Так, расчет с исполь­зованием оптических констант никеля для Я = 0,589 мкм 1150] показывает, что прозрачная пленка с пх = 2,55 2,57 снизит

отражение от поверхности никеля до нуля и, следовательно, резко увеличит ас селективной поверхности.

При современном уровне пленочной технологии создание про­зрачных пленок с показателем преломления, близким к полученно­му расчетным путем, вполне реально. Оптическая толщина такой пленки должна составлять V4 (или даже V6 или 1/8) от Ят1п (см. 1.7). Энергетический максимум солнечного излучения соответст­вует Ятах = 0,6 мкм [151], и, следовательно, энергетически вы­годно снизить отражение именно в этом диапазоне спектра, тогда наибольшая оптическая толщина пленки d = Я/4 = 0,15 мкм. Если пг = 2,3 2,4, то I = din = 0,06 — 0,07 мкм. Пленка та­

кой толщины на металле будет резко менять оптические свойства поверхности в области солнечного спектра, но не должна влиять на величину є, поскольку спектр теплового излучения поверхно­сти при температуре 100—300°С лежит в области Я (2,5—30 мкм), значительно больших, чем толщина пленки. К тому же прозрачные в видимой части спектра просветляющие пленки обычно являются диэлектриками с малым коэффициентом поглощения в инфракрас­ной области спектра.

Необходимо отметить, что приведенный расчет следует считать приближенным, так как в нем использованы оптические константы массивного никеля для пленки толщиной 100—400 А. Точные оп­тические константы пленок никеля такой толщины в литературе отсутствуют. Измерение оптических констант пленок серебра, золота и платины [23] свидетельствует о том, что оптические кон­станты резко изменяются с уменьшением толщины пленок, причем, как правило, показатель преломления пленок по сравнению с мае-

Ml

сивным материалом растет (металлические пленки приобретают полупроводниковые оптические свойства). Для пленок никеля так­же характерна эта тенденция, и показатель преломления оптималь­ной просветляющей пленки, наносимой поверх пленки никеля, будет иметь, как следует из расчета (см. 1.7), значение менее 2,55. Это обстоятельство позволяет использовать для снижения отра — жения пленочные материалы со сравнительно невысоким показа- |/ телем преломления, например Si02 («sio, = 1,45), А1203 (пА1г0з = I = 1,65 — ч — 1,7), SiO (rcSi0 -■•= 1,8 — ч — 1,9), Zr02 (nZl.0l = 2,1).

Окончательный выбор просветляющей пленки в этом случае можно сделать после сравнения механических и эксплуатацион­ных характеристик.

Однослойное просветляющее покрытие позволяет уменьшить отражение до нуля в сравнительно узком спектральном интерва­ле. При Я, значительно меньших или больших 4d, эффективность снижения отражения с помощью однослойного покрытия значитель­но уменьшается [21], в то время как для коллекторов необходи­мо получить селективную поверхность с достаточно широкой об­ластью низкого отражения — от 0,2 мкм до пороговой длины вол­ны, составляющей 2,5—3,5 мкм при температуре коллекторной поверхности 100—200° С. Для расширения области низкого отра­жения можно использовать двухслойные просветляющие покрытия.

В результате анализа была выбрана следующая схема селек­тивного покрытия на коллекторной поверхности из меди, алюми­ния или их сплавов: пленка из металла низкой электропровод­ности (никель, титан) и однослойное или двухслойное просвет­ляющее покрытие.