Селективные поверхности солнечных установок - Сульфид свинца

Сульфид свинца с запрещенной зоной шириной 0,4 эВ (2,5 мкм) — еще один полупроводниковый материал, подходящий для создания двухслойной структуры из отражающего и поглощающего слоев [ 278, 279]. Высокую поглощательную способность в области солнечного спектра можно получить в более тонких, по сравнению с кремниевыми и германиевыми, пленках сульфида свинца. Возможность уменьшения толщины пленки связана с высоким значением коэффициента поглощения сульфида свинца, для которого характерны прямые переходы зона - зона, в отличие от германия и кремния, для которых характерны непрямые переходы. В работе [278] было показано теоретически, что высокую поглощательную способность относительно солнечного излучения и низкую степень черноты можно получить в негомогенных покрытиях из Рb S с высокой пористостью и, следовательно, низким показателем преломления. На рис. 5.5.6 представлены результаты расчетов по теории Гарнета влияния пористости покрытия из Рb S на его показатель преломления. Показатель преломления этого покрытия можно снизить до 1,8 и 1,2 при пористости 50 и 80% соответственно, если нарушения структуры поверхности малы по сравнению с длиной волны падающего излучения. Пленки PbS наносились [279] на подложку из Аl методом испарения в вакууме при обычных условиях (10-4 Н/м2). Без применения просветляющих слоев удалось получить поглощательную способность в области солнечного спектра, близкую к единице, и показатель селективности αs/εт=43 при комнатной температуре.

Рис. 5.5.6. Рассчитанная по теории Гарнета зависимость показателя преломления ηθ от пористости q в пористых пленках Рb5 [ 278].

λ, мкм
Рис. 5.5.7. Спектральные поглощательные способности относительно солнечного излучения покрытий из Рb S на подложке из А1 при толщине пленки PbS, полученной испарением в вакууме, 0,12 и 0,11 мкм [279 ].
-------------------------------- теоретические значения; —----------------------- экспериментальные данные; температура:  300 К;      573 К.

Спектральные поглощательные способности покрытий из PbS - Al при толщине пленки 0,11 и 0,12 мкм показаны на рис. 5.5.7. Там же для сравнения приведены результаты расчета для покрытия PbS - Al при толщине пленки PbS 1000 X. В этих расчетах принимались стандартные значения оптических констант.
Изучалось влияние толщины пленки PbS на оптические свойства системы PbS - металл [271, 280]. Пленки РЬS изготовляли методом испарения в вакууме при скорости осаждения 30 А/мин [271]. При более высоких скоростях осаждения получалось покрытие из PbS, похожее на сажу, которое обладало низкой адгезией.

Рис. 5.5.3. Спектральные отражательные способности пленок PbS различной толщины, полученных испарением в вакууме на подложках из стекла с подслоем молибдена [271].

Рис. 5.5.9. Экспериментальные и теоретические значения показателя селективности пленки α/ε при температуре 300°С в зависимости от толщины пленки PbS [280].
О- экспериментальные значения α/ε;------------- теоретические значения α/ε.

Влияние толщины пленки PbS на спектральную отражательную способность показано на рис. 5.5.8 [271]. С увеличением толщины пленки возрастает поглощательная способность относительно солнечного излучения и степень черноты. Рис. 5.5.9 дает представление об изменении показателя селективности пленки в зависимости от ее толщины [ 280]. На рисунке приведены как экспериментальные данные, так и результаты теоретического расчета. Степень селективности αs/εT = 30 наблюдалась при толщине пленки PbS, равной 0,05 мкм. Теоретические значения поглощательной способности и степени черноты были рассчитаны по методике, описанной в работе [281]. Отличие экспериментальных значений от теоретических объясняют различием в структуре поверхности и размерах зерен пленки РbS.
Недавно была разработана дешевая технология изготовления селективных поверхностей большой площади [282, 283]. По этой технологии покрытия из Al - PbS изготовляли методом пиролитического распыления. Селективные покрытия из РbS наносили распылением раствора на алюминиевые листы или листы оцинкованного железа, окрашенные алюминиевой краской, с помощью специального пульверизатора с двойным соплом. Окрашивание листов из алюминия и оцинкованного железа алюминиевой краской осуществляли методом пульверизации. Установка для распыления PbS описана в работе [283].
Распыляемая жидкость представляла собой смесь 0,1-молярных растворов ацетата свинца и тиомочевины в воде, взятых в различных отношениях. В зависимости от отношения растворов изготовленные покрытия обозначали как 1L1T, 1L2T и т. д., где 1L1T означает, что в смеси на одну часть раствора ацетата свинца приходится одна часть раствора тиомочевины той же концентрации. Раствор подавали в сопло пульверизатора и распыляли на подложки, температура которых стабилизировалась с помощью равномерно нагретой плиты. Расход жидкости контролировали расходомером и регулировали давлением воздуха. Распыляемую смесь наносили на горячую подложку в хорошо вентилируемой вытяжной камере. Для предотвращения охлаждения нагретой подложки после распыления каждой порции раствора был предусмотрен перерыв на 2 мин, во время которого подложку поворачивали на 90° по часовой стрелке, чтобы толщина покрытия была одинаковой по всей поверхности. При таком методе изготовления покрытий важными технологическими параметрами являются: 1) температура подложки, 2) концентрация и молярные отношения исходных растворов, 3) расстояние между соплом пульверизатора и нагретой подложкой. В настоящей работе были исследованы покрытия, изготовленные в воздушной атмосфере при скорости распыления 5 мл/мин и расстоянии между соплом пульверизатора и подложкой 45 см. В исследованиях все параметры поддерживались постоянными. Покрытия на каждом образце были одинаковыми по толщине и не имели пор, причем значения спектральной поглощательной способности покрытий одинаковой толщины в области как высокого, так и низкого поглощения отличались друг от друга менее чем на 0,01. Покрытия из PbS обладают стабильностью при комнатной температуре и хорошей адгезией. Значения поглощательной способности относительно солнечного излучения и степени черноты покрытий из РbS, нанесенных на А1 различными методами, представлены в табл. 5.5.2.

Высокой поглощательной способностью в области солнечного спектра при низкой степени черноты обладает только образец 1L3T, т. е. образец, в котором на одну часть ацетата свинца приходятся три части тиомочевины. Отсюда следует, что для полного превращения ацетата свинца в сульфид свинца количество тиомочевины должно быть больше стехиометрического из-за улетучивания непрореагировавшего H2S. Однако при очень большом относительном содержании тиомочевины скорость образования NH2CH может превзойти скорость его испарения с подложки, в результате чего нарушается кристаллическая структура пленки. Очевидно, что оптимальный состав раствора определяется температурой подложки и скоростью распыления раствора. Отражение на границе раздела воздух - PbS было снижено правильным подбором толщины пленки, при которой отраженное излучение с длиной волны, соответствующей максимуму солнечного спектра, за счет интерференции возвращается в материал полупроводника [278]. Дальнейшее уменьшение отражательной способности можно обеспечить путем использования просветляющих покрытий или пористой пленки. Покрытие из PbS состава 1L3T на подложке из листового алюминия, окрашенного алюминиевой краской, имеет следующие оптические характеристики: αs= 0,93 и εт = 0,21, а покрытие из PbS, нанесенное методом испарения в вакууме на алюминиевый лист с подслоем А1, полученным испарением, - такие характеристики: αs = 0,99 и εт = 0,1.