Создание покрытий, излучательная способность которых увели­чивалась бы с возрастанием температуры, имеет большое значение для успешной работы электронных систем и энергоустановок в условиях радиационного теплообмена, поскольку это позволило бы стабилизировать равновесную температуру поверхности при изменениях освещенности и тепловыделения внутри преобразова­теля, гелиоустановки или космического аппарата. Такие покрытия могут быть созданы на основе полупроводниковых кристаллов и слоев, концентрация носителей тока в которых, п, следовательно, их электропроводность сильно зависят от температуры [19]. Изме­нение электропроводности приводит, как известно, к изменению излучательной способности. Преимуществом оптических покрытий на основе полупроводниковых кристаллов и слоев является также обратимый характер зависимости излучательной способности от температуры при полном сохранении химического состава, струк­туры и стабильности покрытий.

Каких изменений оптических свойств полупроводниковых кристаллов следует ожидать при изменении температуры? Прежде всего это изменение ширины запрещенной зоны Ея и, следова­тельно, спектрального положения края основной полосы погло­щения. Например, у германия и кремния при повышении темпе­ратуры Eg уменьшается и, следовательно, край основной полосы поглощения смещается в длинноволновую область. В области

X — 2 — г — 40ыкм такие полупроводники при концентрации свобод­ных носителей 1015—1010 см-3 практически не поглощают: про­пускают почти 50% излучения, а остальные 50% отражаются из — за высокого показателя преломления этих материалов (п — 3 -4- 4). Возрастание концентрации свободных носителей, происходящее, например, вследствие легирования донорными или акцепторными примесями, приводит к резкому уменьшению пропускания и росту коэффициента отражения в инфракрасной области. К такому же изменению оптических своііств полупроводников должно приво­дить и увеличение температуры, поскольку концентрация свобод­ных носителей в полупроводниках при этом экспоненциально возрастает. В инфракрасной области спектра имеются также узкие области поглощения, связанные с внутризонными переходами сво­бодных носителей, примесным поглощением, колебаниями решет­ки, поглощением экситонами [48, 188].

Возрастание концентрации носителей с увеличением темпера­туры может быть использовано для создания оптического покры­тия, если исходный полупроводниковый кристалл сравнительно слабо легирован її имеет небольшую ширину запрещенной зоны.

Если оптическое покрытие состоит из полированных пластин германия (Ев = 0,72 эВ, концентрация свободных носителей 1015—1016 см’3), на темновую поверхность которых напылен отра­жающий слой алюминия, то при комнатной температуре благодаря полной прозрачности таких пластин германия в инфракрасной области спектра (1,8—40 мкм) оптическое покрытие будет обеспе­чивать очень низкие значения интегрального коэффициента излу­чения (0,1—0,2). Увеличение температуры приведет к появлению
в германии большого числа избыточных свободных носителей за­ряда (за счет термической ионизации и малой ширины запрещен­ной зоны) и увеличению поглощения в инфракрасной области спек­тра. Высокий коэффициент отражения, обеспечиваемый тыльным слоем алюминия, начнет уменьшаться, а б будет резко возрастать до 200—300° С. Если аналогичное изменение г необходимо полу­чить в температурном интервале от —100 до 20° С, то в качестве полупроводникового материала в таком покрытии следует выбрать

РИС. 4.8. Температурные зависимо­сти коэффицнеита излучения систем 1 — А1 4- Ge n-типа (эксперимент);

2-А 1 -,L Ge p-типа (эксперимент);

3 — просветленный сильнолсгнрованный

InSb;

4 — BaTiO,;

5 — Ті02 материал с Ее = 0,4 ч — 0,18эВ (например, PbS или InSb), который будет прозрачен при температуре ниже нуля, а при комнатной температуре начнет полностью поглощать инфракрасное излучение — Результаты эксперимента и расчета, приведенные на рис. 4.8 и в табл. 4.3, подтверждают высказанное предположение. Опти­ческое покрытие на основе германия было получено эксперимен­тально, а ого оптические характеристики и температурном интер­вале 20—300° С были изморены на инфракрасном спектрофото­метре, снабженном специально сконструированным термостатом [189], а затем пересчитаны на коэффициент излучения по методике, предложенной в работе [41]. Температурная зависимость спек­трального коэффициента излучения покрытия на основе PbS, нанесенного на непрозрачную пленку алюминия, была получена расчетным путем, исходя из данных по температурной зависимо­сти оптических констант PbS и алюминия [121, 190]. Расчет спек­тральных оптических характеристик был проведен для однослой­ной оптической системы, поглощающая пленка неиптерферен- ционпой толщины па полубесконочной поглощающей подложке. Коэффициент отражения определялся суммированием интенсив­ности лучей с учетом многократного отражения в слое полупро­водника:

(-Гі? г2е-™1
1 _ гіГяе-2а1

лупроводник—металл;

а = 4л fexA, — коэффициент поглощения в полупроводнике; I — толщина слоя полупроводника; кх, к2 — показатели погло­щения полупроводника и металла; п0, пи щ — показатели пре­ломления воздуха, полупроводника и металла.

Поглощение рассматриваемой системы определяется соотно­шением

где г1; г2, а зависят от длины волны падающего излучения.

