DE2834161C2 - Silicon solar cell array - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Silizium-Solarzellenanordnung mit einem im wesentlichen aus Silizium bestehenden Zellenkörper, an dessen einer Oberfläche ein photoelektrisch wirksamer pn-übergang vorgesehen ist, über welchem ein Antireflexbelag, eine strahiungsdurchlässige Bindemittelschicht und eine strahlungsdurchlässige Schutzabdeckung angeordnet sind, wobei die Schutzabdeckung einen oberhalb der Bindemittelschicht angeordneten Kantenfilter trägt, der eine Schichtung von Materialien mit abwechselnd höherer und niedrigerer Brechzahl, welche einen wesentlichen Teil der Lichtenergie im ultravioletten Bereich und unterhalb einer bestimmten Kantenwellenlänge reflektiert, sowie mindestens eine aus absorbierendem Material bestehende Schicht aufweist, deren Absorptionsband bei annähernd der Kantenwellenlänge beginnt und sich zu kleineren Wellenlängen erstreckt.The invention relates to a silicon solar cell arrangement with a substantially silicon existing cell body, on one surface of which a photoelectrically effective pn junction is provided is, over which an anti-reflective coating, a radiation permeable Binder layer and a radiation-permeable protective cover are arranged, wherein the protective cover carries an edge filter arranged above the binder layer, the one Layering of materials with alternately higher and lower refractive indices, which have an essential Part of the light energy is reflected in the ultraviolet range and below a certain edge wavelength, and at least one layer made of absorbent material, the absorption band of which begins at approximately the edge wavelength and extends to smaller wavelengths.
Silizium-Solarzellenanordnungen dieser Gattung sind bereits aus der Literaturstelle H. A. Macleod »Thin-Film Optical Filters«. London 1969, Seiten 286 bis 291, insbesondere Seite 290, Fig. 11, 20 und Seite 291, Abs. 1. bekannt. Bestimmte dort vorgesehene Materialien weisen eine ausgesprochene Absorption für Strahlungen bei etwa 350 nm und kürzeren Wellenlängen auf. Wenn solche Materialien in optischen Filtern zur Reflexion bei längeren Wellenlängen als 350 nm benutzt werden, wirken diese zum größten Teil im Uliraviolcttbereich des Spektrums strahlungsabsorbicrend. Dies führt zu einer Erhitzung und bei Solarzellen bei einer Herabsetzung des elektrischen Nutzeffektes. Titandioxid und Cerdioxid sind Beispiele solcher absorbierender Matcralien.Silicon solar cell arrangements of this type are already from the reference H. A. Macleod "Thin-Film Optical Filters «. London 1969, pages 286 to 291, in particular page 290, Figs. 11, 20 and page 291, para. 1. known. Certain materials provided there show pronounced absorption for radiation at about 350 nm and shorter wavelengths. When such materials contribute to reflection in optical filters Longer wavelengths than 350 nm are used, these act for the most part in the Uliraviolcttbereich des Spectrum radiation-absorbing. This leads to a Heating and, in the case of solar cells, a reduction in the electrical efficiency. Titanium dioxide and ceria are examples of such absorbent materials.
