RU2593821C1

RU2593821C1 - Photocell receiver-converter of laser radiation

Info

Publication number: RU2593821C1
Application number: RU2015103507/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Корнилов; Вячеслав Юрьевич Тугаенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: electricity; optical system.

SUBSTANCE: invention relates to designing of receivers-converters based on semiconductor photocells (PC). Photocell of a laser radiation receiver-converter comprises semiconductor alloyed and basic layers of p-type and n-type, a front strip ohmic contact on the front side of the photocell made in the form of alternating strips with constant spacing of strips Δ and width of strips b, a continuous ohmic contact on the rear side of the photocell and protective optical coating, on which there normally fall beams of laser with a wave length of λ₀; at that, the protective optical coating applied on the working surface of semiconductor with an absolute refraction index n is made by layers in the form of an antireflection coating with thickness δ, comparable with wavelength λ₃ in antireflection coating and with absolute refraction index n₃<n, connected through an adhesive layer with thickness d and with absolute refraction index n₂ with thermotaxic coating with thickness Η and with absolute refraction index n₁, wherein on the inner surface of the thermotaxic coating there are frontally made unsealed alternating grooves with constant pitch Δ and depth h<H, cross-section of which has the shape of an isosceles triangle with base b, aligned during imposition with width of strips of the strip ohmic contact of the photocell, and with apex angle of 2γ=2·arctg[b/(2·h)], while the planes of side faces of the grooves are made with maximum high coefficient of mirror reflection, wherein the photocell with layers of protective optical coating should comply with a certain ratio.

EFFECT: invention increases efficiency and specific values of photocurrent PET due to increased share of the absorbed radiation flux, which correspondingly increases the total number of photoelectrons and photoholes generated by radiation during a time unit at both sides of p-n junction, as well as due to increasing the path passed by radiation in the photoactive region of the photocell, which allows to reduce its thickness and thereby to increase the coefficient of collecting current carriers and to improve energy-mass indices of the receiver-converter.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ), действие которых основано на внутреннем фотоэффекте для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения (ЛИ) высокой плотности /1, с. 199/. Области применения такого преобразования - создание беспроводных систем дистанционного энергопитания для воздушных или космических объектов /2/.The invention relates to the field of creating receivers-converters based on semiconductor photocells (PV), the action of which is based on the internal photoelectric effect for converting electromagnetic energy of laser radiation (LI) of high density / 1, p. 199 /. The scope of such a transformation is the creation of wireless remote energy supply systems for air or space objects / 2 /.

Так, например, в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения (ЛИ). Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии. В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи концентрированного электромагнитного излучения (ЭМИ) /3/. При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.For example, in space technology, a number of new directions have been determined based on the use of laser radiation (LI). Among them, a very promising direction should be considered the transfer of energy to spacecraft (SC) using laser energy transfer systems. Currently, each spacecraft is equipped with its own electric energy generation system. However, there is an alternative way of energy supply, involving the use of centralized power plants and the transfer of energy to spacecraft-consumers using concentrated electromagnetic radiation (EMP) / 3 /. At the same time, it is possible to implement a centralized power supply scheme for both individual spacecraft and their groupings, which expands their functional capabilities and increases their resource.

Использование для передачи энергии монохроматического излучения лазера позволит поднять КПД приемников-преобразователей энергии, в сравнении с обычными солнечными батареями (СБ), где характерны спектральные потери энергии, что позволит снизить разогрев панелей фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Кроме того, использование ЛИ с высокой плотностью потока энергии позволяет снизить стоимость панелей в несколько раз и улучшить их массогабаритные показатели.The use of monochromatic laser radiation for energy transfer will allow increasing the efficiency of energy receiver-converters in comparison with conventional solar batteries (SB), where spectral energy losses are characteristic, which will reduce the heating of panels of photovoltaic converters (PEC). In addition, the use of LI with a high energy flux density allows to reduce the cost of panels several times and improve their overall dimensions.

