Фотоэлемент приёмника-преобразователя лазерного излучения

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ). Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения содержит полупроводниковые легированный и базовый слои р-типа и n-типа, фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитного оптического покрытия, на которое нормально падают лучи лазера с длиной волны λ₀, причем защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия, толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием, толщиной Η и с абсолютным показателем преломления n₁, причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)], а плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения, причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия должен отвечать определенному соотношению. Изобретение позволяет увеличить КПД и удельные значения фототока ФЭП, за счет увеличения доли поглощенного лучистого потока, что соответственно увеличивает общее количество фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых излучением, в единицу времени по обе стороны от p-n-перехода, а также за счет увеличения длины пути проходимого излучением в фотоактивной области фотоэлемента, что позволяет уменьшить его толщину и, таким образом, увеличить коэффициент собирания носителей тока и улучшить энергомассовые показатели приемника-преобразователя. 3 ил.

 

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ), действие которых основано на внутреннем фотоэффекте для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения (ЛИ) высокой плотности /1, с. 199/. Области применения такого преобразования - создание беспроводных систем дистанционного энергопитания для воздушных или космических объектов /2/.

Так, например, в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения (ЛИ). Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии. В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи концентрированного электромагнитного излучения (ЭМИ) /3/. При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.

Использование для передачи энергии монохроматического излучения лазера позволит поднять КПД приемников-преобразователей энергии, в сравнении с обычными солнечными батареями (СБ), где характерны спектральные потери энергии, что позволит снизить разогрев панелей фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Кроме того, использование ЛИ с высокой плотностью потока энергии позволяет снизить стоимость панелей в несколько раз и улучшить их массогабаритные показатели.

Известны конструкции ФЭП с p-n-переходом, где электронно-дырочный переход в ФЭ создается легированием пластинки монокристаллического полупроводникового материала определенного типа проводимости примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Причем, чтобы предотвратить воздействие факторов космического пространства на ФЭ и сохранить время жизни неосновных носителей полупроводника и основные свойства p-n-перехода полупроводника, лицевую сторону ФЭП защищают специальным оптическим покрытием, представляющим сложную многослойную структуру из прозрачных материалов /4/. Защитные покрытия позволяют увеличить стойкость ФЭ и отдельных компонент их конструкции от воздействия различных факторов космического пространства - ионизирующего излучения и электромагнитного излучения Солнца /4/. В частности, увеличить стойкость к ультрафиолетовому излучению Солнца и облучению ядерными частицами /5, с. 205/. Так, в /6/ приводится конструкция фотоэлектрического модуля, выполненного на основе кремниевых ФЭП солнечного излучения. Конструкция фотоэлектрического модуля включает нижнее защитное покрытие, на котором с помощью скрепляющей полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим просветляющим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие из оптически прозрачного стекла или полимерного материала, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала. В /7, с. 65/ приведена конструкция кремниевых ФЭП, выполненная в виде диодной структуры с p-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и просветляющим оптическим покрытием на лицевой (рабочей) стороне. Процесс изготовления ФЭП основан на диффузионном легировании полупроводника, с лицевой стороны фотоэлемента, фосфором /7, с. 127/, химическом осаждении никелевого контакта /7, с. 135/, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего просветляющего покрытия.