Bei Solarzellen, wie sie in Weltraumsatelliten im Einsatz sind, bezweckt eine aus einem dünnen Glas- oder Quarzglasplältchcn von 150 bis etwa 1000 μπι Dicke bestehende Schutzabdeckung den Schutz der Silizium-Solarzellenanordnung gegen geladene Teilchen, wie z. B. in den Van Allcn-Gürteln vorkommende Protonen und Elektronen, und zugleich eine Anhebung des Emissionsvermögens der Solarzelle, so daß diese mehr Wärme abstrahlt und dadurch ihre Temperatur niedriger und ihr Wirkungsgrad bei der Umsetzung von Lichtstrahlung in Strom verbessert wird. Bei bekannten Solarzellen sind diese Abdeckungen durch ein Haftmittel mit der Zelle verkittet, das sich unter der Einwirkung von UV-Licht zersetzt bzw. seine Eigenschaften verändert oder verliert. Zur Vermeidung schädlicher Einflüsse dieser Art kann die Schutzabdeckung mit einem zum Sperren der schädlichen UV-Strahlung dienenden Dünnschichtfiltcr versehen sein, auch kann stattdessenIn solar cells as they are used in space satellites, a protective cover consisting of a thin glass or quartz glass plate from 150 to about 1000 μm thick aims to protect the silicon solar cell array against charged particles, such as. B. in the Van Allcn belts occurring protons and electrons, and at the same time an increase in the emissivity of the solar cell so that it emits more heat and thus its temperature is lower and its 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 harmful influences of this type, the protective cover can be provided with a thin-film filter which serves to block the harmful UV radiation, and can also be used instead
bo die gewünschte Sperrwirkung mit einer Glasabdeckung erreicht werden, die in diesem Spektralbereieh undurchlässig ist. Ein Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, daß die UV-Strahlung zwar nicht das Haftmittel erreicht, jedoch in der Zellenanordnung absorbiert wird.bo the desired barrier effect with a glass cover can be achieved that are opaque in this spectral range is. A disadvantage of this known solution is that the UV radiation is not the adhesive achieved, but is absorbed in the cell arrangement.
h1) Aufgrund dieser Absorption steigt die Temperatur der Sili/.iinn-.Soliir/L-llc an, wohei ihr Wirkungsgrad ;iufgruiid der Umsetzung des absorbieren IJV-Lichts in Wärme absinkt.h 1) Due to this absorption, the temperature of the Sili / .iinn-.Soliir / L-llc increases wohei their efficiency; iufgruiid the implementation of the absorbing IJV light-to-heat decreases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine So-Iarzellenanordnung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß der Kantenfilter bei möglichst geringer Absorption eine Belastung der Bindemittelschicht durch UV-Strahlung auch im Falle nicht senkrechten Strahlungseinfalls verhindert.The invention is based on the object of a solar cell arrangement of the type mentioned above to the effect that the edge filter at the lowest possible absorption exposure of the binder layer to UV radiation even in the case of no prevents vertical incidence of radiation.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöstThis object is achieved by the features of claim 1
Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Possibilities for an advantageous further embodiment of the invention are given in claims 2 to 7.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert In der Zeichnung istThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings, for example
F i g. 1 ein Querschnitt durch eine Silizium-Solarzellenanordnung, F i g. 1 shows a cross section through a silicon solar cell arrangement,
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Durchlässigkeit des Antireflexbelags der Solarzelle,F i g. 2 a graphical representation of the permeability of the anti-reflective coating of the solar cell,
F i g. 3 ei.ie graphische Darstellung der berechneten Werte von <E2> für die Schutzabdeckung mit einem 350 nm-Kantenfilter,F i g. 3 ei.ie graphical representation of the calculated values of <E 2 > for the protective cover with a 350 nm edge filter,
F i g. 4 eine graphische Darstellung der Kantenverlagerung einer Schutzabdeckung mit einem 350 ητι-Kanlenfilter für Einfallswinkel von 0,15,30,45 und 60°. undF i g. 4 is a graphic representation of the edge displacement a protective cover with a 350 ητι channel filter for angles of incidence of 0.15, 30.45 and 60 °. and
