Спектральную селективность свойств можно получить в многослойной структуре, содержащей поглощающий и отражающий слои, если нанести на непрозрачный металл, обладающий высокой отражательной способностью в ИК-области, толстую пленку полупроводника с шириной запрещенной зоны примерно от 0,5 эВ (2,5 мкм) до 1,26 эВ (1 мкм), которая будет поглощающей относительно солнечного излучения и прозрачной относительно инфракрасного. К таким материалам относятся Si (1,1 эВ), Ge (0,7 эВ) и PbS (0,4 эВ). Полупроводниковые материалы характеризуются высоким значением показателя преломления п, обеспечивающего высокую отражательную способность на границе раздела воздух - полупроводник; так, например, нормальная отражательная способность PbS (п = 4,1) в вакууме составляет около 40%. Коэффициент отражения можно уменьшить, если правильно подобрать толщину пленки, так чтобы вернуть в материал полупроводника за счет интерференции отраженное излучение с длиной волны, соответствующей максимуму солнечного спектра. Кроме того, коэффициент отражения можно уменьшить, если подобрать тонкую пленку с высокой пористостью или нанести на нее просветляющее покрытие. В работе [270] описан метод получения пористого покрытия путем испарения в газовой среде. Процесс проводится в газовой атмосфере при давлении (13 - 130 Н/м2), достаточном, чтобы осажденный материал пленки кристаллизовался из паровой фазы в виде мельчайших частиц (100 — 500 А ). В следующем разделе кратко рассмотрим методы получения и оптические свойства селективных поверхностей из Si , Ge и PbS.
Кремний и германий
При изготовлении пленок кремния и германия была использована [271] установка для электронно-лучевого испарения, предназначенная для испарения в вакууме с помощью электронного пучка с предварительной ионной очисткой поверхности [ 272 ]. Эта установка позволяла поддерживать в вакуумной камере давление аргона до 2,7 кН/м2, а в электронной пушке давление порядка 0,01 Н/м2. Хорошая адгезия кремниевых и германиевых пленок к поверхности металла достигалась при нанесении их с предварительной очисткой поверхности подложек. Пленки наносили методом испарения как в вакууме, так и в газовой среде. Скорость осаждения составляла около 1000 мин при испарении кремния и германия в вакууме и 300 А/мин при испарении в газовой среде. На рис. 5.5.1 показаны спектральные отражательные способности пленок германия различной толщины, нанесенных методом испарения в вакууме и в газовой среде на подложку из стекла с подслоем молибдена толщиной 0,1 мкм. При изучении дифракции рентгеновских лучей установлена аморфная структура кремниевых и германиевых пленок.
Рис. 5.5.1. Спектральные отражательные способности пленок германия различной толщины, нанесенных на стеклянную подложку с подслоем молибдена толщиной 1000 А методом испарения в вакууме и в газовой среде [271].
1 — испарение в вакууме , толщина пленки 500 А; 2 - испарение в газовой среде, толщина пленки 5000 А; 3 - испарение в газовой среде, толщина пленки 10 000 А.
У пленок, полученных при испарении в газовой среде, и очень тонких пленок, изготовленных испарением в вакууме, наблюдается сдвиг полосы поглощения в сторону более коротких длин волн по сравнению с положением этой полосы у толстых пленок. При изменении толщины пленки германия от 0,5 мкм до 1 мкм ее поглощательная способность относительно солнечного излучения возрастает от 0,56 до 0,61, если пленка получена испарением в вакууме, и от 0,91 до 0,98 при испарении в газовой среде. Подобное увеличение поглощательной способности в области солнечного спектра наблюдалось и у кремниевых пленок.
