ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК H01L31/52 H01L31/18 

Область техники

Изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с повышенной эффективностью и перспективных интегрированных устройств, содержащими такие ФЭП, в том числе для обеспечения энергопитания аппаратуры космических аппаратов (КА), в которых за счет перенаправляющих падающее оптическое излучение элементов уменьшают эффект тени от расположенных на поверхности устройств непрозрачных для оптического излучения структур.

Предшествующий уровень техники

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) в настоящее время стали важными и широко распространенными устройствами для преобразования энергии оптического излучения в электричество. Наряду с наиболее массовым применением ФЭП для генерации электрической мощности, поступающей в распределительные сети, фотоэлектрические модули активно используются и локально в устройствах, в которых необходимо или целесообразно иметь автономный источник электрического питания, например, в работающих в удаленном режиме различных датчиках или сенсорах различного назначения, в том числе на космических аппаратах.

В обычно применяемых ФЭП достаточно большой площади используют электродные структуры для сбора фотоэлектрического тока, также часто именуемые в технической литературе «коллекторы». Такие коллекторы представляют собой решетки из проводников формируемых на рабочей поверхности ФЭП и предназначенных для эффективного сбора генерируемых падающим излучением носителей электрического заряда и их доставки до потребляющих выработанную электрическую мощность устройств. Характерные примеры конструкции коллекторов ФЭП описаны, например, в патенте РФ N 2303830 «Толстопленочный контакт кремниевого фотоэлектрического преобразователя и способ его получения», опубл. 27.07.2007 г. По причине того, что в проводниках коллектора ФЭП необходимо минимизировать омические потери, их выполняют из материалов с высокой электрической проводимостью, а именно, металлов и их сплавов. Известны различные композиции и способы формирования коллекторов ФЭП, но для целей настоящего изобретения существенно то, что во всех случаях проводники коллектора, являясь непрозрачными, препятствуют прохождению оптического излучения к нижележащим активным областям ФЭП, и, тем самым, уменьшают результирующую эффективность ФЭП. Таким образом, проводники коллектора необходимы для отвода генерируемой электрической мощности, но их наличие приводит к уменьшению эффективности ФЭП. Однако выполнение проводников коллектора более тонкими приводит к возрастанию их электрического сопротивления, что также приводит к снижению эффективности ФЭП. Более того, необходимо также обеспечить достаточную площадь и качество контакта между поверхностью рабочих областей ФЭП и проводниками коллектора для того, чтобы минимизировать сопротивление контакта. Таким образом, необходимо находить баланс между электрическим сопротивлением проводников коллектора и площадью поверхности ФЭП, закрываемой этими проводниками от падающего оптического излучения.

Аналогичная проблема возникает и в случае, если вместо проводника коллектора, в общем случае, в составе устройства на поверхности рабочей области ФЭП формируют требуемые функциональным применением такого устройства электронные элементы, например, микроэлектронные схемы на основе транзисторной логики и/или датчики физических величин. В частном случае такие датчики могут включать, например, микроантенны, полосковые линии задержки, встроенные оптоэлетронные компоненты или узлы и т.п. Однако, не ограничивая общности, в дальнейшем рассмотрении будет использоваться термины «проводники» и «коллектор», являющимися стандартно используемыми компонентами ФЭП, применяемых в солнечной энергетике.

Поэтому решением вышеуказанной технической проблемы по настоящему изобретению является формирование такой конструкции устройства, имеющего в своем составе фотоэлектрический преобразователь, в котором достигается повышение его эффективности за счет снижения потерь оптической мощности на располагаемых на поверхности непрозрачных элементах конструкции такого устройства. Эта цель достигается за счет того, что при использовании эффективной конструкции коллектора фотогенерированного тока применяют интегрированную в защитное покрытие ФЭП систему оптических элементов, которая обеспечивает уменьшение эффекта затенения рабочих областей ФЭП проводниками коллектора. Кроме того, если такие непрозрачные элементы устройства являются активными функциональными элементами, например, полупроводниковыми приборами или устройствами коммутации, то поглощаемое ими излучение приводит к их нагреву, что может негативно влиять на их рабочие характеристики и потому целесообразно перенаправлять это излучение мимо такого элемента.

