DE2834161A1 - SILICON SOLAR CELL AND 350 NM EDGE FILTER FOR SUCH - Google Patents
SILICON SOLAR CELL AND 350 NM EDGE FILTER FOR SUCHInfo
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Description
J. RICHTER F. WERDERMANNJ. RICHTER F. WERDERMANN
H A M B U R 6H A M B U R 6
R. SPLANEMANN dr.R. SPLANEMANN dr.
DlPU-INe.DlPU-INe.
EITZNEREITZNER
MÜNCHENMUNICH
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PATENTANMELDUNGPATENT APPLICATION
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11. August 1977, V.St.A. Ser. No. 823 843August 11, 1977, V.St.A. Ser. No. 823 843
BEZEICHNUNG:DESCRIPTION:
Silizium-Solarzelle und 350 nm-Kantenfilter für eine solche.Silicon solar cell and 350 nm cut-off filter for such.
ANMELDER; Optical Coating Laboratory, Inc. 2789 Giffen Avenue Santa Rosa, Kalif. 95403 V. St. A.APPLICANT; Optical Coating Laboratory, Inc. 2789 Giffen Avenue Santa Rosa, Caliph. 95403 V. St. A.
ERFINDER:INVENTOR:
James Daniel Rancourt, 129 Sherwood Drive Santa Rosa, Kalif. 95405 V. St. A.James Daniel Rancourt, 129 Sherwood Drive Santa Rosa, Calif. 95405 V. St. A.
und Richard lan Seddon 2245 Cummings Drive Santa Rosa, Kalif. 95404 V. St. A.and Richard Lan Seddon 2245 Cummings Drive Santa Rosa, Caliph. 95404 V. St. A.
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
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Die Erfindung betrifft eine Silizium-Solarzelle, bestehend aus einem Zellenkörper im wesentlichen aus Silizium mit einem fotoelektrischen Übergangsbereich und einem Antireflexbelag auf einer Oberfläche und einer vermittels eines praktisch transparenten Haftmittels fest mit dem Zellenkörper verbundenen, transparenten Schutzabdeckung, sowie einen Kantenfilter für die Schutzabdeckung einer derartigen Silizium-Solarzelle.The invention relates to a silicon solar cell, consisting of a cell body essentially made of silicon a photoelectric transition area and an anti-reflective coating on one surface and one by means of a practically transparent adhesive firmly attached to the cell body, transparent protective cover, as well an edge filter for the protective cover of such a silicon solar cell.
Solarzellen sind bereits seit einiger Zeit im Einsatz in Weltraumsatelliten und bei diesem Verwendungszweck mit einem dünnen Glas- oder Quarzglasplättchen von 150 bis etwa 1000 μχα Dicke bedeckt. Diese Abdeckung dient dazu, die Silizium-Solarzelle gegen geladene Teilchen wie z.B. in den Van Alien-Gürteln vorkommende Protonen und Elektronen zu schützen, und zugleich das Emissionsvermögen der Solarzelle anzuheben, so daß sie mehr Wärme abstrahlt und dadurch die Temperatur der Solarzelle niedriger und ihr Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Lichtstrahlung in Strom verbessert wird. Bei bekannten Solarzellen sind diese Abdeckungen vermittels eines Haftmittels mit der Zelle verkittet, welches sich unter der Einwirkung von UV-Licht zersetzt bzw. seine Eigenschaften verändert oder verliert. Zur Vermeidung schädlicher Einflüsse dieser Art kann die Abdeckung bei bekannten Solarzellen mit einem zum Sperren der schädlichen UV-Strahlung dienenden Dünnschichtfilter versehen sein, oder stattdessen kann die gewünschte Sperrwirkung auch vermittels einer Glasabdeckung erreicht werden, welche in diesem Spektralbereich undurchlässig ist. Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß die UV-Strahlung zwar nicht das Haftmittel erreicht, jedoch in der Zelle absorbiert wird. Aufgrund dieser Absorption steigt die Temperatur der Silizium-Solarzelle an, wobei ihr Wirkungsgrad aufgrund der Umsetzung des absorbierten UV-Lichts in WärmeSolar cells have been in use in space satellites for some time and for this purpose they are covered with a thin glass or quartz glass plate from 150 to about 1000 μχα thickness. This cover serves to protect the silicon solar cell against charged particles such as protons and electrons occurring in the van alien belts, and at the same time to increase the emissivity of the solar cell so that it emits more heat and thus the temperature of the solar cell is lower and you Efficiency in converting light radiation into electricity is improved. In known solar cells, these covers are cemented to the cell by means of an adhesive which decomposes or changes or loses its properties under the action of UV light. In order to avoid damaging influences of this kind, the cover of known solar cells can be provided with a thin-film filter serving to block harmful UV radiation, or instead the desired blocking effect can also be achieved by means of a glass cover which is impermeable in this spectral range. The disadvantage of these solutions is that the UV radiation does not reach the adhesive, but is absorbed in the cell. Due to this absorption, the temperature of the silicon solar cell rises, and its efficiency is due to the conversion of the absorbed UV light into heat