Однако приведенные выше преобразователи солнечного излучения с полупроводниковыми, в частности кремниевыми, ФЭП эффективно преобразуют в электричество только небольшую часть излучения солнечного спектра. Они не обеспечивают высокий КПД преобразования даже в условиях концентрированного солнечного излучения /1, с. 118/. Конструкции ФЭП солнечных батарей имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока через p-n-переход. Это связано с тем, что солнечный свет не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. Известно, что электромагнитный спектр солнечного света охватывает широкий диапазон длин волн с различной энергией, включая гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи, видимое и инфракрасное излучение, радиоволны, микроволны и др. Видимый спектр солнечного излучения - это лишь небольшой участок полного электромагнитного спектра, охватывающий длины волн от 380 до 760 нм /8/. Каждый полупроводниковый материал имеет свою химическую природу, и работа выхода электрона в каждом материале разная, т.е. для каждого материала фотоэлектрический эффект может наступать только при определенной частоте падающего света. Если энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны для данного материала, то фотоэффект не возникает, какой бы большой интенсивности ни был световой поток. В природе не существует материала, который смог бы одинаково эффективно преобразовывать весь диапазон спектра солнечного электромагнитного излучения в электрическую энергию. Данное обстоятельство осложняет также и подбор материалов для слоев оптического защитного покрытия используемого в конструкции солнечного фотоэлемента. Это вызвано тем, что можно подобрать, например, материал для просветляющего покрытия с коэффициентом отражения, равным нулю только для одной длины волны, для других длин волн коэффициент отражения будет отличен от нуля, что снижает эффективность преобразования солнечной энергии. А поскольку электрофизические характеристики неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптические свойства ФЭП зависят от длины волны падающего излучения, то очень сложно оптимально подобрать материалы и создать эффективный приемник-преобразователь на основе солнечной батареи, в отличие от ФЭП лазерного излучения с определенной длиной волны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения, приведенный в /9/. Фотоэлемент содержит полупроводниковые легированный и базовый слои p-типа и n-типа, выращенные на полупроводниковой подложке, полосковый фронтальный омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитное оптическое покрытие на лицевой стороне фотоэлемента. В предложенной конструкции ФЭ происходит огибание электромагнитными волнами контактных полосок, образующих дифракционную решетку, и проникновение лазерного излучения в область геометрической тени.

К недостаткам предложенного технического решения следует отнести усложнение конструкции ФЭ, обусловленное сложностью технологических процессов формирования контактных полосок, образующих дифракционную решетку на их основе, и, как следствие, - увеличение стоимости и удорожание генерируемого фотоэлектричества.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности преобразования энергии лазерного излучения в электроэнергию.

Поставленная задача достигается тем, что фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения, содержащий полупроводниковые легированный и базовый слои р-типа и n-типа, фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитного оптического покрытия, на которое нормально падают лучи лазера с длиной волны λ₀, причем защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия, толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием, толщиной Н и с абсолютным показателем преломления n₁, причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)], а плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения, причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия должен отвечать соотношению

где α₀ - угол полного внутреннего отражения луча лазера от боковой грани канавки;

L - максимальное отклонение луча лазера при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяемое из выражения

Повышение эффективности преобразования интенсивных потоков ЛИ в предлагаемой конструкции ФЭ с многослойным защитным оптическим покрытием основано на явлении полного внутреннего отражения лучей лазера на границе двух сред с разной оптической плотностью в соответствии с законами геометрической оптики /10, с. 562/. При падении лучей лазера на боковые грани канавок, выполненных в слое теплорегулирующего покрытия, происходит полное внутреннее отражение лучей на рабочую поверхность ФЭ между соседними контактными полосками. Это приводит к увеличению длины пути проходимого излучением в фотоэлементе и позволяет снизить потери на прохождение лазерного излучения в основной полосе поглощения. Увеличение доли поглощенного лучистого потока приводит к увеличению общего количества фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых лазерным излучением в единицу времени по обе стороны от p-n-перехода. Для фотоэлемента характерна возможность генерации носителей заряда практически во всем объеме фотоактивной области благодаря возможности проникновения части отраженных лучей лазера в область геометрической тени за контактными полосками. Таким образом, рост функции генерации в базовой области, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения лазера приводит к повышению КПД в предлагаемой конструкции фотоэлемента в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями.

Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунками на фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображено исполнение полупроводникового фотоэлемента с p-n-переходом и с многослойным защитным оптическим покрытием. На фиг. 2 на выносном элементе более детально показано поперечное сечение канавки в теплорегулирующем покрытии и положение ее относительно полоски полоскового омического контакта. На фиг. 3 приведен фрагмент фотоэлемента поясняющий вывод соотношений (1) и (2).