Fig.5 eine graphische Darstellung des Reflcxionsvermögens einer Silizium-Solarzellenanordnung, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, im Vergleich zu einer bekannten Schutzabdeckung mit einem 350 nm-Kantenfilter.Figure 5 is a graph of reflectivity a silicon solar cell arrangement which has the features according to the invention, in comparison to a known protective cover with a 350 nm edge filter.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt den Aufbau einer Silizium-Solarzellenanordnung. Die Solarzelle weist einen im wesentlichen aus Silizium mit einer Brechzahl von angenähert 3,5 bis 4 bestehenden Zellenkörper 11 mit einer ebenen Oberfläche 12 auf, an der in bekannter Weise ein (hier nicht dargestellter) photoelektrisch wirksamer pn-Übergang ausgebildet ist Nach der Ausbildung der Silizium-Solarzelle wird diese mit einem Antireflexbelag 13 versehen, der in bekannter Weise aus einer einzigen Schicht oder auch aus einem Zweischichten-Antireflexbelag bestehen kann, wie er in der DE-OS 27 01 284 der Anmelderin be.chrieben istFig. 1 shows in cross section the structure of a silicon solar cell arrangement. The solar cell has a substantially silicon with a refractive index of approximated 3.5 to 4 existing cell body 11 with a flat surface 12 on which in a known manner (not shown here) photoelectrically effective pn junction is formed after the formation of the silicon solar cell this is provided with an anti-reflective coating 13, which in a known manner from a single Layer or can consist of a two-layer anti-reflective coating, as described in DE-OS 27 01 284 Applicant is described
Die Solarzelle ist mit einer Schutzabdeckung 16 versehen, die aus einem für UV-Strahlung durchlässigen, dünnen Glas- oder Quarzplättchen mit einer Dicke von 150 bis 1000 μπι und einer Brechzahl von angenähert 1,45 bis 1,52 besteht. Die Schutzabdeckung 16 weist ebene, planparalleie Oberflächen 17 und J8 auf. Auf der einen, dem Strahlungseinfall abgewandten Oberfläche 17 der Schutzabdeckung 16 ist ein Kantenfilter 19 angeordnet, der eine Schichtung von Materialien mit abwechselnd höherer und niedriger Brechzahl, die einen wesentlichen Teil der Lichtenergie im ultravioletten Bereich und unterhalb einer bestimmten Kantenwellenlänge reflektiert sowie mindestens eine aus absorbierendem Material bestehende Schicht aufweist, deren Absorptionsband bei annähernd der Kantenwellenlänge beginnt und sich zu kleineren Wellenlängen erstreckt. Die andere, dem Strahlungscinfall zugewandte Oberfläche 18 der Schutzzabdeckung 16 ist mit einem Antireflexbelag 21 versehen.The solar cell is provided with a protective cover 16, which is made of a UV radiation permeable, thin glass or quartz flakes with a thickness of 150 to 1000 μm and a refractive index of approximated 1.45 to 1.52. The protective cover 16 has flat, plane-parallel surfaces 17 and J8. On the an edge filter 19 is arranged on a surface 17 of the protective cover 16 facing away from the incidence of radiation, the one layering of materials with alternately higher and lower refractive indices, the one essential part of the light energy in the ultraviolet range and below a certain edge wavelength reflected as well as having at least one layer consisting of absorbent material, the absorption band of which starts at approximately the edge wavelength and extends to smaller wavelengths. The other surface facing the incidence of radiation 18 of the protective cover 16 is provided with an anti-reflective coating 21.
Der Kantenfilter 19 reflektiert Licht oder Strahlung im Ultraviolettbereich zwischen angenähert 350 nm und 250 nm Wellenlänge. Mittels einer herkömmlichen strahlungsdurchlässigen Bindemittelschicht 22 ist die Schutzabdeckung 16 fest mit dem Zellenkörper 11 verbunden, so daß die erstgenannte, dem Strahlungseinfall abgewandte Oberfläche 17 der Schutzabdeckung 16 mit dem auf dieser ausgebildete.t Kantenfilter !9 dem photoelektrischen Übergangsbereich auf der Oberfläche 12 des Zellenkörpers 11 gegenüberliegt Das strahlungsdurchlässige Material der Bindemittelschicht 22 kann eine Brechzahl von angenähert 1,43 bis 13 aufweisen. Der Antireflexbelag 13 dient somit zur Anpassung des Silizium-ZeUenkörpers 11, dessen Brechzahl angenähert 4 beträgt, an die eine Brechzahl von angenähert 1,4 aufweisende Bindemittelschicht 22. Der Antireflexbelag 13 besteht vorzugsweise aus zwei Schichten, von denen die erste aus einem Werkstoff von hoher Brechzahl besteht, die unterhalb der Brechzahl von Silizium, nämlich im Bereich von 235 bis 2,4 liegt, aber 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 Bindemittels, aber niedriger als die der ersten Schicht und die wie in der bereits erwähnten DE-OS 27 01 284 in einen Bereich von 1,6 bis 1,7 fälltThe edge filter 19 reflects light or radiation in the ultraviolet