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absinkt. Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf für eine nicht mit diesem Nachteil behaftete Solarzelle.sinks. There is therefore still a need for a solar cell that does not suffer from this disadvantage.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle, an der bei verhältnismäßiger Unempfindlichkeit gegenüber dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung ein großer Teil der einfallenden Strahlungsenergie unterhalb der Wellenlänge von 350 nm (Nanometer) reflektiert wird, und die daher weniger UV-Strahlung absorbiert und einen höheren Wirkungsgrad aufweist, sowie einen Kantenfilter für die Schutzabdeckung einer solchen Solarzelle zu schaffen.The invention is therefore based on the object of providing a solar cell which is relatively insensitive to the angle of incidence of solar radiation a large part of the incident radiation energy below the wavelength of 350 nm (nanometers) is reflected, and which therefore absorbs less UV radiation and a higher degree of efficiency has, and to create an edge filter for the protective cover of such a solar cell.
Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Silizium-Solarzelle vom eingangs genannten Typ ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß an der Schutzabdeckung ein den Übergangsbereich und den Antireflexbelag überlagernder Kantenfilter angeordnet ist, welcher aus einem einfallende Strahlungsenergie im UV-Bereich von angenähert 350 nm bis 250 nm reflektierenden Mehrschichtenbelag aus Stoffen abwechselnd hoher und niedriger Brechzahlen besteht.The silicon solar cell proposed to solve the problem of the type mentioned at the outset, according to the invention, is characterized in that on the protective cover one overlying the transition area and the anti-reflective coating Edge filter is arranged, which approximates from an incident radiation energy in the UV range 350 nm to 250 nm reflective multilayer coating consists of substances alternating with high and low refractive indices.
Der weiterhin vorgeschlagene Kantenfilter für die Schutzabdeckung einer derartigen Solarzelle ist dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Mehrschichtenbelag besteht, dessen Schichten abwechselnd aus einem Werkstoff hoher Brechzahl und einem Werkstoff niedriger Brechzahl gebildet sind, und der dazu dient, Sonnenstrahlung im UV-Bereich von angenähert 350 nm bis 250 nm zu reflektieren.The further proposed edge filter for the protective cover of such a solar cell is characterized by that it consists of a multilayer covering, the layers of which are alternately made of a higher material Refractive index and a material of low refractive index are formed, and which serves to absorb solar radiation in the UV range reflect from approximately 350 nm to 250 nm.
Bei dieser Silizium-Solarzelle kann die Schutzabdeckung mit einem Antireflexbelag versehen sein. Der Mehrschichtenbelag umfaßt vorzugsweise wenigstens eine absorbierende Schicht, welche zur Absorption von UV-Strahlung dient, die bei von der normalen Einfallsrichtung abweichendem Einfalls-In the case of this silicon solar cell, the protective cover can be provided with an anti-reflective coating. The multilayer flooring preferably comprises at least one absorbing layer which serves to absorb UV radiation if the direction of incidence deviates from the normal
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winkel ansonsten ggf. vom Kantenfilter durchgelassen werden könnte. Die vorgeschlagene Solarzelle weist einen um angenähert 4 % gesteigerten Wirkungsgrad gegenüber bekannten Silizium-Solarzellen auf.angle could otherwise be let through by the edge filter. The proposed solar cell has one around approximately 4% increased efficiency compared to known silicon solar cells.