В некоторых случаях размер такого непрозрачного элемента может оказаться слишком большим, чтобы при формировании интегрированной в защитное покрытие ФЭП системы оптических элементов оказалось возможным полное исключение эффекта затенения. В этих случаях оптические элементы выполняют таким образом, чтобы они обеспечивали положительный эффект хотя бы вдоль периферийных областей указанного непрозрачного элемента.

Защитное покрытие для ФЭП и устройств, имеющих в своем составе ФЭП, выполняют из оптически прозрачного в области спектральной чувствительности используемого ФЭП материала. Таким материалом может быть стекло или полимер, выбор конкретного материала делают исходя из конкретного применения устройства, а также коммерческой и стоимостной доступности. Известно, что коэффициент преломления минеральных (неорганических) стекол варьируется в диапазоне 1.5÷1.9, а стеклообразных аморфных полимеров варьируется в диапазоне 1.3÷1.7 (Серова В.Н., Химическая структура и показатель преломления полимеров, Вестник Казанского технологического университета, 2012, т. 15, №7, с. 91-94).

Известно решение технической задачи сохранения высокой эффективности коллектора ФЭП при одновременном уменьшении площади поверхности ФЭП, занимаемыми проводниками коллектора, описанное в патенте США N 4726850 «Buried contact solar cell», опубл. 23.02.1988 г., согласно которому проводники коллектора выполняют заглубленными в поверхность, размещая проводник внутри формируемой в поверхности ФЭП канавки. Такая конструкция коллектора позволяет уменьшить ширину проводника на поверхности, но за счет увеличенной высоты оставить неизменным или даже увеличить площадь его сечения, а тем самым, сохранить низкое значение контактного сопротивления контактов и омического сопротивления коллектора в целом.

В патенте США N 5554229 «Light directing element for photovoltaic device and method of manufacture», опубл. 10.04.1996 г. для предотвращения попадания падающего оптического излучения на непрозрачные структурные элементы ФЭП предложено формировать в слое оптически прозрачного материала, выполняющем функцию защитного покрытия рабочей поверхности ФЭП, на обращенной к ФЭП стороне пространственно сопряженные с указанными оптически непрозрачными элементами на поверхности устройства, содержащего ФЭП, каналы, на боковые стенки которых нанесены светоотражающие покрытия. В частности, такие каналы выполняют в виде V-образных канавок, обращенных широкой частью к поверхности ФЭП и закрывающие непрозрачный элемент структуры на поверхности ФЭП, а вершиной по направлению навстречу падающему на ФЭП оптическому излучению. При этом падающее на такие встроенные в защитное покрытие оптические элементы оптическое излучение отражается от боковых стенок и перенаправляется на рабочие поверхности ФЭП.

Принципиально неустранимым недостатком такой конструкции является необходимость технологической операции по селективному нанесению на боковые поверхности сформированных канавок светоотражающего покрытия, что значительно усложняет и удорожает процесс производства ФЭП и/или содержащих ФЭП устройств и делает нецелесообразным использование такой конструкции защитных покрытий ФЭП в производстве.

В патенте США N 5110370 «Photovoltaic device with decreased gridline shading and method for its manufacture», опубл. 05.05.1992 г. описано содержащее фотоэлектрический преобразователь устройство со встроенными в защитное покрытие элементами для локального перенаправления падающего света, которые выполняют в виде углублений на внешней по отношению к ФЭП стороне и расположение которых сопряжено с оптически непрозрачными элементами на поверхности устройства, содержащего ФЭП. В частности, такие углубления выполняют в виде V-образных канавок. При этом широкая часть каждой такой V-образной канавки перекрывает в своей проекции соответствующий непрозрачный элемент структуры на поверхности ФЭП, а вершина каждой такой V-образной канавки направлена в сторону этого непрозрачного элемента ФЭП. При падении на боковые поверхности таких встроенных в защитное покрытие оптических элементов оптическое излучение преломляется и отклоняется от первоначального направления. Канавки выполняют таким образом, чтобы перенаправленное таким образом оптическое излучение перенаправлялось на рабочие поверхности ФЭП.