Как видно из сравнения полученных данных, уменьшение спектрального и интегрального коэффициентов излучения с пони­жением температуры у покрытий из узкозонных полупроводников (см. табл. 4.3) не столь резкое, как у покрытий на основе герма­ния (см. рис. 4.8). Учитывая, что изменение коэффициента излу­чения при низкой температуре имеет большое практическое значе­ние, была поставлена задача разработать для этой температурной области покрытие, основанное не на эффекте зависимости погло­щения инфракрасного излучения от температуры, а использующее температурный сдвиг спектральної”! области излучения в соответ­ствии с законом Вина. Покрытие такого типа должно иметь резко отличные оптические свойства в соседних спектральных интерва­лах: например, для % 15 мкм — низкое отражение, для к ^>

15 мкм — высокое, причем спектральная зависимость коэф­фициента отражения при изменении температуры не должна изме­няться. При уменьшении температуры, как известно, происходит смещение области максимума излучения в длинноволновую часть спектра, где поверхность обладает высоким отражением и, следо­вательно, низким излучением, что обеспечит уменьшение инте­грального коэффициента излучения. В случае повышения темпе­ратуры происходит увеличение интегральной излучательной спо­собности. Необходимыми для этого покрытия свойствами обладают такие материалы, как ВаТі03, ТЮ2, а также пластины сильно — легированных полупроводников, в которых область перехода от низкого отражения к высокому может регулироваться концентра­цией свободных носителей, определяющейся степенью легирования.

Для этой цели подходят, например, пластины из монокристал — лического InSb, легированные цинком до 1-Ю19 см-3, для которых характерен высокий (доходящий до 90%) коэффициент отражения

при X 14 мкм и низкий (порядка 20—30%) при X 14 мкм [48, 121]. Характер кривой отражения остается неизменным при низкой температуре, поскольку электропроводность сильнолеги — рованного InSb постоянна в широком температурном диапазоне [48, 121, 124]. Отражение при X <[ 14 мкм, определяющееся пока­зателем преломления слоя полупроводника, может быть легко уменьшено (до R 5%) с помощью многослойных интерферен­ционных просветляющих покрытий [18, 28]. Для такого покры­тия (R ^ 5% при X 14 мкм и около 90% при X 14 мкм) было рассчитано температурное изменение є пересчетом спектраль­ной кривой отражения с помощью метода деформированной шкалы X [41]. Полученные зависимости представлены на рис. 4.8 (кри­вые 3, 4, 5).

Применение теплоизлучающих покрытий с переменным є особенно эффективным должно оказаться для предохранения преобразователей солнечной энергии, работающих в условиях радиационного теплообмена, от переохлаждения при уменьшении потока солнечного излучения, а также от перегрева при увеличе­нии тепловыделения внутри космического аппарата или при при­ближении к Солнцу. По уравнениям теплового баланса [191] был проведен расчет при охлаждении плоских панелей солнечных батарей, темповая поверхность которых в одном случае имеет теп­лоизлучающее покрытие с постоянным є = 0,9, а в другом — теп­лоизлучающее покрытие с переменным є: при 200° С є = 0,9, а при —150° С уменьшается до 0,15 (см. рис. 4.8). Расчет показал, что после пребывания панелей в тени более 10 мин разность их температур уже составляет 10—12° С. Таким образом, использо­вание разработанного покрытия с переменным є резко замедляет темп охлаждения солнечной батареи. Следует, однако, отметить, что при охлаждении солнечных батарей не в случае свободного излучения (режим астрокоррекции аппаратов), а в тени Земли, при попадании на темновую поверхность солнечных батарей теп­лового излучения Земли, использование таких покрытий может лишь увеличить, а не уменьшить скорость охлаждения. Причиной этого является уменьшение поглощения покрытием теплового излучения Земли при охлаждении из-за уменьшения интеграль­ного коэффициента собственного теплового излучения темновой поверхности панелей солнечных батарей.

Разработанные покрытия могут быть полезными для умень­шения охлаждения не только солнечных батарей, но и термоэлек­трогенераторов, благодаря чему эти преобразователи солнечной энергии будут сохранять необходимый перепад температуры между горячими и холодными спаями и по-прежнему вырабатывать элек­троэнергию даже при заходе в тень Земли или при уменьшении количества падающей солнечной энергии во время изменения ориентации космического аппарата.

Эффективность полупроводниковых покрытий для защиты от перегрева аппаратов, направляющихся в сторону Солнца, была оценена расчетным путем. Возрастание интегрального коэффи­циента излучения с повышением температуры позволяет аппарату сферической формы при увеличении потока внеатмосферного сол­нечного излучения в 16 раз поддерживать на поверхности на 120° С меньшую равновесную температуру, чем в том случае, когда є остается постоянным при изменении температуры.

Таким образом, проведенные исследования показывают, чго селективные покрытия с интегральным коэффициентом излуче­ния, зависящим от температуры, эффективны для стабилизации теплового режима поверхности космических аппаратов или пре­образователей солнечной энергии как в условиях повышения кон­центрации солнечного излучения, так и в случае уменьшения его интенсивности.