Weitere Merkmale der Erfindung sind anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispxels näher erläutert. In der Zeichnung istFurther features of the invention are explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. In the drawing is
Fig. 1 ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Silizium-Solarzelle,1 shows a cross section through a silicon solar cell designed according to the invention,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Durchlaßvermögens des Antireflexbelages der Solarzelle, 2 shows a graphic representation of the transmission capacity of the anti-reflective coating of the solar cell,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der berechneten Werte von \E / für die Schutzabdeckung mit 350 nm-Kantenfilter entsprechend der Erfindung,3 is a graphical representation of the calculated values of \ E / for the protective cover with 350 nm edge filter according to the invention,
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Kantenverlagerung einer Schutzabdeckung mit 350 nm-Kantenf ilter für Einfallswinkel von 0, 15, 30, 45 und 60°, und4 shows a graphic representation of the edge displacement of a protective cover with 350 nm edges filters for angles of incidence of 0, 15, 30, 45 and 60 °, and
Fig. 5 eine grafische Darstellung des Reflexionsvermögens einer bekannten Schutzabdeckung mit 350 nm-Kantenfilter im Vergleich zu dem der erfindungsgemäßen Anordnung.Figure 5 is a graph of the reflectivity of a known protective cover with a 350 nm cut-off filter compared to that of the arrangement according to the invention.
Figur 1 zeigt im Querschnitt den Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Silizium-Solarzelle. Die Solarzelle besteht aus einem Zellenkörper 11 aus im wesentlichen Silizium mit einer Brechzahl von angenähert 3,5 bis 4, der eine ebene Oberfläche 12 aufweist, auf der in bekannterFIG. 1 shows in cross section the structure of a device according to the invention trained silicon solar cell. The solar cell consists of a cell body 11 made essentially of silicon with a refractive index of approximately 3.5 to 4, which has a flat surface 12, on which in known
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Weise ein (hier nicht dargestellter) fotoelektrischer Übergangsbereich ausgebildet ist. Nach Ausbildung der Silizium-Solarzelle wird diese mit einem Antireflexbelag 13 versehen, welcher in bekannter Weise aus einer einzigen Schicht oder auch aus einem Zweischichten-Antireflexbelag des in einer weiteren US-Patentanmeldung (Akt.-Z. Ser. No. 650 258, AT 19. 1. 1976) der Anmelderin beschriebenen Typs bestehen kann.Way a (not shown here) photoelectric transition area is trained. After the silicon solar cell has been formed, it is provided with an anti-reflective coating 13, which in a known manner from a single layer or from a two-layer anti-reflective coating of the type described in another US patent application (Akt.-Z. Ser. No. 650 258, AT January 19, 1976) of the applicant can exist.
Eine Solarzellen-Schutzabdeckung 16 besteht aus einem für UV-Strahlung durchlässigen, dünnen Glas- oder Quarzplättchen mit einer Dicke von 150 bis 1000 μΐη und einer Brechzahl von angenähert 1,45 bis 1,52. Die Schutzabdeckung 16 weist ebene, planparallele Oberflächen 17 und 18 auf. Auf der einen Oberfläche 17 der Schutzabdeckung 16 ist ein Kantenfilter 19 entsprechend der Erfindung vorgesehen, während die andere Oberfläche 18 mit einem Antireflexbelag 21 versehen ist. Der Kantenfilter reflektiert Licht oder Strahlung im Ultraviolettbereich zwischen angenähert 350 nm und 250 nm Wellenlänge. Vermittels einer herkömmlichen Haftmittel- oder Kittschicht 22 ist die Schutzabdeckung 16 in der Weise fest mit dem Zellenkörper 11 verbunden, daß die erstgenannte Oberfläche 17 der Schutzabdeckung mit dem auf dieser ausgebildeten Kantenfilter 19 dem fotoelektrischen Übergangsbereich gegenüberliegt. Das Material der Haftmittel- oder Kittschicht 22 ist praktisch transparent und weist typischerweise eine Brechzahl von angenähert 1,43 bis 1,5 auf. Der Antireflexbelag 13 dient somit wie ersichtlich zur Anpassung des Silizium-Zellenkörpers 11 mit einer Brechzahl von angenähert 4 an die eine Brechzahl von angenähert 1,4 aufweisende Haftmittel- oder Kittschicht 22. Der Antireflexbelag 13 besteht vorzugsweise aus zwei Schichten, von denen die erste Schicht aus einem Werkstoff von hoher Brechzahl besteht, die unter der Brechzahl von SiIi-A solar cell protective cover 16 consists of a for Thin glass or quartz plates with a thickness of 150 to 1000 μm and a refractive index that are permeable to UV radiation from approximately 1.45 to 1.52. The protective cover 16 has flat, plane-parallel surfaces 17 and 18. on the one surface 17 of the protective cover 16, an edge filter 19 according to the invention is provided while the other surface 18 is provided with an anti-reflective coating 21. The edge filter reflects light or Radiation in the ultraviolet range between approximately 350 nm and 250 nm wavelength. By means of a conventional Adhesive or cement layer 22, the protective cover 16 is firmly connected to the cell body 11 in such a way that the first-mentioned surface 17 of the protective cover with the edge filter 19 formed thereon, the photoelectric Transition area opposite. The material of the adhesive or cement layer 22 is practically transparent and typically has an index of refraction of approximately 1.43 to 1.5. The anti-reflective coating 13 thus serves as can be seen for adapting the silicon cell body 11 with a refractive index of approximately 4 to the refractive index of approximately 1.4 having adhesive or cement layer 22. The anti-reflective coating 13 preferably consists of two layers, of which the first layer consists of a material with a high refractive index that is below the refractive index of SiIi-
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zium und im Bereich von 2,35 bis 2,4 liegt und dichter bei der Brechzahl des Silizium-Zellenkörpers liegt als die der zweiten Schicht. Die zweite Schicht besteht aus einem Werkstoff von niedriger Brechzahl, die jedoch größer ist als die des Kitts, jedoch niedriger ist als die der ersten Schicht, und wie in der vorgenannten US-Patentanmeldung beschrieben in einen Bereich von 1,6 bis 1,7 fällt.zium and in the range of 2.35 to 2.4 and closer to the refractive index of the silicon cell body is than that of the second layer. The second layer consists of one Material with a low refractive index, which is, however, greater than that of the putty, but lower than that of the first Layer, and as in the aforementioned US patent application falls within a range of 1.6 to 1.7.