На фиг. 1-3 изображено:

1 - легированный слой;

2 - базовый слой;

3 - p-n-переход;

4 - полупроводниковая подложка;

5 - полосковый омический контакт (ПОК);

6 - сплошной омический контакт (СОК);

7 - луч лазера;

8 - рабочая поверхность;

9 - просветляющее покрытие (ПРП);

10 - клеевой слой;

11 - теплорегулирующее покрытие (ТРП);

12 - канавка;

13 - боковая грань.

Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения содержит полупроводниковые легированный слой 1, например р-типа, и базовый слой 2, например n-типа, с p-n-переходом 3, полупроводниковую подложку 4, фронтальный полосковый омический контакт 5 с лицевой стороны фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт 6 с тыльной стороны фотоэлемента и защитное оптическое покрытие, на которое нормально падают лучи лазера 7 с длиной волны λ₀. Причем защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность 8 полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия 9 толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой 10, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием 11, толщиной Η и с абсолютным показателем преломления n₁. Причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия 11 выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки 12, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта 5 фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]. Плоскости боковых граней 13 канавок 12 выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия выполнен так, что отвечает соотношению (1)

(0<γ≤(90°-α₀))∧((L+b/2)<Δ),

где α₀ - угол полного внутреннего отражения луча лазера 7 от боковой грани 13 канавки 12;

L - максимальное отклонение луча лазера 7 при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяемое из выражения (2)

L=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)· sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)· sin(2γ)]}.

Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения работает следующим образом.

С лицевой стороны на защитное оптическое покрытие фотоэлемента нормально падают лучи лазера 7 с длиной волны λ₀.

Одна часть потока излучения лазера, без помех от полоскового омического контакта 5, проходит через прозрачные слои защитного оптического покрытия, состоящие из теплорегулирующего покрытия 11, толщиной Н и с абсолютным показателем преломления n₁, клеевого слоя 10 толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, просветляющего покрытия 9 толщиной δ и с абсолютным показателем преломления n₃. Далее лучи лазера 7 падают на рабочую поверхность 8 полупроводника ФЭ, выполненного из материала с абсолютным показателем преломления n>n₃.

Другая часть потока лазерного излучения, пропорциональная площади затенения ФЭ полосковыми омическими контактами 5, в виде плоской волны падает на плоские границы раздела двух сред, образованные боковыми гранями 13 канавок 12. Причем канавки 12, чередующиеся с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, в поперечном сечении имеют вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта 5 фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]. Лучи лазера 7 проходят в прозрачном теплорегулирующем покрытии 11 и под углом (90°-γ) падают на боковые грани 13 канавок 12, причем плоскости боковых граней 13 канавок 12 выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. В рабочих условиях внутренние полости канавок 12 негерметичны и заполнены воздухом, в случае наземного применения ФЭ, или вакуумом, в случае космического применения. В результате при падении плоского фронта волны ЛИ из оптически более плотной среды, каковой является теплорегулирующее покрытие 11, на плоскую границу двух сред - боковые грани 13 - происходит полное внутреннее отражение лучей лазера 7 от оптически менее плотной среды, при которой преломление отсутствует, а интенсивность отраженных лучей лазера 7 практически равна интенсивности падающих. Причем угол γ выбран из условия полного внутреннего отражения лучей лазера 7, что следует из левой части соотношения (1) 0<γ≤(90°-α₀), где α₀ - минимальный угол падения луча лазера 7 на боковые грани 13 канавок 12, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения. Отраженные от боковой грани 13 лучи лазера 7 проходят теплорегулирующее покрытие 11 и под углом 2γ падают на границу раздела с клеевым слоем 10. Причем материал клеевого слоя 10 подбирают так, чтобы лучи лазера 7 переходили в среду близкую по оптической плотности. Далее лучи лазера 7 под углом α₂ падают на просветляющее покрытие 9, толщина которого δ соизмерима с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии 9 и с углом преломления α₃, равным углу падения лучей лазера 7 на рабочую поверхность 8 полупроводниковой структуры, что увеличивает длину пути, проходимую излучением в фотоактивной области фотоэлемента. В результате интерференции когерентных лучей лазера 7 с длиной волны λ₂ в клеевом слое 10, падающих на просветляющее покрытие 9 и отражаемых от передней и задней границ просветляющего покрытия 9, происходит взаимное «гашение» отраженных волн и усиление интенсивности проходящих волн к рабочей поверхности 8 между соседними полосками полоскового омического контакта 5. Причем взаимное «гашение» отраженных волн и усиление интенсивности проходящих волн при интерференции лучей лазера 7 будет тем сильнее, чем больше разность n-n₃, но в любом случае должно выполняться условие n>n₃ /10, с. 590/. Таким образом, отраженные от боковых граней 13 лучи лазера 7 проходят слои защитного оптического покрытия и падают под углом α₃ на рабочую поверхность 8 полупроводниковой структуры фотоэлемента. Причем максимальное суммарное отклонение L лучей лазера 7, определяемое выражением (2), имеет ограничение. А именно при отражении лучи лазера 7 должны падать на рабочую поверхность 8 между соседними полосками полоскового омического контакта 5. Данное условие отражено в правой части соотношения (1) (L+b/2)≤Δ.