Недавно методом химического осаждения из паровой фазы была изготовлена многослойная структура, содержащая поглощающий и отражающий слои [273, 274]. Полная оптическая система состоит из трех основных элементов: отражающего, поглощающего и просветляющего слоев. Все три слоя наносят на подложку из нержавеющей стали. Для предотвращения диффузии между подложкой и отражающей пленкой из серебра на подложке из нержавеющей стали был сформирован окисный слой; для этого подложку либо нагревали на воздухе в течение 5 мин при температуре 500°С, либо на нее наносили методом реактивного осаждения окисел хрома, либо окисляли хром, полученный испарением. Изолирующий окисный слой способен выдержать напряжения, возникающие в многослойной системе вследствие различия коэффициентов теплового расширения при термоциклировании до 500°С. Слой серебра, создаваемый методом испарения, был выбран из-за его низкой степени черноты. Показано [275], что в пленках серебра образуются агломераты при температуре около 300°С или выше, однако нанесение на них покрытий из окисла хрома вполне обеспечивает их стабильность при нагреве до температур выше 800°С в атмосфере гелия. Кроме того, слой хрома препятствует диффузии между слоем серебра и поглощающим слоем кремния. Поглощающий слой кремния наносят методом пиролиза силана в атмосфере гелия при температуре 640°С. Просветляющее покрытие создавалось на слое кремния методом химического осаждения из паровой фазы. Однослойное просветляющее покрытие Si3n4 (толщиной 700 X) осаждали из смеси силан - аммиак при температуре 825°С. При нанесении просветляющего покрытия на поглощающий слой кремния его отражающая способность относительно солнечного излучения увеличилась от 0,40 до 0,75. Многослойное покрытие в целом изображено на рис. 5.5.2. Создание таких структур методом химического осаждения из паровой фазы описано в работе [276].
Рис. 5.5.2. Многослойная структура, содержащая поглощающий и отражающий слои [83].
1 — подложка из нержавеющей стали; 2 - изолирующий слой Сr2О3; 3 — металлическая пленка Ag; 4 — изолирующий слой Сr2О3; 5 - массивный поглощающий слой Si; 6 - просветляющий слой Si3N4.
Pиc. 5.5.3. Спектральные отражательные способности многослойного покрытия с поглощающим слоем из кремния при температурах 20 и 500°С [ 276]
Показатель спектральной селективности, т.е. отношение поглощательной способности в области солнечного спектра к степени черноты, равен 15 при комнатной температуре и 12 при 500°С. После выдержки в вакууме при температуре 650°С в течение 20 ч или после 200 циклов термообработки при 500°С ухудшения характеристик не наблюдалось. При испытаниях на ресурс покрытия не отслаивались, не наблюдались и другие механические повреждения.
Таблица 5.5.1. Результаты расчетов оптических характеристик многослойных структур различной толщины, содержащих поглощающий и отражающий слои [277]
Недавно опубликованы [277] результаты расчетов спектральной отражательной способности и показателя селективности поглощающих поверхностей. Были выбраны оптимальные значения параметров и изучена их зависимость от толщины покрытия. Слой кремния превращает фотоны солнечного излучения в тепло при их поглощении. Следовательно, с ростом толщины слоя кремния увеличивается доля поглощенных фотонов. Однако при слишком толстом кремниевом слое увеличивается тепловое излучение покрытия в ИК-области. Отражательная способность системы была рассчитана для поглощающего слоя кремния толщиной d = 2, 5, 10 и 15 мкм в сочетании с различными просветляющими слоями. Результаты представлены в табл. 5.5.1 [277] для покрытий с различными толщинами слоя кремния и тремя просветляющими слоями. Было установлено, что с ростом толщины слоя кремния его поглощательная способность увеличивалась. При больших толщинах покрытий край полосы поглощения смещается в направлении более длинных волн (рис. 5.5.4). Степень черноты не возрастает с увеличением толщины до 10 мкм, а при дальнейшем росте толщины падает.
В работе [ 277] предложено улучшать свойства покрытия путем нанесения тонкого слоя германия на поглощающий слой кремния. Германий поглощает в ИК-области, что в свою очередь приводит к увеличению его поглощательной способности относительно солнечного излучения. Результаты расчета оптических характеристик слоев кремния различной толщины (2, 5 и 10 мкм) с нанесенными поверх них слоями германия толщиной 0,5 мкм представлены в табл. 5.5.1. На рис. 5.5.5 показана спектральная отражательная способность слоя кремния толщиной 2 мкм с нанесенным поверх него слоем германия толщиной 0,5 мкм и просветляющим слоем. Из табл. 5.5.1 видно, что нанесение слоя германия толщиной 0,5 мкм улучшает как поглощательную способность относительно солнечного излучения, так и показатель селективности покрытия. Самые лучшие результаты были получены для многослойного покрытия, состоящего из сформированной на отражающем слое из серебра двухслойной поглощающей системы, включающей слой германия толщиной 0,5 мкм, осажденный на слой кремния толщиной 2,0 мкм, на которую нанесено многослойное просветляющее покрытие, показатель преломления слоев которого монотонно изменяется от 2,79 до 1,43.