Der Antireflexbelag 21 ist von herkömmlicher Ausführung und kann aus einer Viertelwellen-Einfachschicht aus einem Werkstoff niedriger Brechzahl wie z.B. Magnesiumfluorid oder stattdessen auch aus einem Antireflexbelag der in der US-PS 3 185 020 beschriebenen Ausführung bestehen. Der Antireflexbelag 21 dient zur Anpassung der Brechzahl der Quarzglas-Schutzabdeckung 16 an die des Einfallsmediums, welches unter Weltraumbedingungen ein Vakuum ist.The anti-reflective coating 21 is of conventional design and can consist of a quarter-wave single layer made of a material with a low refractive index such as magnesium fluoride or instead also consist of an anti-reflective coating of the type described in US Pat. No. 3,185,020. The anti-reflective coating 21 serves to adapt the refractive index of the quartz glass protective cover 16 to that of the incident medium, which is a vacuum under space conditions.
Der erfindungsgemäße Kantenfilter 19 weist ein (nicht absorbierendes) Band hohen Reflexionsvermögens im Ultraviolettbereich von angenähert 350 nm und darunter auf. Der Rand dieses Bandes zu längeren Wellenlängen hin ist praktisch winkelunempfindlich, d.h. unabhängig vom Einfallswinkel. Das wird erreicht durch einen etwas modifizierten Viertelwellen-Mehrschichtenbelag, der praktisch absorptionsfrei ist für über 250 nm und unter 1200 nm liegende Wellenlängen. Der Mehrschichtenbelag besteht aus mehreren Schichten aus abwechselnd einem Werkstoff niedriger Brechzahl im Bereich von 1,4 bis 1,7 und Schichten aus einem Werkstoff hoher Brechzahl im Bereich von 2,00 bis 2,4. Als Werkstoff niedriger Brechzahl wird vorzugsweise Quarzglas mit einer Brechzahl von 1,4686, und als Werkstoff hoher Brechzahl Tantalpentoxid mit einer Brechzahl von 2,23 verwendet. Anstelle von Tantalpentoxid läßt sich auch Zirkonoxid verwenden, jedoch ist dieser Werkstoff weniger vorteilhaft als Tantalpentoxid, da sich aufgrund des niedrigeren Brech-The edge filter 19 according to the invention has a (non-absorbing) Tape of high reflectivity in the ultraviolet range of approximately 350 nm and below. The edge this band towards longer wavelengths is practically insensitive to angle, i.e. independent of the angle of incidence. This is achieved by a slightly modified quarter-wave multilayer coating, which is practically absorption-free for wavelengths above 250 nm and below 1200 nm. The multi-layer covering consists of several layers alternating from a material with a low refractive index in the area from 1.4 to 1.7 and layers made of a material with a high refractive index in the range from 2.00 to 2.4. Lower as a material The preferred refractive index is quartz glass with a refractive index of 1.4686, and the material with a high refractive index Tantalum pentoxide with a refractive index of 2.23 is used. Instead of tantalum pentoxide, zirconium oxide can also be used, however, this material is less advantageous than tantalum pentoxide, because its lower
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Zahlverhältnisses eine (im nachstehenden beschriebene) stärkere Kantenverlagerung ergibt, die bei von der Normaleinfallsrichtung abweichendem Einfallswinkel zu etwas höherer Absorption führt und zur Erzielung eines vorgegebenen Reflexionsvermögens eine größere Anzahl von Schichten im Mehrschichtenbelag erforderlich macht. Als nicht absorbierender Werkstoff hoher Brechzahl läßt sich auch Hafniumoxid verwenden. Andere, für die nichtabsorbierenden Werkstoffe niedriger Brechzahl geeignete Stoffe sind Siliziumdioxid, Siliziumsesquioxid, Magnesiumfluorid und Saphir.Numerical ratio results in a stronger edge displacement (described below), which is the case from the normal direction of incidence deviating angle of incidence leads to somewhat higher absorption and to achieve a predetermined Reflectivity makes a larger number of layers in the multilayer covering necessary. As non-absorbent Hafnium oxide can also be used as a material with a high refractive index. Others, for the non-absorbent materials Suitable substances with a low refractive index are silicon dioxide, silicon sesquioxide, magnesium fluoride and sapphire.