range between approximately 350 nm and 250 nm wavelength. Using a conventional radiation-permeable binder layer 22, the protective cover 16 is firmly connected to the cell body 11, so that the first-mentioned surface 17 of the protective cover 16 facing away from the incidence of radiation the edge filter formed on this! 9 the photoelectric Transition area on the surface 12 of the cell body 11 is opposite the radiation-permeable The material of the binder layer 22 can have a refractive index of approximately 1.43 to 13. The anti-reflective coating 13 thus serves to adapt the silicon ZeUenkörpers 11, whose refractive index is approximated 4, to which the binder layer 22 has a refractive index of approximately 1.4. The anti-reflective coating 13 preferably consists of two layers, the first of which is made of a material with a high refractive index, which is below the refractive index of silicon, namely in the range from 235 to 2.4, but closer to that The refractive index of the silicon cell body is higher 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 binder, but lower than that of the first layer and which, as in DE-OS 27 01 284 already mentioned, falls in a range from 1.6 to 1.7
Der Antireflexbelag 21 ist von herkömmlicher Ausführung und kann aus einer Viertelweilen-Einfachschicht aus einem Werkstoff niedriger Brechzahl wie z. B. Magnesiumfluorid oder stattdessen iuch aus einem Antireflexbelag, wie er in der US-PS 31 85 G20 beschrieben ist. bestehen. Der Antireflexbelag 21 dient zur Anpassung der Brechzahl der Quarzglas-Schutzabdeckung 16 an die des Mediums auf der Strahlungseinfallsseite, das unter «jen Bedingungen des Weltraums ein Vakuum ist.The anti-reflective coating 21 is of conventional design and can consist of a single quarter-layer layer made of a material with a low refractive index such as B. Magnesium fluoride or instead iuch of one Anti-reflective coating, as described in US-PS 31 85 G20 is. exist. The anti-reflective coating 21 is used to adapt the refractive index of the quartz glass protective cover 16 to that of the medium on the radiation incidence side, which under the conditions of space is a vacuum is.
Der Kantenfilter 19 weist ein (nicht-absorbierendes) Band hohen Reflexionsvermögens im Ultraviolettbe-The edge filter 19 has a (non-absorbing) band of high reflectivity in the ultraviolet region
jo reich von annähernd 350 nm und darunter auf. Der Rand dieses Bandes zu längeren Wellenlängen hin ist praktisch winkelunempfindlich, d.h. unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung. Das wird erreicht durch einen etwas modifizierten Viertelwellen-Mehrschichtbelag, der für über 250 nm und unter 1200 nm liegende Wellenlängen praktisch absorptionsfrei ist. Der Mehrschichtbelag 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 2,0 bis 2,4. Als Werkstoff n'sdriger 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 der niedrigeren Brechzahl, wie nachstehend beschrieben, eine stärkere Kantenverlagerung ergibt, die bei einem von der senkrechten Strahlungseinfallsrichtungjo rich of approximately 350 nm and below. The edge of this band is towards longer wavelengths practically insensitive to angle, i.e. independent of the angle of incidence of the radiation. That is achieved through a slightly modified quarter-wave multilayer coating, the one for over 250 nm and under 1200 nm Wavelengths is practically absorption-free. The multi-layer covering consists of several layers of alternating a material with a low refractive index in the range from 1.4 to 1.7 and layers made from one material high refractive index in the range from 2.0 to 2.4. Quartz glass is preferably used as the material with a low refractive index with a refractive index of 1.4686 and, as a material with a high refractive index, tantalum pentoxide with a refractive index of 2.23 used. Instead of tantalum pentoxide can also Use zirconium oxide, however, this material is less advantageous than tantalum pentoxide because it is due to the lower refractive index, as described below, results in a greater edge displacement, which at one of the perpendicular direction of incidence of radiation
so abweichenden Einfallswinkel zu etwas höherer Absorption führt und zur Erzielung eines vorgegebenen Reflexionsvermcgens
eine größere Anzahl von Schichten im Mehrschichtbelag erforderlich macht. Als nicht-absorbierender
Werkstoff hoher Brechzahl läßt sich auch Hafniumoxid verwenden. Andere, für die nicht-absorbierenden
Werkstoffe niedriger Brechzahl geeignete Stoffe sind Siliziumdioxid, Siliziumsesquioxid, Magnesiumfluorid
und Saphir.