Известны конструкции ФЭП с p-n-переходом, где электронно-дырочный переход в ФЭ создается легированием пластинки монокристаллического полупроводникового материала определенного типа проводимости примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Причем, чтобы предотвратить воздействие факторов космического пространства на ФЭ и сохранить время жизни неосновных носителей полупроводника и основные свойства p-n-перехода полупроводника, лицевую сторону ФЭП защищают специальным оптическим покрытием, представляющим сложную многослойную структуру из прозрачных материалов /4/. Защитные покрытия позволяют увеличить стойкость ФЭ и отдельных компонент их конструкции от воздействия различных факторов космического пространства - ионизирующего излучения и электромагнитного излучения Солнца /4/. В частности, увеличить стойкость к ультрафиолетовому излучению Солнца и облучению ядерными частицами /5, с. 205/. Так, в /6/ приводится конструкция фотоэлектрического модуля, выполненного на основе кремниевых ФЭП солнечного излучения. Конструкция фотоэлектрического модуля включает нижнее защитное покрытие, на котором с помощью скрепляющей полимерной пленки закреплены кремниевые солнечные элементы с антиотражающим просветляющим покрытием, и расположенное над лицевой поверхностью солнечных элементов верхнее защитное покрытие из оптически прозрачного стекла или полимерного материала, которое скреплено с солнечными элементами промежуточной пленкой из оптически прозрачного полимерного материала. В /7, с. 65/ приведена конструкция кремниевых ФЭП, выполненная в виде диодной структуры с p-n-переходом на лицевой стороне, токосъемными металлическими контактами к легированному слою в форме гребенки, сплошным тыльным контактом и просветляющим оптическим покрытием на лицевой (рабочей) стороне. Процесс изготовления ФЭП основан на диффузионном легировании полупроводника, с лицевой стороны фотоэлемента, фосфором /7, с. 127/, химическом осаждении никелевого контакта /7, с. 135/, избирательном травлении контактного рисунка и нанесении антиотражающего просветляющего покрытия.FEM designs with a pn junction are known, where the electron – hole transition in a photomultiplier is created by doping a plate of a single-crystal semiconductor material of a certain type of conductivity with an impurity, which ensures the creation of a surface layer with conductivity of the opposite type. Moreover, in order to prevent the influence of space factors on the FE and to preserve the lifetime of minority carriers of the semiconductor and the main properties of the pn junction of the semiconductor, the front side of the solar cells is protected by a special optical coating, which represents a complex multilayer structure of transparent materials / 4 /. Protective coatings can increase the durability of PV and individual components of their structure from the effects of various factors of outer space - ionizing radiation and electromagnetic radiation of the Sun / 4 /. In particular, to increase the resistance to ultraviolet radiation of the Sun and radiation by nuclear particles / 5, p. 205 /. So, in / 6 / the construction of a photovoltaic module made on the basis of silicon solar cells PEC is given. The design of the photovoltaic module includes a lower protective coating on which silicon solar cells with an anti-reflective antireflection coating are attached using a fastening polymer film, and an upper protective coating made of optically transparent glass or a polymer material that is bonded to the solar cells with an intermediate film of optically transparent polymeric material. B / 7, p. 65 / shows the design of silicon PECs made in the form of a diode structure with a pn junction on the front side, current collector metal contacts to the doped layer in the form of a comb, a solid back contact, and an antireflective optical coating on the front (working) side. The manufacturing process of the solar cells is based on the diffusion alloying of the semiconductor, on the front side of the photocell, phosphorus / 7, p. 127 /, chemical deposition of nickel contact / 7, p. 135 /, selectively etching the contact pattern and applying an antireflection antireflection coating.