Bei der Auslegung des Viertelwellen-Mehrschichtenbelags für den Kantenfilter.wird die Konstruktionswellenlänge der Mitte des Mehrschichtenbelags so gewählt, daß der Rand des hohen Reflexionsbandes sich bei 350 nm befindet und das gewünschte hohe Reflexionsvermögens liefert. Es ist auch möglich, den Filter aus nur zwei Schichten hoher und niedriger Brechzahl herzustellen, wobei jedoch in jedem Falle mehrere Schichtenpaare vorzuziehen sind.When designing the quarter-wave multilayer covering for the edge filter, the construction wavelength is the Center of the multilayer covering chosen so that the edge of the high reflection band is at 350 nm and that provides desired high reflectivity. It is also possible to have the filter made up of just two layers higher and lower Establish the refractive index, although several pairs of layers are preferable in any case.
Mit Tantalpentoxid hat sich gezeigt, daß dieses im Bereich von angenähert 200 nm bis 275 nm absorbiert. Wenn jedoch der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung wesentlich von der Normalen oder Senkrechten auf die Oberfläche abweicht, tritt eine Wellenlängenverschiebung auf, aufgrund welcher der Rand des Kantenfilters zu einer kürzeren Wellenlänge hin oder vom 350 nm-Bereich weg zu beispielsweise 325 nm hin verlagert wird. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines sogenannten Fensters, durch welches UV-Strahlung eintreten und den Kantenfilter durchlaufen kann, sofern dieser nicht zusätzliche Mittel zur Absorption von ggf. durch den Mehrschichtenbelag aus Schichten hoher und niedriger Brechzahlen hindurchtretender UV-Strahlung umfaßt. Zur Ausschaltung einer winkelabhängigen Verlagerung der KantenwellenlängeWith tantalum pentoxide it has been shown that this absorbs in the range of approximately 200 nm to 275 nm. But when the angle of incidence of solar radiation deviates significantly from the normal or perpendicular to the surface, a wavelength shift occurs, due to which the edge of the edge filter to a shorter wavelength is shifted towards or away from the 350 nm range to, for example, 325 nm. This leads to the formation of a so-called window, through which UV radiation can enter and pass through the edge filter, if this is not the case additional means for the absorption of, if necessary, through the multilayer covering made up of layers of high and low refractive indices UV radiation passing through. To eliminate an angle-dependent shift in the edge wavelength
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werden wenigstens eine und vorzugsweise mehrere Schichten hoher Brechzahl des Viertelwellen-Mehrschichtenbelags auf der von der einfallenden Strahlung entfernten Seite des Mehrschichtenbelags durch einen Werkstoff wie z.B. Titanoxid ersetzt, der UV-Strahlung sperren, oder in anderen Worten, absorbieren kann. Zu diesem Zweck gleichfalls geeignete Werkstoffe sind Titandioxid, Ceroxid und Zinsulfid. Dieser Ersatzwerkstoff bewirkt, daß Strahlung unter angenähert 350 nm, welche von einem gekippten Kantenfilter durchgelassen wird, in dieser Schicht absorbiert und damit daran gehindert wird, die Haftmittel- oder Kittschicht zu erreichen und zu zersetzen. Zwar wird auf diese Weise eine gewisse Erwärmung hervorgerufen, jedoch ist diese weit geringer als die bei bekannten Anordnungen, in denen lediglich Titanoxid als Werkstoff hoher Brechzahl enthalten ist. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß Solarzellen im allgemeinen in eine solche Ausrichtung gebracht werden, in welcher sie von dem einfallenden Sonnenlicht senkrecht und nicht unter einem Winkel getroffen werden. In diesem Falle dringt sehr wenig UV-Strahlung in den Kantenfilter ein und wird dann von den Titanoxidschichten absorbiert, so daß die Erwärmung nur minimal ist.at least one and preferably several layers of high refractive index of the quarter-wave multilayer coating on the side of the multilayer covering that is remote from the incident radiation by a material such as titanium oxide which can block, or in other words, absorb UV radiation. Also suitable for this purpose Materials are titanium dioxide, cerium oxide and interest sulfide. This substitute material causes radiation to be approximated below 350 nm, which is transmitted by a tilted edge filter, is absorbed in this layer and thus is prevented from reaching and decomposing the adhesive or putty layer. In this way it becomes a Caused certain heating, but this is far less than that in known arrangements in which only Titanium oxide is included as a material with a high refractive index. In this connection it should be noted that solar cells in general be brought into such an orientation in which they are perpendicular and from the incident sunlight not be hit at an angle. In this case, very little UV radiation penetrates the edge filter and is then absorbed by the titanium oxide layers, so that the heating is only minimal.