Таким образом, обе части потока лазерного излучения, нормально падающего с лицевой стороны фотоэлемента на защитное оптическое покрытие, пройдя его прозрачные слои, входят внутрь полупроводника фотоэлемента, в его фотоактивную область. Причем одна часть лучей лазера 7 входит нормально, а другая - под углом к плоскости p-n-перехода 3, что приводит к увеличению длины его пути в фотоактивной области и более равномерному распределению энергии ЭМИ по объему фотоактивной области полупроводника. Происходит активное поглощение фотонов с максимальным коэффициентом поглощения ЭМИ благодаря соответствующему подбору полупроводникового материала для данной длины волны лазерного излучения. Фотоактивное поглощение сопровождается образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Неравновесные носители заряда, собранные к p-n-переходу 3, благодаря наличию контактной разности потенциалов разделяются на нем: неосновные носители свободно проходят через p-n-переход 3, а основные задерживаются. Например, при выполнении легированного слоя 1 p-типа и базового слоя 2 n-типа электроны переходят из легированного слоя 1 в базовый слой 2 и далее через полупроводниковую подложку 4 к сплошному омическому контакту 6, а дырки - в противоположном направлении. Таким образом, под действием разности потенциалов (фото-ЭДС) во внешней замкнутой цепи проходит ток, направленный от полоскового омического контакта 5 к сплошному омическому контакту 6.

Приведем пример конкретного выполнения фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения.