Это решение является наиболее близким к предлагаемому и принято в качестве прототипа.

Принципиально неустранимым недостатком такой конструкции является подверженность избыточному, по сравнению с планарными структурами, загрязнению. Действительно, ширина проводников коллектора фототока в ФЭП обычно варьируется в диапазоне 100÷300 мкм, а канавки выполняют сопоставимой глубины, что делает попадающие в такие узкие канавки механические примеси практически не удаляемыми с использованием стандартных методов очистки. В результате с течением времени происходит значительное снижение эффективности ФЭП.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога.

Заявленное изобретение обеспечивает технический результат, состоящий в формировании в защитном покрытии содержащего фотоэлектрический преобразователь устройства встроенные в него элементы для локального перенаправления падающего света на рабочие поверхности ФЭП, позволяющего создать содержащее фотоэлектрический преобразователь устройство с повышенной эффективностью и, одновременно, не подверженных избыточному загрязнению в процессе эксплуатации.

Указанный технический результат достигается посредством защитного покрытия фотоэлектрического преобразователя, содержащего проводники или сенсоры в виде непрозрачных элементов, где защитное покрытие включает слой из оптически прозрачного материала с выполненными в нем с внешней стороны оптическими элементами в виде углублений с наклонными боковыми стенками, расположенных над непрозрачными элементами, предназначенными для перенаправления падающего оптического излучения в рабочие области фотоэлектрического преобразователя, при этом по меньшей мере, одно углубление заполнено оптически прозрачным материалом - наполнителем, с коэффициентом преломления меньшим, чем коэффициент преломления материала защитного покрытия, угол наклона боковой стенки выбирают исходя из соотношения оптических характеристик материала защитного покрытия и наполнителя таким образом, чтобы оптический луч, преимущественно ориентированный по нормали к поверхности устройства и падающий на боковую стенку в области вблизи вершины углубления, после преломления отклонялся от первоначального направления и попадал в точку вне упомянутого непрозрачного элемента.

Боковая стенка наклонена таким образом, что длина ее проекции на непрозрачный элемент была максимальной для выбранных значений коэффициентов преломления материала защитного покрытия и материала интегрированных в него оптических элементов, но не превышала половину ширины непрозрачного элемента конструкции ФЭП. Заполненные оптически прозрачным материалом углубления образуют с защитным покрытием единую плоскую (планарную) внешнюю поверхность. В качестве наполнителя используют легкоплавкое стекло или полимер. Ширина основания углубления существенно не превышает ширину располагающегося под ним непрозрачного элемента. Углубление в одном из вариантов осуществления изобретения имеет в сечении V-образный профиль, или трапецеидальный профиль, или выполнено в виде продольной канавки, имеющей в сечении V-образный или трапецеидальный профиль. Профиль углубления может быть выполнен с увеличивающейся к ее вершине кривизной. Наилучший вариант осуществления изобретения, согласно которому в сечении ось симметрии оптического элемента совпадает с осью симметрии непрозрачного элемента. Защитное покрытие и наполнитель оптического элемента могут быть выполнены из гидрофобных материалов, из материалов, являющихся сцинциляторами, преобразующих жесткое ультрафиолетовое или рентгеновское излучение в оптическое, спектр которого совпадает со спектром поглощения ФЭП.

Предпочтительно угол наклона стенок в защитном покрытии выбран из условия:

где ψ - угол наклона боковой стенки, d - ширина непрозрачного элемента, Н - толщина защитного покрытия, n₁ - коэффициент преломления материала интегрированного оптического элемента, n₂ - коэффициент преломления материала защитного покрытия; а глубина канавки выбрана исходя из условия, определяемого формулой:

где а - глубина канавки, ψ₀ - величина угла, при котором выполняется условие равенства в соотношении (1).