Однако приведенные выше преобразователи солнечного излучения с полупроводниковыми, в частности кремниевыми, ФЭП эффективно преобразуют в электричество только небольшую часть излучения солнечного спектра. Они не обеспечивают высокий КПД преобразования даже в условиях концентрированного солнечного излучения /1, с. 118/. Конструкции ФЭП солнечных батарей имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока через p-n-переход. Это связано с тем, что солнечный свет не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. Известно, что электромагнитный спектр солнечного света охватывает широкий диапазон длин волн с различной энергией, включая гамма-лучи, ультрафиолетовые лучи, видимое и инфракрасное излучение, радиоволны, микроволны и др. Видимый спектр солнечного излучения - это лишь небольшой участок полного электромагнитного спектра, охватывающий длины волн от 380 до 760 нм /8/. Каждый полупроводниковый материал имеет свою химическую природу, и работа выхода электрона в каждом материале разная, т.е. для каждого материала фотоэлектрический эффект может наступать только при определенной частоте падающего света. Если энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны для данного материала, то фотоэффект не возникает, какой бы большой интенсивности ни был световой поток. В природе не существует материала, который смог бы одинаково эффективно преобразовывать весь диапазон спектра солнечного электромагнитного излучения в электрическую энергию. Данное обстоятельство осложняет также и подбор материалов для слоев оптического защитного покрытия используемого в конструкции солнечного фотоэлемента. Это вызвано тем, что можно подобрать, например, материал для просветляющего покрытия с коэффициентом отражения, равным нулю только для одной длины волны, для других длин волн коэффициент отражения будет отличен от нуля, что снижает эффективность преобразования солнечной энергии. А поскольку электрофизические характеристики неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптические свойства ФЭП зависят от длины волны падающего излучения, то очень сложно оптимально подобрать материалы и создать эффективный приемник-преобразователь на основе солнечной батареи, в отличие от ФЭП лазерного излучения с определенной длиной волны.However, the above converters of solar radiation with semiconductor, in particular silicon, photovoltaic cells effectively convert only a small part of the radiation of the solar spectrum into electricity. They do not provide high conversion efficiency even in conditions of concentrated solar radiation / 1, p. 118 /. The solar cell solar cell designs have a common drawback associated with the incomplete use of the solar radiation incident on the solar cells to create a photocurrent through the pn junction. This is due to the fact that sunlight is not monochromatic, but contains electromagnetic waves of various frequencies. It is known that the electromagnetic spectrum of sunlight covers a wide range of wavelengths with different energies, including gamma rays, ultraviolet rays, visible and infrared radiation, radio waves, microwaves, etc. The visible spectrum of solar radiation is just a small portion of the full electromagnetic spectrum, covering lengths waves from 380 to 760 nm / 8 /. Each semiconductor material has its own chemical nature, and the electron work function in each material is different, i.e. For each material, the photoelectric effect can occur only at a certain frequency of incident light. If the quantum energy is less than the band gap for a given material, then the photoelectric effect does not occur, no matter how high the intensity of the light flux. In nature, there is no material that could equally efficiently convert the entire range of the spectrum of solar electromagnetic radiation into electrical energy. This circumstance also complicates the selection of materials for the layers of the optical protective coating used in the construction of the solar photocell. This is because it is possible to choose, for example, a material for an antireflection coating with a reflection coefficient equal to zero for only one wavelength; for other wavelengths, the reflection coefficient will be nonzero, which reduces the efficiency of solar energy conversion. And since the electrophysical characteristics of the inhomogeneous semiconductor structure, as well as the optical properties of the solar cells, depend on the wavelength of the incident radiation, it is very difficult to optimally select the materials and create an effective receiver-converter based on the solar battery, in contrast to the solar cells with a certain wavelength.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения, приведенный в /9/. Фотоэлемент содержит полупроводниковые легированный и базовый слои p-типа и n-типа, выращенные на полупроводниковой подложке, полосковый фронтальный омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитное оптическое покрытие на лицевой стороне фотоэлемента. В предложенной конструкции ФЭ происходит огибание электромагнитными волнами контактных полосок, образующих дифракционную решетку, и проникновение лазерного излучения в область геометрической тени.The closest in technical essence and the achieved result is the photocell of the receiver-converter of laser radiation, given in / 9 /. The photocell contains doped and base p-type and n-type semiconductor layers grown on a semiconductor substrate, a strip frontal ohmic contact on the front side of the photocell, made in the form of alternating strips with a constant strip pitch Δ and strip width b, a continuous ohmic contact on the back side photocell and protective optical coating on the front side of the photocell. In the proposed PV design, electromagnetic waves bend around the contact strips that form the diffraction grating, and the laser radiation penetrates into the geometric shadow region.

К недостаткам предложенного технического решения следует отнести усложнение конструкции ФЭ, обусловленное сложностью технологических процессов формирования контактных полосок, образующих дифракционную решетку на их основе, и, как следствие, - увеличение стоимости и удорожание генерируемого фотоэлектричества.The disadvantages of the proposed technical solution include the complication of the PV design, due to the complexity of the technological processes for the formation of contact strips forming a diffraction grating based on them, and, as a result, the increase in the cost and cost of generated photoelectricity.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности преобразования энергии лазерного излучения в электроэнергию.The objective of the invention is to increase the efficiency of conversion of laser radiation energy into electricity.