Bei der Auslegung jes Viertelwellen-Mehrschichten-An angle of incidence that differs in this way leads to somewhat higher absorption and makes a larger number of layers in the multilayer covering necessary to achieve a given reflectivity. Hafnium oxide can also be used as a non-absorbent material with a high refractive index. Other materials suitable for the non-absorbent materials with a low refractive index are silicon dioxide, silicon sesquioxide, magnesium fluoride and sapphire.
When designing each quarter-wave multilayer
bo belags für den Kantenfilter wird die Konstruktionswellenlänge
der Mitte des Mehrschichtenbelags so gewählt, daß der Rand des hohen Reflexionsbande.; 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.
Mit Tantalpentoxid hat sich gezeigt, daß dieses imbo lining for the edge filter, the construction wavelength of the center of the multilayer lining is chosen so that the edge of the high reflection band .; is at 350 nm and provides the high reflectivity desired. It is also possible to produce the filter from only two layers of high and low refractive index, although several pairs of layers are to be preferred in each case.
With tantalum pentoxide it has been shown that this im
Bereich von angenähert 200 nm bis 275 nm absorbiert. Wenn jedoch der Einfallswinkel der Sonncnnstrahlung 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 passieren kann, sofern dieser nicht zusätzliche Mittel zur Absorption von ggf. durch den Mehrschichtenbclag aus Schichten hoher und niedriger Brechzahlen hindurchtretender UV-Strahlung umfaßt. Zur Ausschaltung einer winkelabhängigen Verlagerung der Kantenwellenlängc werden wenigstens eine und vorzugsweise mehrere Schichten hoher Brechzahl des Viertelwcllen-Mehrschichtcnbelags auf der von der einfallenden Strahlung entfernten Seite des Mehrschichtenbelags durch einen Werkstoff wie z. B. Titanoxid ersetzt, der UV-Strahlung sperren, oder mit anderen Worten, absorbieren kann. Zu diesem Zweck gleichfalls geeignete Werkstoffe sind Titandioxid, Ccroxid und Zinnsulfid. 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 wer- a den. 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.Absorbs range from approximately 200 nm to 275 nm. However, if the angle of incidence of the 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 is shifted to a shorter wavelength or away from the 350 nm range to, for example, 325 nm. This results in the formation of a so-called window through which UV radiation can enter and pass the edge filter, provided that this does not include additional means for absorbing UV radiation that may possibly pass through the multilayer cover made of layers of high and low refractive indices. To eliminate an angle-dependent shift in the edge wavelengths, at least one and preferably several layers of high refractive index of the quarter-wave multilayer covering on the side of the multilayer covering remote from the incident radiation are replaced by a material such as, for. B. replaces titanium oxide, which can block UV radiation, or in other words, absorb it. Materials that are also suitable for this purpose are titanium dioxide, hydroxide and tin sulfide. This substitute material has the effect that radiation below approximately 350 nm, which is transmitted by a tilted edge filter, is absorbed in this layer and thus prevented from reaching and decomposing the adhesive or cement layer. Although a certain amount of heating is caused in this way, it is far less than that in known arrangements in which only titanium oxide is contained as a material with a high refractive index. In this context it is noted that solar cells are generally brought into such a position in which they advertising and not taken at right angles from the incident sunlight at an angle a to. 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 Mehrschichienbelag von typischem Aufbau angegeben, welcher aus siebzehn Schichten besteht, deren Reihenfolge vom Zcllenkörper 11 aus angegeben ist.In the following a multilayer covering is typical Structure specified, which consists of seventeen layers, the order of which depends on the cell body 11 is specified from.