Im nachfolgenden ist ein Mehrschichtenbelag von typischem Aufbau angegeben, welcher aus siebzehn Schichten besteht, deren Reihenfolge von der Unterlage aus angegeben ist.In the following a multi-layer covering of typical structure is given, which consists of seventeen layers, the order of which is given in the document.
95,9 336,2 198,1 265,0 265,0 276,095.9 336.2 198.1 265.0 265.0 276.0
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Aus dem vorstehenden läßt sich ersehen, daß der Mehrschichtenbelag mit einer Schicht hoher Brechzahl beginnt und endet, und mehrere Schichtenpaare hoher und niedriger Brechzahl vorgesehen sind. Prinzipiell kann eine beliebige Anzahl von Schichtenpaaren vorgesehen sein, wobei die Anzahl von der zu erzielenden Güte abhängig ist. Der Viertelwellen-Mehrschichtenbelag aus Tantalpentoxid und Quarzglas ist bei etwa 284 nm zentriert und weist ein auf der Seite langer Wellenlängen bei 3 50 nm einsetzendes Reflexionsband auf, welches sich bis zum Absorptionsrand von Ta3O5 bei angenähert 275 nm erstreckt. Aufgrund Absorption erfolgt ein rascher Reflexionsabfall über 275 nm hinaus. Die Schichten 3 und 5 sind die UV-Absorptionsschichten. Der vorstehend angegebene Aufbau läßt sich innerhalb gewisser Grenzen abwandeln, wobei die genauen Werte von der Brechzahl der Schutzabdeckung, den Materialkosten und dem angestrebten Reflexionsgrad abhängig gemacht werden können.From the above it can be seen that the multilayer coating begins and ends with a layer of high refractive index, and several pairs of layers of high and low refractive index are provided. In principle, any number of pairs of layers can be provided, the number depending on the quality to be achieved. The quarter-wave multilayer coating made of tantalum pentoxide and quartz glass is centered at about 284 nm and has a reflection band beginning at 3550 nm on the long wavelength side, which extends to the absorption edge of Ta 3 O 5 at approximately 275 nm. Due to absorption, there is a rapid decrease in reflection beyond 275 nm. Layers 3 and 5 are the UV absorption layers. The structure specified above can be modified within certain limits, the exact values being made dependent on the refractive index of the protective cover, the material costs and the desired degree of reflection.
Wenn für die stark Ultraviolettstrahlung reflektierenden Schichten Zirkondioxid und Quarzglas verwendet werden, sind zwei Mehrschichtenbeläge erforderlich, um den DurchtrittIf for the highly reflective ultraviolet rays Layers of zirconia and quartz glass are used two multilayer coverings are required to make the passage
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kurzer Wellenlängen zu verhindern, da der Absorptionsrand von Zirkondioxid bei einer zu kurzen Wellenlänge liegt und dadurch einen Lichtdurchtritt durch Absorption nicht einwandfrei ausschalten kann.to prevent short wavelengths, since the absorption edge of zirconium dioxide is too short a wavelength and as a result, the passage of light through absorption cannot properly switch off.