Положим, что с лицевой стороны фотоэлемента с защитным оптическим покрытием падает нормально монохроматическое электромагнитное излучение лазера с длиной волны λ₀=0,8 мкм. В качестве полупроводникового материала выбираем GaAs как материал, имеющий наивысший показатель поглощения, для данной длины волны лазера, в сравнении с другими полупроводниками /1, с. 93/. Положим, что фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения содержит эпитаксиальные полупроводниковые слои p-типа (легированный слой) и n-типа (базовый слой) толщиной 1,0 мкм и 3,0 мкм, соответственно, на полупроводниковой подложке из n-GaAs. Положим, что фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента выполнен из металла на основе золота в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ=100 мкм и шириной полос b=20 мкм. Сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента, положим, выполнен также на основе Au. Защитное оптическое покрытие, закрывающее рабочую поверхность полупроводника из GaAs с абсолютным показателем преломления n=3,3 /11, с. 155/, выполнено слоями. Слой просветляющего покрытия выполняем в виде однослойной пленки из ZnS с оптической толщиной δ, соизмеримой с длиной волны в просветляющем покрытии, и с абсолютным показателем преломления n₃=2,3 /5, с. 210/, удовлетворяющим условию n₃<n. Причем лучи лазера, падающие на просветляющее покрытие под углом α₂, преломляются в просветляющем покрытии с углом преломления α₃, равным углу падения лучей лазера на рабочую поверхность полупроводниковой структуры, что увеличивает длину пути, проходимую излучением в фотоактивной области фотоэлемента. Просветляющее покрытие соединено через клеевой слой с теплорегулирующим покрытием. Клеевой слой примем толщиной d=40 мкм. В качестве клеевого состава примем, например, прозрачный кремнийорганический каучук, сохраняющий высокую эластичность до весьма низких температур и обладающий большой стойкостью к ультрафиолетовому излучению /5, с. 209/, с абсолютным показателем преломления n₂=1,5 /5, с. 208/. Причем материал просветляющего покрытия из ZnS и его оптическую толщину δ подбирали из условия минимальности отражения лучей лазера от рабочей поверхности полупроводниковой структуры из GaAs /10, с. 590/. Так, в данном примере абсолютный показатель преломления n₃ для ZnS удовлетворяет требуемому соотношению n₃=(n₂·n)^1/2=(1,5·3,3)^1/2≈2,3, a δ определим из δ=λ₀/(4·n₃)=0,8/(4·2,3)≈0,09 мкм. Теплорегулирующее покрытие выполняем в виде защитной стеклянной пластины толщиной Η=500 мкм и с абсолютным показателем преломления n₁=1,5 /5, с. 210/. Стеклянная пластина обладает высокими теплорегулирующими свойствами, предохраняет фотоэлементы от температурного перегрева за счет увеличения интегрального коэффициента собственного теплового излучения поверхности ε_T ⁿ /12, с. 787/. Кроме того, обладая высокой пропускной способностью (например, стекло К-208 /4, с. 8/), стеклянная пластина эффективно защищает полупроводниковую структуру на основе GaAs от воздействия космического излучения /4, с. 3/. На внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполняем фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ=100 мкм и глубиной h=50 мкм, причем выполняется условие h<Н. Внутренние полости канавок выполнены негерметичными, что позволяет снять напряжение в защитном оптическом покрытии ФЭ от давления газов в этих полостях при работе приемника-преобразователя в космическом пространстве. Поперечное сечение каждой канавки имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b=20 мкм, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]=2·arctg[20/(2·50)]=22,6°. Причем плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Поскольку в рабочих условиях внутренние полости канавок выполнены негерметичными и заполнены воздухом, в случае наземного применения ФЭ, или вакуумом, в случае космического применения, то абсолютный показатель преломления среды во внутренней полости канавки принят равным единице. Угол полного внутреннего отражения луча лазера от боковой грани канавки в соотношении (1), в соответствии с законом преломления, определим из выражения /10, с. 562/ α₀=arcsin(1/n₁)=arcsin(1/1,5)=41,8°. Максимальное отклонение отраженного луча лазера в соотношении (1), при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяем из выражения (2)

L=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)· sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)· sin(2γ)]}=20/(1-tg²11,3°)+40·tg{arcsin[(1,5/1,5)· sin(22,6°)]}+0,087·tg{arcsin[(1,5/2,3)·sin(22,6°)]}=37,8 мкм.

Подставляем ранее приведенные значения γ, α₀, L, b и Δ в соотношение (1)

(0<γ≤(90°-α₀))∧((L+b/2)≤Δ),

(0<11,3°≤(90°-41,8°))∧((37,8+20/2)≤100).

Таким образом, убеждаемся, что рассмотренная в примере конструкция фотоэлемента с защитным оптическим покрытием удовлетворяет требуемому условию (1).

Соотношение (1) и входящее в него выражение (2) получены следующим образом.