Защитное покрытие представляет собой оптическое стекло повышенной прозрачности в спектральном диапазоне ФЭП, а полимерный наполнитель выбран из группы полимеров, используемых в технологиях сборки ФЭП, включающей ЭВА, ПДМС, ПЭТ, ПММА, или является оптически прозрачным фторполимером с пониженным значением коэффициента преломления. В одном из вариантов осуществления изобретения защитное покрытие представляет собой оптическое стекло с повышенным значением коэффициента преломления, а полимерный наполнитель является оптически прозрачным фторполимером с пониженным значением коэффициента преломления.

Краткое описание чертежей

Группа изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схематичное изображение конструкции содержащего интегрированные оптические элементы 4 защитного покрытия 3 фотоэлектрического преобразователя или устройства, содержащего фотоэлектрический преобразователь 1 с непрозрачным элементом 2 и примеры распространения оптических лучей, падающих на различные участки этой конструкции.

На фиг. 2 показан вариант выполнения содержащего интегрированные оптические элементы 4 защитного покрытия 3, при котором в его конструкции на поверхности ФЭП 1 с непрозрачным элементом 2 присутствует дополнительный слой 5 полимерного клея. В настоящее время при коммерческом производстве солнечных модулей в качестве такого полимерного клея используют этиленвинилацетат (ЭВА), имеющий очень хорошую адгезию и коэффициент преломления, близкий по величине к коэффициенту преломления используемых в качестве защитного покрытия стекол с пониженным содержанием примесного железа для достижения их максимальной прозрачности в рабочем спектральном диапазоне ФЭП.

На фиг. 3 показаны основные геометрические параметры оптического элемента, интегрированного в защитное покрытие, на основе которых оптимизируют его конструкцию: Н - толщина защитного покрытия 3, D - ширина непрозрачного элемента 2 содержащего ФЭП устройства 1, L - длина проекции боковой стенки оптического элемента на плоскость ФЭП, а - глубина формирующей интегрированный оптический элемент 4 канавки в защитном покрытии 3, h - толщина защитного покрытия в вершине этой канавки, ψ - угол наклона боковой стенки канавки в защитном покрытии, α - угол падения на боковую стенку луча света при ориентации ФЭП на источник излучения, β - угол преломленного луча.

На фиг. 4 показан вариант выполнения содержащего интегрированные оптические элементы 4 защитного покрытия 3 в случае, когда на поверхности ФЭП 1 присутствует протяженный непрозрачный элемент устройства 2, и примеры распространения оптических лучей, падающих на различные участки этой конструкции.

На фиг. 5 показаны варианты выполнения содержащего интегрированные оптические элементы защитного покрытия с различными геометрическими параметрами такого оптического элемента и примеры распространения оптических лучей в этих случаях. Чертеж, представленный на фиг. 5, схематично иллюстрирует качественные соотношения между геометрическими параметрами интегрированных оптических элементов L_i и h_i в различных вариантах их выполнения при падении оптического излучения на нижнюю часть боковой стенки оптического элемента с трапецеидальным профилем или с профилем в виде V-образной канавки при выполнении условия перенаправления падающих оптических лучей на край протяженного непрозрачного элемента ФЭП.

На фиг. 6 показана расчетная зависимость относительной глубины V-образной канавки а/H и относительной толщиной защитного покрытия d/H при различных соотношениях коэффициентов преломления материала защитного покрытия и материала интегрированного оптического элемента n₂/n₁, по которой оптимизируют геометрические параметры конструкции содержащего интегрированные оптические элементы защитного покрытия фотоэлектрического преобразователя или устройства, содержащего фотоэлектрический преобразователь.