4545
5050
6060
6565
Aus dem vorstehenden läßt sich ersehen, daß der Mehrschichtenbclag mil 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-Mehrschichtcnbe· lag aus Tantalpentoxid und Quarzglas ist bei etwa 284 nm zentriert und weist ein auf der Seite langer Wellenlängen bei 350 nm einsetzendes Reflexionsband auf. welches sich bis zum Absorptionsrand von TajO-, 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.It can be seen from the foregoing that the multilayer coating has a high refractive index layer begins and ends, 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 of which is to be achieved Goodness depends. The quarter-wave multilayer coating made of tantalum pentoxide and quartz glass is around 284 nm centered and has a reflection band beginning at 350 nm on the long wavelength side. which extends to the absorption edge of TajO-, at approximately 275 nm. Occurs due to absorption a rapid decrease in reflectance beyond 275 nm. Layers 3 and 5 are the UV absorption layers. The structure specified above can be modified within certain limits, the precise Values of the refractive index of the protective cover, the material costs and the desired degree of reflection can be made dependent.
Wenn für die stark Ultraviolettstrahlung reflektierenden Schichten Zirkondioxid und Quarzglas verwendet werden, sind zwei Mehrschichtenbeläge erforderlich, um den Durchtritt kurzer Wellenlängen zu verhindern, da der Absorplionsrand von Zirkondioxid bei einer zu kurzen Wellenlänge liegt und dadurch einen Lichtdurchtritt durch Absorption nicht einwandfrei ausschalten kann.If for the highly reflective ultraviolet rays Layers of zirconium dioxide and quartz glass are used, two multilayer coverings are required, in order to prevent the passage of short wavelengths, since the absorption edge of zirconium dioxide is too short wavelength and therefore does not properly switch off the passage of light through absorption can.
I η der grafischen Darstellung von Fig. 3 ist das in den Mchrschrchtenbelag eintretende elektrische Feld aufgetragen. Die Bezeichnungen der Schichten sind wie folgt:I η of the graph of FIG. 3 is that in FIG Applied electric field occurring. The names of the layers are as follows:
H=Ta2O,;
H'=Ti2Oj;
nicht markiert = SiO>.H = Ta 2 O;
H '= Ti 2 Oj;
not marked = SiO>.
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 Mehrschichtcnbelags ab. Bei Erreichen der Titanoxidschichten H1 hat die Beleuchtungsstärke auf nahezu Null abgenommen, so daß die Titanoxidschichlen. welche von der Unterlage aus gerechnet die dritte und die fünfte Schicht bilden, keine Ultraviolettstrahlung zu absorbieren brauchen.The graph shows the illuminance as a function of the filter depth. As can be seen from this, the illuminance decreases as the light passes through the various layers of the multilayer covering. When the titanium oxide layers H 1 are reached , the illuminance has decreased to almost zero, so that the titanium oxide layers. which, calculated from the base, form the third and fifth layers, do not need to absorb any ultraviolet radiation.
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 durchgelassenc 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 absorbiertIf the filter is tipped, it will no longer go off hit perpendicularly incident light, so that the edge shifts from 350 nm to shorter wavelengths and a small window is created. However, ultraviolet radiation is transmitted through this window absorbed by the third and fifth layers of titanium oxide. These layers are practically protective layers which prevent UV radiation from falling on the cement layer and being able to decompose it. Titanium oxide is suitable for this purpose as it is not angle-dependent and UV radiation below 350 nm by default absorbed
Selbstverständlich können nach Wunsch auch zusätzliche Titanoxidschichten zur Erzielung einer noch höheren Sperrwirkung vorgesehen sein. Dadurch steigen jedoch die Herstellungskosten für das Kantenfilter.Of course, if desired, additional titanium oxide layers can also be used to achieve an even higher one Locking effect can be provided. However, this increases the manufacturing costs for the edge filter.
In Fig.4 ist die Kantenverlagerung eines 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 is the edge displacement of an edge filter for the angles of incidence of 0, 15, 30, 45 and 60 ° shown where it can be seen from the curves that the amounts of the angle-related edge displacement are not are very big.