Как видно из рисунков на фиг. 2 и фиг. 3, нормально падающий на теплорегулирующее покрытие луч лазера падает на боковую грань канавки под углом (90°-γ), который должен быть больше α₀ - минимального угла падения луча лазера, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения. Это условие отражено в соотношении (1) в его левой части. Одновременно с этим условием должно соблюдаться и условие падения отраженных от соответствующей боковой грани канавки лучей лазера на рабочую поверхность полупроводника между двумя соседними полосками полоскового омического контакта, что и отражено в соотношении (1), в его правой части. Причем максимальное отклонение L луча лазера, отраженного от боковой грани канавки и затем проходящего через слои защитного оптического покрытия, определяется из рассмотрения на фиг. 3 прямоугольных треугольников ΔABD, ΔEDF и ΔGFK. Откуда

Как очевидно из фиг. 2 и фиг. 3, в треугольнике ΔABD угол ∠ABD=2γ. Откуда из треугольника ΔABD определим

Из треугольника ΔАВС определим h=b/(2·tgγ). После тригонометрического преобразования tg2γ=2·tgγ/(1-tg²γ), подставляя выражения для h и tg2γ в (4), получим

Из треугольника ΔEDF определим

Из треугольника ΔGFK определим

где α₃ - угол преломления луча лазера в просветляющем покрытии.

Причем, в соответствии с законом преломления, должны выполняться соотношения

Из (8) определим угол преломления α₂ луча лазера в клеевом слое

Из соотношений (8) и (9) определим угол преломления α₃ луча лазера в просветляющем покрытии, который равен углу падения луча лазера на рабочую поверхность полупроводниковой структуры (в вышерассмотренном примере материал полупроводниковой структуры выбран на основе GaAs)

Подставляя выражения для α₂ и α₃ из (10) и (11) в (6) и (7), соответственно, и используя выражение (5), определим из (3)

L=AD+EF+GK=h·tg2γ+d·tgα₂+δ·tgα₃=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)·sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)·sin(2γ)]}, т.е. получаем выражение (2).

Таким образом, применение предлагаемой конструкции фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения, использующей явление полного внутреннего отражения лучей лазера в защитном оптическом покрытии, позволяет увеличить КПД и удельные значения фототока ФЭП за счет:

1) увеличения доли поглощенного лучистого потока, что соответственно увеличивает общее количество фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых излучением, в единицу времени по обе стороны от р-n-перехода;

2) увеличения длины пути проходимого излучением в фотоактивной области фотоэлемента, что позволяет уменьшить его толщину и таким образом увеличить коэффициент собирания носителей тока и улучшить энергомассовые показатели приемника-преобразователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.

2. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.

3. Патент РФ №2499327, кл. H01L 31/052, опубл. 20.11.2013.

4. Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом / Летин В.А., Гаценко Л.С., Агеева Т.А., Суркова В.Ф. // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. Журнал НИИ «Квант», М., 2008-2009. №24-25, с. 3-13.

5. Колтун М.М., Ландсман А.П. Просветление, температурная стабилизация и защита от радиации кремниевых фотоэлементов с помощью оптических покрытий. - Сб. «Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках». М., «Наука», 1968.

6. Патент РФ №2410796, кл. H01L 31/04, опубл. 27.01.2011.

7. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское Радио, 1971 г.

8. В.М. Андреев. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. - «Соросовский образовательный журнал», 1996, №7, с. 93-98.

9. Патент РФ №2487438, кл. H01L 31/042, опубл. 10.07.2013.

10. Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983.

11. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.

12. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения, содержащий полупроводниковые легированный и базовый слои p-типа и n-типа, фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитного оптического покрытия, на которое нормально падают лучи лазера с длиной волны λ₀, отличающийся тем, что защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия, толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием, толщиной Н и с абсолютным показателем преломления n₁, причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)], а плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения, причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия должен отвечать соотношению

где α₀ - угол полного внутреннего отражения луча лазера от боковой грани канавки;
L - максимальное отклонение луча лазера, при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяемое из выражения
L=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)·sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)·sin(2γ)]}.