Осуществление изобретения

Конструктивно, топологическую структуру защитного покрытия фотоэлектрического преобразователя или устройства, содержащего фотоэлектрический преобразователь, формируют таким образом, чтобы такое защитное покрытие содержало интегрированные оптические элементы, предназначенные для того, чтобы перенаправить оптическое излучение, падающее в области, содержащие непрозрачные элементы упомянутого устройства в рабочие области фотоэлектрического преобразователя, увеличивая тем самым их освещенность и, соответственно, увеличивая эффективность конверсии энергии оптического излучения в электрическую и одновременно уменьшая тепловую нагрузку на функциональные элементы, расположенные в области указанного непрозрачного элемента.

В некоторых случаях размер непрозрачного элемента может оказаться слишком большим, чтобы при формировании интегрированной в защитное покрытие ФЭП системы оптических элементов было возможно полное перенаправление падающего излучения. В таком случае оптические элементы выполняют таким образом, чтобы они обеспечивали положительный технический результат частично - вдоль периферийных областей указанного непрозрачного элемента.

Внешнюю поверхность интегрированного защитного покрытия формируют преимущественно планарной, что исключает ее подверженность избыточному загрязнению.

Технический результат изобретения достигается тем, что упомянутое защитное покрытие ФЭП выполняют не сплошным, а содержащим сформированные любым способом продольные канавки, ориентированные преимущественно вдоль упомянутого непрозрачного элемента, например, проводника коллектора ФЭП. Указанные канавки заполняют оптически прозрачным материалом - наполнителем с коэффициентом преломления меньшим, чем коэффициент преломления материала защитного покрытия. Материал наполнителя выбирают исходя из технологических возможностей и экономической целесообразности. Например, в качестве наполнителя используют легкоплавкое стекло или полимер.

Упомянутые продольные канавки формируют таким образом, что ширина основания такой канавки существенно не превышает ширину располагающегося под ней непрозрачного элемента устройства, содержащего ФЭП. При этом боковую стенку такой канавки выполняют наклонной. При этом дно канавки выполняют уже ее основания, а угол наклона боковой стенки и глубину канавки выбирают исходя из соотношения оптических характеристик материала защитного покрытия и планаризующего наполнителя таким образом, чтобы оптический луч, преимущественно ориентированный по нормали к поверхности устройства и падающий на боковую стенку в области вблизи дна канавки, после преломления отклонялся от первоначального направления и попадал в точку вне упомянутого непрозрачного элемента. Поскольку это условие может быть выполнено при различных соотношениях угла наклона боковой стенки канавки и ее глубины, наклон боковой стенки такой канавки предпочтительно выбирают таким образом, чтобы длина ее проекции на дно канавки была максимальной для выбранных значений коэффициентов преломления материала защитного покрытия и материала интегрированных в него оптических элементов, но не превышала половину ширины непрозрачного элемента конструкции ФЭП, над которым этот оптический элемент формируется. При этом если устройство содержит непрозрачные элементы различной ширины, то параметры соответствующих им оптических элементов определяют для каждой группы таких непрозрачных элементов.

Если ширина непрозрачного элемента невелика, то такую канавку предпочтительно выполняют имеющей в сечении V-образный профиль. Дополнительно, профиль канавки выполняют с увеличивающейся к ее вершине кривизной. В случае большой протяженности непрозрачного элемента для достижения максимального технического результата такую канавку также выполняют имеющей в сечении трапецеидальный профиль. После этого такую канавку полностью заполняют оптически прозрачным планаризующим материалом с коэффициентом преломления меньше, чем коэффициент преломления материала защитного покрытия устройства, таким образом, чтобы внешняя поверхность защитного покрытия с полученным как описано выше интегрированным в его структуру оптическим элементом представляла собой плоскую (планарную) поверхность. При этом геометрические параметры такой канавки определяют на основе геометрических параметров конструкции коллектора ФЭП, толщины применяемого защитного покрытия и оптических характеристик (коэффициента преломления) материала этого защитного покрытия и заполняющего канавку полимерного материала. Некоторый уровень потерь оптической мощности, неизбежный при прохождении излучения через границу между интегрированным оптическим элементом и защитным покрытием, не имеет принципиального значения, поскольку в случае отсутствия такого интегрированного оптического элемента, теряется не малая часть, а вся падающая на непрозрачный элемент оптическая мощность.

