Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Многопереходные солнечные элементы или иначе – фотопреобразователи (ФП) на основе соединений AIIIBV, используемые в составе солнечной батареи (СБ) — первичного источника электропитания космических аппаратов, представляют собой сложные оптоэлектронные полупроводниковые устройства. Для минимизации оптических потерь мощности, возникающих в том числе за счет отражения от поверхности полупроводника до 30 % от падающего света спектра АМ0 [1], на его поверхности формируют тонкослойное керамическое антиотражающее (просветляющее) покрытие (АОП), являющееся также защитным, массивный металлический контакт создают не сплошным, а в виде гребенки [2].
Чтобы добиться наибольшего коэффициента преобразования солнечной энергии в ФП, необходимо подобрать материалы, оптимальные для АОП с точки зрения оптических свойств, технологичности, стойкости и др., а также определить толщины слоев и их количество. Сегодня, передовыми мировыми производителями (Spectrolab Inc. и др. США, Azur Space Solar Power Gmbh Германия, CESISpAИталия) разработаны и промышленно изготавливаются многопереходные ФП с такими комбинациями материалов АОП, как например Al2O3/TiOx, SiO2/Ta2O5 и некоторые другие. Анализ публикаций показывает, что этот вопрос не очень широко представлен в открытой печати, а также, что представлены данные по расчетам только для конструкций АОП/полупроводниковая структура [3], не учитывающие тот факт, что для эксплуатации в условиях комплексного воздействия факторов космического пространства ФП защищаются приклеиванием пластин из специального радиационно-стойкого стекла. Этот элемент, обладающий своими оптическими свойствами, также вносит вклад в оптические потери ФП и СБ (поэтому на его поверхности также зачастую формируют свой АОП), соответственно, выбор материалов АОП для ФП, определение оптимальных толщин слоев покрытия, должен быть скорректирован с учетом применения стекла с АОП и клеящего состава.
В данной работе представлены результаты расчета двухслойного АОП, реализованного посредством специального программного обеспечения OptiLayer [4] для наиболее распространенной структуры InGaP/InGaAs/Ge трехпереходного ФП на диапазон просветления 400...900 нм, соответствующий поглощению верхнего и среднего каскадов. Рассмотрены комбинаций материалов АОП Al2O3/TiOx и SiO2/Ta2O5, расчеты выполнены как для непокрытых ФП, так и с учетом наличия защитного покрытия (в данном случае стекло марки К-208 с просветляющим покрытием из MgF2) и слоя клея-компаунда, (в данном случае СИЭЛ 159-322).
Так как толщина слоя широкозонного окна верхнего каскада сопоставима с толщинами слоев АОП и спектральные коэффициенты отражения имеют большие величины по сравнению с выбранными оксидами, эпитаксиальные слои будут оказывать существенное влияние на результаты расчетов АОП. В расчетах использовались следующие характеристики трехкаскадной структуры: база и эмиттер верхнего каскада — слой состава In0,49Ga0,51P c толщиной ≥ 0,5 мкм и, над ним широкозонное окно верхнего каскада — слой состава In0,5Al0,5P с толщиной, варьируемой в пределах 25...35 нм. Расчеты велись для угла падения света 0о, т. е. вдоль нормали к плоскости ФП. Дисперсионные зависимости показателей преломления просветляющих материалов n(λ), использованные в расчетах, были взяты из [5] за исключением nTa2O5(λ) и nSiO2(λ), которые были определены экспериментально [6] (поскольку известно, что n(λ) пленок абсолютного большинства просветляющих материалов зависят от метода и условий их нанесения). Так для nTa2O5 = 1,97, nTiO2 = 2,389, nSiO2 = 1,46, nAl2O3 = 1,677 при λ = 632,8 нм.
Следует отметить, что в данной работе коэффициент преломления слоя клея-компаунда принят единственным значением 1,41 для всего спектра АМ0. Для получения более точных результатов необходимо определить набор значений коэффициента преломления компаунда для различных длин волн, что запланировано в дальнейшей экспериментальной работе.
В результате расчетов получены результаты, при анализе которых можно заключить, что наклейка стекла с просветлением на ФП ухудшает просветляющие свойства покрытия на основе оксидов SiO2/Ta2O5. Если среднее отражение до наклейки стекла на ФП был 2,4 %, то после наклейки становится 4,3 %. Следует отметить, что увеличение отражения от ФП на 2 % примерно равнозначно уменьшению тока короткого замыкания на 5...7 мА. Оптимизация толщин этой пары слоев (60 нм для Ta2O5 и 97 нм для SiO2) позволяет после наклейки стекла получить отражение в средним 3,1 %.
Покрытие, являвшееся оптимальным без учета защитного стекла SiO2/TiO2 (со среднем отражением всего 1,1 %), после наклейки стекла показывает среднее отражение 4,3 % и не поддается оптимизации.
Лучшие свойства после наклейки стекла с просветлением на ФП показало АОП на базе Al2O3 (72 нм)/TiO2 (36 нм), средний коэффициент отражения которого по диапазону просветления сохраняется на уровне 2,4 %, т. е. фактически отражение увеличилось на 0,1 % и оптимизированные под полную оптическую сборку толщины слоев близки к значениям до оптимизации Al2O3 (78 нм)/TiO2 (44 нм).
Показано, что отсутствие просветляющего покрытия MgF2 на стекле значительно увеличивает общее отражение системы: например для Al2O3/TiO2 средний коэффициент отражения увеличивается до 4,6 %.