In der grafischen Darstellung von Fig. 3 ist das in den Mehrschichtenbelag eintretende elektrische Feld aufgetragen. Die Bezeichnungen der Schichten sind wie folgt: H = Ta3O5; H= Ti3O3; nicht markiert = SiO2·In the graphic representation of FIG. 3, the electric field entering the multilayer covering is plotted. The names of the layers are as follows: H = Ta 3 O 5 ; H = Ti 3 O 3 ; not marked = SiO 2
Die grafische Darstellung zeigt die Beleuchtungsstärke als Funktion der Filtertiefe. Wie daraus ersichtlich, nimmt die Beleuchtungsstärke bei Durchtritt des Lichts durch die verschiedenen Schichten des Mehrschichtenbelags ab. Bei Erreichen der Titanoxidschichten H hat die Beleuchtungsstärke auf nahezu null abgenommen, so daß die Titanoxidschichten, welche von der Unterlage aus gerechnet die dritte und die fünfte Schicht bilden, keine Ultraviolettstrahlung zu absorbieren brauchen.The graphic representation shows the illuminance as Function of the filter depth. As can be seen from this, the illuminance decreases as the light passes through the different layers of the multi-layer pavement. When the titanium oxide layers H are reached, the illuminance has decreased to almost zero, so that the titanium oxide layers which form the third and fifth layers calculated from the base, no ultraviolet radiation need to absorb.
Wenn der Filter gekippt ist, wird er nicht langer von senkrecht einfallendem Licht getroffen, so daß der Rand sich von 350 nm zu kürzeren Wellenlängen hin verlagert und ein kleines Fenster entsteht. Durch dieses Fenster hindurch durchgelassene Ultraviolettstrahlung wird jedoch durch die dritte und die fünfte Schicht aus Titanoxid absorbiert. Diese Schichten stellen praktisch Schutzschichten dar, welche verhindern, daß UV-Strahlung auf die Kittschicht fallen und diese zersetzen kann. Titanoxid ist zu diesem Zweck geeignet, da es nicht winkelabhängig ist und von Haus aus UV-Strahlung unter 350 nm absorbiert.If the filter is tilted, it will no longer be vertical incident light hit, so that the edge shifts from 350 nm to shorter wavelengths and a small window is created. However, ultraviolet radiation transmitted through this window is blocked by the third and fifth layers of titanium oxide absorbed. These layers practically represent protective layers, which prevent UV radiation from falling on the cement layer and breaking it down. Titanium oxide is used for this purpose suitable because it does not depend on the angle and is inherent in it Absorbs UV radiation below 350 nm.
Selbstverständlich können nach Wunsch auch zusätzliche Titanoxidschichten zur Erzielung einer noch höheren Sperrwirkung vorgesehen sein. Dadurch steigen jedoch die Herstellungs-Of course, additional titanium oxide layers can also be used if desired be provided to achieve an even higher locking effect. However, this increases the manufacturing
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kosten für das Kantenfilter.costs for the edge filter.
In Fig. 4 ist die Kantenverlagerung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kantenfilters für die Einfallswinkel von 0, 15, 30, 45 und 60° dargestellt, wobei aus den Kurven ersichtlich ist, daß die Beträge der winkelbedingten Kantenverlagerung nicht sehr groß sind.In Fig. 4, the edge displacement is one according to the invention formed edge filter for the angle of incidence of 0, 15, 30, 45 and 60 °, it can be seen from the curves that the amounts of the angle-related edge displacement are not very big.
Figur 5 zeigt einen Vergleich zwischen dem gemessenen Reflexionsvermögen einer Solarzellen-Schutzabdeckung mit Standard-3 50 nm-Filter und der erfindungsgemäß ausgebildeten Solarzellen-Schutzabdeckung, die hier als Reflexschicht bezeichnet ist. Wie sich aus den beiden Kurven ersehen läßt, ist das Reflexionsvermögen wesentlich gesteigert. Die Strecken zwischen 100 % (1,0) und den Kurven stellen dabei die Absorption dar. Die Solarzellen-Schutzabdeckung mit der Reflexschicht 350 absorbiert somit, wie ohne weiteres ersichtlich, wesentlich weniger UV-Energie als die Schutzabdeckung mit dem Standard-350 nm-Filter. Das Reflexionsvermögen der Schutzabdeckung mit 350 nm Kantenfilter muß natürlich in diesem Bereich gegen die Kurve der spektralen Sonnenenergieverteilung gemessen werden.Figure 5 shows a comparison between the measured reflectivity a solar cell protective cover with standard 3 50 nm filter and the one designed according to the invention Solar cell protective cover, which is referred to here as a reflective layer. As you can see from the two curves the reflectivity is significantly increased. The distances between 100% (1.0) and the curves represent represents the absorption. The solar cell protective cover with the reflective layer 350 thus absorbs as easily clearly, significantly less UV energy than the protective cover with the standard 350 nm filter. The reflectivity the protective cover with 350 nm cut-off filter must of course in this area against the curve of the spectral Solar energy distribution can be measured.