Дополнительно защитное покрытие и интегрированные в него оптические элементы выполняют из материалов, поверхность которых имеет гидрофобные свойства.

Дополнительно защитное покрытие и интегрированные в него оптические элементы выполняют из материалов, являющихся сцинциляторами, т.е. материалов, преобразующих жесткое ультрафиолетовое или рентгеновское излучение в оптическое, спектр которого совпадает со спектром поглощения ФЭП.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

В качестве примера осуществления предложенного изобретения и выбора оптимальных геометрических параметров конструкции содержащего интегрированные оптические элементы защитного покрытия фотоэлектрического преобразователя или устройства, содержащего фотоэлектрический преобразователь, рассмотрен вариант преимущественно одномерных непрозрачных элементов, характерного для наиболее часто применяемых в конструкциях ФЭП или содержащих ФЭП устройств длинномерных металлических проводников. Соответствующий такому одномерному непрозрачному элементу интегрированный в защитное покрытие оптический элемент по настоящему изобретению формируют в форме V-образной или трапецеидальной канавки. Причем, как отмечалось ранее, ширину основания такой канавки выбирают приблизительной равной ширине соответствующего непрозрачного элемента. При такой конструкции интегрированного оптического элемента обеспечивается оптимальный режим освещения рабочих областей ФЭП в случае нормального падения излучения, предпочтительном при использовании систем слежения и ориентирования ФЭП на источник излучения.

В более общем случае формы непрозрачного элемента соответствующей ему интегрированный оптический элемент выполняют конической или пирамидальной формы или формируют их в виде усеченного конуса или пирамиды или сопряжения таких форм.

Предпочтительную глубину V-образной канавки выбирают таким образом, чтобы вертикально падающий луч в область ее вершины испытывал преломление на границе оптического элемента и защитного покрытия и направлялся за пределы непрозрачного элемента. Для этого угол ψ наклона боковой стенки V-образной канавки в защитном покрытии выбирают таким образом, чтобы выполнялось условие (1).

Для большей наглядности на фиг. 6 приведены зависимости относительной глубины канавки а, которую определяют по формуле (2).

Пример 2.

В широко используемых конструкциях ФЭП контактно-электродная система сбора фотогенерированного тока (коллектор) представляет из себя множество металлических проводников, включающее широкие объединительные шины и решетку расположенных сравнительно близко друг от друга узких собирающих фототок проводников. Закрываемая электродами площадь в совокупности составляет 8-10% площади ФЭП. В случае выполненного по гибридной технологии полупроводниковых устройства, содержащего ФЭП в качестве источника его питания, геометрия непрозрачных элементов может быть иной.

Если ширина непрозрачного элемента невелика относительно толщины защитного покрытия, т.е. выполняется условие d/H<0.1, то при формирования интегрированных оптических элементов в качестве полимерного наполнителя положительный эффект достигают даже при соотношении коэффициентов преломления материалов защитного покрытия и наполнителя n₂/n₁~l,01. В этом случае коммерчески целесообразно в качестве наполнителя использовать этиленвинилацетат (ЭВА), широко применяемый в конструкциях современных ФЭП. Также можно использовать менее распространенный в технологиях ФЭП полидиметилсилоксан (ПМС) дающий соотношение коэффициентов преломления материалов защитного покрытия и наполнителя n₂/n₁~l,05.

Если ширина непрозрачного элемента такова, что выполняется условие 0.1<d/H<0.3, то при формирования интегрированных оптических элементов в качестве полимерного наполнителя положительный эффект достигают при соотношении коэффициентов преломления материалов защитного покрытия и наполнителя n₂/n₁~l,15. В этом случае коммерчески целесообразно в качестве наполнителя использовать оптически прозрачные фторполимеры с коэффициентом преломления n₁~1,3, широко применяемые, в частности при производстве полимерных световодов.