Поставленная задача достигается тем, что фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения, содержащий полупроводниковые легированный и базовый слои р-типа и n-типа, фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента и защитного оптического покрытия, на которое нормально падают лучи лазера с длиной волны λ₀, причем защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия, толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием, толщиной Н и с абсолютным показателем преломления n₁, причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)], а плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения, причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия должен отвечать соотношениюThis object is achieved by the fact that the photocell of the laser radiation receiver-transducer, containing semiconductor doped and base layers of p-type and n-type, a front strip ohmic contact on the front side of the photocell, is made in the form of alternating strips with a constant stripe pitch Δ and strip width b , continuous ohmic contact on the back side of the photocell and a protective optical coating to which normally fall laser beams with a wavelength of λ _0, wherein the optical protective coating on pa ochuyu semiconductor surface with absolute refractive index n, holds the layers of the antireflective coating thickness δ, commensurate with the length λ ₃ wave antireflective coating and with absolute refractive index n ₃ <n, connected via the adhesive layer, d thick and with an absolute refractive index n ₂ , with a heat-regulating coating, thickness H and with an absolute refractive index of n ₁ , moreover, on the inner surface of the heat-regulating coating are frontally leaky alternating grooves with a constant pitch ohm Δ and depth h <H, the cross-section of which has the shape of an isosceles triangle with the base b coinciding when superimposed with the strip width of the strip ohmic contact of the photocell and with the angle at the apex 2γ = 2 · arctg [b / (2 · h)], and the planes of the side faces of the grooves are made with the highest possible specular reflection coefficient, and the photocell with the layers of a protective optical coating should correspond to the ratio

где α₀ - угол полного внутреннего отражения луча лазера от боковой грани канавки;where α ₀ is the angle of total internal reflection of the laser beam from the side face of the groove;

L - максимальное отклонение луча лазера при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяемое из выраженияL is the maximum deviation of the laser beam when passing through the layers of a protective optical coating, determined from the expression

Повышение эффективности преобразования интенсивных потоков ЛИ в предлагаемой конструкции ФЭ с многослойным защитным оптическим покрытием основано на явлении полного внутреннего отражения лучей лазера на границе двух сред с разной оптической плотностью в соответствии с законами геометрической оптики /10, с. 562/. При падении лучей лазера на боковые грани канавок, выполненных в слое теплорегулирующего покрытия, происходит полное внутреннее отражение лучей на рабочую поверхность ФЭ между соседними контактными полосками. Это приводит к увеличению длины пути проходимого излучением в фотоэлементе и позволяет снизить потери на прохождение лазерного излучения в основной полосе поглощения. Увеличение доли поглощенного лучистого потока приводит к увеличению общего количества фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых лазерным излучением в единицу времени по обе стороны от p-n-перехода. Для фотоэлемента характерна возможность генерации носителей заряда практически во всем объеме фотоактивной области благодаря возможности проникновения части отраженных лучей лазера в область геометрической тени за контактными полосками. Таким образом, рост функции генерации в базовой области, повышение эффективности преобразования электромагнитного излучения лазера приводит к повышению КПД в предлагаемой конструкции фотоэлемента в реальных условиях эксплуатации по сравнению с известными конструкциями.The increase in the conversion efficiency of intense LI flows in the proposed PV design with a multilayer protective optical coating is based on the phenomenon of total internal reflection of laser beams at the interface of two media with different optical densities in accordance with the laws of geometric optics / 10, p. 562 /. When laser beams fall on the side faces of grooves made in a layer of heat-regulating coating, there is a complete internal reflection of the beams on the working surface of the PV between adjacent contact strips. This leads to an increase in the path length traveled by the radiation in the photocell and allows to reduce the loss on the passage of laser radiation in the main absorption band. An increase in the fraction of absorbed radiant flux leads to an increase in the total number of photoelectrons and photoholes created by laser radiation per unit time on both sides of the pn junction. A photocell is characterized by the possibility of generating charge carriers in almost the entire volume of the photoactive region due to the possibility of penetration of a part of the reflected laser beams into the geometric shadow region behind the contact strips. Thus, an increase in the generation function in the base region, an increase in the conversion efficiency of the electromagnetic radiation of the laser, leads to an increase in the efficiency in the proposed design of the solar cell in real operating conditions in comparison with the known designs.