F i g. 5 zeigt einen Vergleich zwischen dem gemessenen Reflexionsvermögen einer Solarzellen-Schutzabdeckung mit Standard-350 nm-Filter und der erfindungsgemäß ausgebildeten Solarzellen-Schutzabdek-F i g. 5 shows a comparison between the measured reflectivity of a solar cell protective cover with standard 350 nm filter and the solar cell protective cover designed according to the invention
kung, die hier als Reflcxschicht 350 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 somi'. wie ohne weiteres ersichtlich, wesentlich weniger UV-Energie als die Schulzabdeckung mit dem Siandard-350 nm-Filter. Das Reflexionsvermögen der Schutzabdeckung mit 350 nm Kantenfilter muß natürlich in diesem Bereich gegen die Kurve der spektralen Sonnenenergieverteilung gemessen werden.kung, which is referred to here as reflective layer 350. As can be seen from the two curves, the reflectivity is significantly increased. The distances between 100% (1.0) and the curves represent the absorption The solar cell protective cover with the reflective layer 350 absorbs somi '. like without further ado can be seen, significantly less UV energy than the Schulz cover with the Sistandard 350 nm filter. That Reflectivity of the protective cover with 350 nm edge filter must of course in this area against the Curve of the spectral solar energy distribution can be measured.
Mit der Solarzellen-Schutzabdeckung mit reflektierendem 350 nm-Kantenfilter werden angenähert 4% und in jedem Falle mehr als 3% der auf die Solarzelle H einfallenden Gesamtsonnenenergie zusätzlich zu der an einer herkömmlichen Solarzellen-Schutzabdeckung reflektierten Energie reflektiert, so daß von der insgesamt einfallenden Energie etwa 90% reflektiert werden. Vermittels der Solarzellen-Schutzabdeckung mit Kantenfiltcr-Rcflcxionsschichl 350 nm, 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 350 nm cut-off filters are approximately 4% and in any case more than 3% of that on the solar cell H. total incident solar energy in addition to that reflected on a conventional solar cell protective cover Energy is reflected, so that about 90% of the total incident energy is reflected. Mediating the solar cell protective cover with edge filter rcflcxionsschichl 350 nm, which produces a 4% increase in the reflection of the total energy, is absorbed the solar cell heats 4% less, whereby the efficiency of the solar cell is approximated at the same time 2% increases.
Beim Betrieb einer Solarzelle im Weltraum dürfte ihre Arbeitstemperatur um angenähert 4°C abgesenkt sein. Im allgemeinen verändert sich der Wirkungsgrad einer Solarzelle um '/2% pro "C1 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 "C 1, so that in this case the output power of the cell is about 2% higher.
Der »'orgeschlagene Mehrschichtenbelag ist auch einsetzbar in Verbindung mit absorbierenden Glasabdekkungen, die als Ultraviolettsperre eingesetzt werden. In diesem Falle wird der Viertelwellen-Mehrschichtenbelag auf der Außenseite der Glasabdeckung aufgebracht, j5 um die Ultraviolettabsorption der Abdeckung zu verringern. Bei für Ultraviolettstrahlung durchlässigen AbuCCKüngcn äüS /.. D. v/iiän£gi<i5 Wcfucn uic Dciügc üüi der Innenseite der Abdeckung, d. h. auf der Seile der Haftmittel- oder Kittschicht aufgebracht.The proposed multi-layer covering can also be used in conjunction with absorbent glass covers, which are used as an ultraviolet barrier. In this case, the quarter-wave multilayer coating is applied to the outside of the glass cover in order to reduce the ultraviolet absorption of the cover. For ultraviolet radiation permeable AbuCCKüngcn äüS / .. D. v / iiän £ gi <i5 Wcfucn uic Dciügc üüi the inside of the cover, ie applied to the rope of the adhesive or cement layer.
Wie aus vorstehendem ersichtlich, ist durch besondere Wahl von Werkstoffen und Schichtdickcn ein Dünnschicht-Intcrfcrenzbelag hohen Rcflexionsvermögcns im UV-Bereich des Spektrums (zwischen 250 nm und 350 nm) geschaffen worden, dessen Eigenschaften in .es 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-layer interfacial surface 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), whose properties are in .es Dependence on the angle of incidence are not affected. 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 at 350 nm absorption band beginning and extending beyond 250 nm.
Die im UV-Bereich erzielten Eigenschaften lassen sich selbstverständlich mit unterschiedlichen Werkstoffkombinationen auch in anderen Welienlängenbereichen erzielen.The properties achieved in the UV range can of course be achieved with different material combinations also achieve in other wavelength ranges.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
ωFor this purpose 2 sheets of drawings
ω
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