Если ширина непрозрачного элемента сопоставима с толщиной защитного покрытия, т.е. выполняется условие d/H>0.3, то при формирования интегрированных оптических элементов в качестве полимерного наполнителя положительный эффект достигают при одновременном применении оптически прозрачных фторполимеров и оптических стекол с повышенным коэффициентом преломления, т.е. n₂>1.6-1.9. В этом случае соотношение коэффициентов преломления материалов защитного покрытия и наполнителя может достигать значения n₂/n₁~1,5.

Если ни при каких возможных или практически реализуемых сочетаниях коэффициентов преломления n₁ и n₂ не существует значения глубины канавки а меньше толщины защитного слоя Н или соотношение величин а и Н таково, что формирование V-образной канавки с такой глубиной нецелесообразно или нежелательно по причине уменьшения механической прочности защитного покрытия или невозможно по технологическим причинам, то углубление или канавку выполняют имеющими в сечении трапецеидальную форму.

В этом случае глубину оптического элемента выбирают исходя из требований минимально допустимой прочности защитного покрытия, а угол наклона боковых стенок определяют из соотношения (2).

Пример 3.

Использовался ФЭП с шириной узких электродов коллектора фототока толщиной 150 мкм. В качестве защитного покрытия бралось оптическое стекло марки Pilkington Optiwhite повышенной прозрачности толщиной 3,2 мм. Таким образом, соотношение d/H составило ~0,05. В качестве полимерного наполнителя интегрированного оптического элемента использовался этиленвинилацетат (ЭВА). Отношение коэффициентов преломления выбранных материалов составило n₂/n₁~1,01. Согласно уравнениям (1) и (2) угол наклона боковой стенки ψ~20°, а относительная глубина канавки а/Н~0.07 (~220 мкм). Выполненные по стандартным методикам измерения показали увеличение фототока ФЭП на 2%.

Пример 4.

Использовался ФЭП с шириной объединительные шины контактно-электродная система коллектора фототока шириной 1 мм. В качестве защитного покрытия бралось оптическое стекло марки Pilkington Optiwhite повышенной прозрачности толщиной 3,2 мм. Таким образом, соотношение d/H составило ~0,3. В качестве полимерного наполнителя интегрированного оптического элемента использовался фторполимер марки Cytop. Отношение коэффициентов преломления выбранных материалов составило n₂/n₁~1,13. Согласно уравнениям (1) и (2) угол наклона боковой стенки ψ~20°, а относительная глубина канавки а/Н~0.43 (~1,4 мм). Выполненные по стандартным методикам измерения показали увеличение фототока ФЭП на 3%.

Пример 5.

Выполненное по гибридной технологии устройство, совмещающее логическую полупроводниковую схему и ФЭП в качестве автономного источника питания, содержало непрозрачный элемент в форме квадрата с длиной боковой стороны ~2 мм. В качестве защитного покрытия бралось оптическое стекло марки SHOTT SF66 Dense Flint толщиной 4.0 мм. Таким образом, соотношение d/H составило ~0,5. В качестве полимерного наполнителя интегрированного оптического элемента в виде конуса с шириной основания 2 мм использовался оптически прозрачный фторполимер марки Cytop. Отношение коэффициентов преломления выбранных материалов составило n₂/n₁~1,46. Согласно уравнениям (1) и (2) угол наклона боковой стенки ψ~20°, а относительная глубина канавки а/Н~0.3 (~1,2 мм). Выполненные по стандартным методикам измерения показали увеличение фототока ФЭП на 3%.