Mit der Solarzellen-Schutzabdeckung mit Reflexschicht 350-Kantenfilter werden angenähert 4· % und in jedem Falle mehr als 3 % der auf die Solarzelle einfallenden Gesamtsonnenenergie zusätzlich reflektiert zu der an einer herkömmlichen Solarzellen-Schutzabdeckung reflektierten Energie, so daß von der insgesamt einfallenden Energie etwa 90 % reflektiert werden. Vermittels der Solarzellen-Schutzabdeckung mit Kantenfilter-Reflexschicht 350, welche eine 4 %-ige Steigerung der Reflexion der Gesamtenergie erbringt, absorbiert die Solarzelle 4 % weniger Wärme, wobei der Wirkungsgrad der Solarzelle gleichzeitig um angenähert 2 % zunimmt.With the solar cell protective cover with reflective layer 350 edge filter becomes approximately 4% and in any case more than 3% of the total solar energy incident on the solar cell in addition to the energy reflected on a conventional solar cell protective cover, so that 90% of the total incident energy is reflected. By means of the solar cell protective cover with Edge filter reflective layer 350, which is a 4% increase the reflection of the total energy yields, the solar cell absorbs 4% less heat, whereby the efficiency of the solar cell increases by approximately 2% at the same time.
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Beim Betrieb einer Solarzelle im Weltraum dürfte ihre Arbeitstemperatur um angenähert 4 0C abgesenkt sein. Im allgemeinen verändert sich der Wirkungsgrad einer Solarzelle um 1/2 % pro 0C, so daß in diesem Falle die Ausgangsleistung der Zelle um etwa 2 % höher liegt.When operating a solar cell in space, its working temperature should be reduced by approximately 4 ° C. In general, the efficiency of a solar cell changes by 1/2% per 0 C, so that in this case the output power of the cell is about 2% higher.
Der vorgeschlagene Mehrschichtenbelag ist auch einsetzbar in Verbindung mit absorbierenden Glasabdeckungen, die als Ultraviolettsperre eingesetzt werden. In diesem Falle wird der Viertelwellen-Mehrschichtenbelag auf der Außenseite der Glasabdeckung aufgebracht, um die Ultraviolettabsorption der Abdeckung zu verringern. Bei für Ultraviolettstrahlung durchlässigen Abdeckungen aus z.B. Quarzglas werden die Beläge auf der Innenseite der Abdeckung, d.h. auf der Seite der Haftmittel- oder Kittschicht aufgebracht.The proposed multilayer covering can also be used in conjunction with absorbent glass covers that are used as an ultraviolet barrier. In this case it will the quarter-wave multilayer coating is applied to the outside of the glass cover to reduce ultraviolet absorption to decrease the coverage. In the case of covers made of e.g. quartz glass that are permeable to ultraviolet radiation, the Coverings on the inside of the cover, i.e. on the side of the adhesive or putty layer.
Wie aus vorstehendem ersichtlich, ist durch besondere Wahl von Werkstoffen und Schichtdicken ein Dünnschicht-Interferenzbelag hohen Reflexionsvermögens im UV-Bereich des Spektrums (zwischen 250 nm und 350 nm) geschaffen worden, dessen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Einfallswinkel nicht beeinträchtigt sind. Der erfindungsgemäße Mehrschichtenbelag weist ein hoch reflektierendes Band auf, auf welches das Sonnenlicht zunächst auftrifft. Unterhalb der übereinander angeordneten Schichten befinden sich zusätzliche Schichten aus einem Werkstoff mit einem bei 350 nm einsetzenden und über 250 nm hinaus reichenden Absorptionsband.As can be seen from the above, a thin-film interference coating is created through a special choice of materials and layer thicknesses high reflectivity in the UV range of the spectrum (between 250 nm and 350 nm) has been created, its properties do not depend on the angle of incidence are impaired. The multilayer covering according to the invention has a highly reflective tape on which the sunlight hits first. Below the one above the other arranged layers there are additional layers made of a material with a starting at 350 nm and absorption band exceeding 250 nm.
Die im UV-Bereich erzielten Eigenschaften lassen sich selbstverständlich mit unterschiedlichen Werkstoffkombinationen auch in anderen Wellenlängenberexchen erzielen.The properties achieved in the UV range can of course be used with different material combinations also in other wavelength ranges.
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