Изобретение относится к области фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) с повышенной эффективностью, конкретнее к защитным покрытиям фотоэлектрических преобразователей. Фотоэлектрический преобразователь содержит непрозрачные элементы и прозрачный защитный слой с углублениями, расположенными над непрозрачными элементами. Как минимум одно из углублений заполнено прозрачным материалом с меньшим показателем преломления, чем у защитного слоя. Угол наклона боковой стенки углублений и материалы выбирают так, чтобы оптический луч, после преломления, попадал на области вне непрозрачных элементов. Технический результат заключается в повышении устойчивости защитного покрытия к загрязнению и повышении эффективности работы фотоэлектрического преобразователя. 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Защитное покрытие фотоэлектрического преобразователя, содержащего проводники или сенсоры в виде непрозрачных элементов, включающее слой из оптически прозрачного материала с выполненными в нем с внешней стороны оптическими элементами в виде углублений с наклонными боковыми стенками, расположенных над непрозрачными элементами, предназначенными для перенаправления падающего оптического излучения в рабочие области фотоэлектрического преобразователя, отличающееся тем, что по меньшей мере одно углубление заполнено оптически прозрачным материалом - наполнителем, с коэффициентом преломления меньшим, чем коэффициент преломления материала защитного покрытия,

при этом угол наклона боковой стенки выбирают исходя из соотношения оптических характеристик материала защитного покрытия и наполнителя таким образом, чтобы оптический луч, преимущественно ориентированный по нормали к поверхности устройства и падающий на боковую стенку в области вблизи вершины углубления, после преломления отклонялся от первоначального направления и попадал в точку вне упомянутого непрозрачного элемента.

2. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что боковая стенка наклонена таким образом, что длина ее проекции на непрозрачный элемент максимальна для выбранных значений коэффициентов преломления материала защитного покрытия и материала наполнителя, но не превышала половину ширины непрозрачного элемента конструкции ФЭП.

3. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что заполненные наполнителем углубления образуют с защитным покрытием единую плоскую или планарную внешнюю поверхность.

4. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что в качестве наполнителя использованы легкоплавкое стекло или полимер.

5. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что ширина основания углубления существенно не превышает ширину располагающегося под ним непрозрачного элемента.

6. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что углубление имеет в сечении V-образный профиль.

7. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что углубление имеет в сечении трапецеидальный профиль.

8. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что профиль углубления выполнен с увеличивающейся к его вершине кривизной.

9. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что в сечении ось симметрии оптического элемента совпадает с осью симметрии непрозрачного элемента.

10. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что углубление выполнено в виде продольной канавки, имеющей в сечении V-образный профиль.

11. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что углубление выполнено в виде продольной канавки, имеющей в сечении трапецеидальный профиль.

12. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие и наполнитель оптического элемента выполнены из гидрофобных материалов.

13. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие и наполнитель оптического элемента выполнены из материалов, являющихся сцинциляторами, преобразующих жесткое ультрафиолетовое или рентгеновское излучение в оптическое, спектр которого совпадает со спектром поглощения ФЭП.

14. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что угол наклона стенок выбран из условия

где ψ - угол наклона боковой стенки, d - ширина непрозрачного элемента, Н - толщина защитного покрытия, n₁ - коэффициент преломления материала интегрированного оптического элемента, n₂ - коэффициент преломления материала защитного покрытия.

15. Защитное покрытие по п. 14, отличающееся тем, что глубина канавки выбрана исходя из условия, которое определяют по формуле

где а - глубина канавки, ψ₀ - величина угла, при котором выполняется условие равенства в соотношении по п. 14.

16. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие представляет собой оптическое стекло повышенной прозрачности в спектральном диапазоне ФЭП, а полимерный наполнитель выбран из группы полимеров, используемых в технологиях сборки ФЭП, включающей ЭВА, ПДМС, ПЭТ, ПММА.

17. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие представляет собой оптическое стекло повышенной прозрачности в спектральном диапазоне ФЭП, а полимерный наполнитель является оптически прозрачным фторполимером с пониженным значением коэффициента преломления.

18. Защитное покрытие по п. 1, отличающееся тем, что защитное покрытие представляет собой оптическое стекло с повышенным значением коэффициента преломления, а полимерный наполнитель является оптически прозрачным фторполимером с пониженным значением коэффициента преломления.