Суть предлагаемого изобретения поясняется рисунками на фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображено исполнение полупроводникового фотоэлемента с p-n-переходом и с многослойным защитным оптическим покрытием. На фиг. 2 на выносном элементе более детально показано поперечное сечение канавки в теплорегулирующем покрытии и положение ее относительно полоски полоскового омического контакта. На фиг. 3 приведен фрагмент фотоэлемента поясняющий вывод соотношений (1) и (2).The essence of the invention is illustrated by the drawings in FIG. 1-3. In FIG. 1 schematically shows the design of a semiconductor photocell with a pn junction and with a multilayer protective optical coating. In FIG. 2 on the extension element, the cross section of the groove in the heat-regulating coating and its position relative to the strip of the strip ohmic contact are shown in more detail. In FIG. Figure 3 shows a fragment of a photocell explaining the derivation of relations (1) and (2).

На фиг. 1-3 изображено:In FIG. 1-3 shows:

1 - легированный слой;1 - alloyed layer;

2 - базовый слой;2 - base layer;

3 - p-n-переход;3 - p-n junction;

4 - полупроводниковая подложка;4 - semiconductor substrate;

5 - полосковый омический контакт (ПОК);5 - strip ohmic contact (POK);

6 - сплошной омический контакт (СОК);6 - continuous ohmic contact (SOK);

7 - луч лазера;7 - a laser beam;

8 - рабочая поверхность;8 - working surface;

9 - просветляющее покрытие (ПРП);9 - antireflection coating (PRP);

10 - клеевой слой;10 - adhesive layer;

11 - теплорегулирующее покрытие (ТРП);11 - heat-regulating coating (TRP);

12 - канавка;12 - groove;

13 - боковая грань.13 is a side face.

Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения содержит полупроводниковые легированный слой 1, например р-типа, и базовый слой 2, например n-типа, с p-n-переходом 3, полупроводниковую подложку 4, фронтальный полосковый омический контакт 5 с лицевой стороны фотоэлемента, выполненный в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ и шириной полос b, сплошной омический контакт 6 с тыльной стороны фотоэлемента и защитное оптическое покрытие, на которое нормально падают лучи лазера 7 с длиной волны λ₀. Причем защитное оптическое покрытие, нанесенное на рабочую поверхность 8 полупроводника с абсолютным показателем преломления n, выполнено слоями в виде просветляющего покрытия 9 толщиной δ, соизмеримой с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии и с абсолютным показателем преломления n₃<n, соединенного через клеевой слой 10, толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, с теплорегулирующим покрытием 11, толщиной Η и с абсолютным показателем преломления n₁. Причем на внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия 11 выполнены фронтально негерметичные чередующиеся канавки 12, с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, поперечное сечение которых имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта 5 фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]. Плоскости боковых граней 13 канавок 12 выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Причем фотоэлемент со слоями защитного оптического покрытия выполнен так, что отвечает соотношению (1)The photocell of the laser radiation receiver-converter contains a semiconductor doped layer 1, for example, p-type, and a base layer 2, for example, n-type, with pn junction 3, a semiconductor substrate 4, a frontal strip ohmic contact 5 on the front of the photocell, made in the form alternating strips with a constant stripe pitch Δ and stripe width b, continuous ohmic contact 6 on the back of the photocell and a protective optical coating onto which the beams of laser 7 with a wavelength of λ ₀ normally fall. Moreover, the protective optical coating deposited on the working surface 8 of the semiconductor with an absolute refractive index n is made in layers in the form of an antireflection coating 9 of thickness δ, comparable with the wavelength λ ₃ in the antireflection coating and with an absolute refractive index n ₃ <n, connected through an adhesive layer 10, thickness d and with an absolute refractive index n ₂ , with a heat-regulating coating 11, thickness толщиной and with an absolute refractive index n ₁ . Moreover, on the inner surface of the heat-regulating coating 11, frontally leaking alternating grooves 12 are made with a constant pitch Δ and depth h <Н, the cross section of which looks like an isosceles triangle with a base b matching with the strip width of the strip ohmic contact 5 of the photocell, and with an angle at the vertex 2γ = 2 · arctan [b / (2 · h)]. The planes of the side faces 13 of the grooves 12 are made with the highest possible coefficient of specular reflection. Moreover, the photocell with the layers of a protective optical coating is made in such a way that corresponds to the relation (1)

(0<γ≤(90°-α₀))∧((L+b/2)<Δ),(0 <γ≤ (90 ° -α ₀ )) ∧ ((L + b / 2) <Δ),

где α₀ - угол полного внутреннего отражения луча лазера 7 от боковой грани 13 канавки 12;where α ₀ is the angle of total internal reflection of the laser beam 7 from the side face 13 of the groove 12;

L - максимальное отклонение луча лазера 7 при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяемое из выражения (2)L is the maximum deviation of the laser beam 7 when passing through the layers of a protective optical coating, determined from the expression (2)

L=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)· sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)· sin(2γ)]}.L = b / (1-tg ² γ) + d · tg {arcsin [(n ₁ / n ₂ ) · sin (2γ)]} + δ · tg {arcsin [(n ₁ / n ₃ ) · sin (2γ )]}.

Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения работает следующим образом.The photocell of the receiver-converter of laser radiation operates as follows.

С лицевой стороны на защитное оптическое покрытие фотоэлемента нормально падают лучи лазера 7 с длиной волны λ₀.From the front side, the rays of the laser 7 with a wavelength of λ ₀ are normally incident on the protective optical coating of the photocell.

Одна часть потока излучения лазера, без помех от полоскового омического контакта 5, проходит через прозрачные слои защитного оптического покрытия, состоящие из теплорегулирующего покрытия 11, толщиной Н и с абсолютным показателем преломления n₁, клеевого слоя 10 толщиной d и с абсолютным показателем преломления n₂, просветляющего покрытия 9 толщиной δ и с абсолютным показателем преломления n₃. Далее лучи лазера 7 падают на рабочую поверхность 8 полупроводника ФЭ, выполненного из материала с абсолютным показателем преломления n>n₃.One part of the laser radiation flux, without interference from the strip ohmic contact 5, passes through the transparent layers of the protective optical coating, consisting of a heat-regulating coating 11, thickness H and with an absolute refractive index n ₁ , an adhesive layer 10 of thickness d and with an absolute refractive index n ₂ , antireflection coatings 9 of thickness δ and with an absolute refractive index of n ₃ . Next, the rays of the laser 7 fall on the working surface 8 of the semiconductor PV made of a material with an absolute refractive index n> n ₃ .

Другая часть потока лазерного излучения, пропорциональная площади затенения ФЭ полосковыми омическими контактами 5, в виде плоской волны падает на плоские границы раздела двух сред, образованные боковыми гранями 13 канавок 12. Причем канавки 12, чередующиеся с постоянным шагом Δ и глубиной h<Н, в поперечном сечении имеют вид равнобедренного треугольника с основанием b, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта 5 фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]. Лучи лазера 7 проходят в прозрачном теплорегулирующем покрытии 11 и под углом (90°-γ) падают на боковые грани 13 канавок 12, причем плоскости боковых граней 13 канавок 12 выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. В рабочих условиях внутренние полости канавок 12 негерметичны и заполнены воздухом, в случае наземного применения ФЭ, или вакуумом, в случае космического применения. В результате при падении плоского фронта волны ЛИ из оптически более плотной среды, каковой является теплорегулирующее покрытие 11, на плоскую границу двух сред - боковые грани 13 - происходит полное внутреннее отражение лучей лазера 7 от оптически менее плотной среды, при которой преломление отсутствует, а интенсивность отраженных лучей лазера 7 практически равна интенсивности падающих. Причем угол γ выбран из условия полного внутреннего отражения лучей лазера 7, что следует из левой части соотношения (1) 0<γ≤(90°-α₀), где α₀ - минимальный угол падения луча лазера 7 на боковые грани 13 канавок 12, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения. Отраженные от боковой грани 13 лучи лазера 7 проходят теплорегулирующее покрытие 11 и под углом 2γ падают на границу раздела с клеевым слоем 10. Причем материал клеевого слоя 10 подбирают так, чтобы лучи лазера 7 переходили в среду близкую по оптической плотности. Далее лучи лазера 7 под углом α₂ падают на просветляющее покрытие 9, толщина которого δ соизмерима с длиной волны λ₃ в просветляющем покрытии 9 и с углом преломления α₃, равным углу падения лучей лазера 7 на рабочую поверхность 8 полупроводниковой структуры, что увеличивает длину пути, проходимую излучением в фотоактивной области фотоэлемента. В результате интерференции когерентных лучей лазера 7 с длиной волны λ₂ в клеевом слое 10, падающих на просветляющее покрытие 9 и отражаемых от передней и задней границ просветляющего покрытия 9, происходит взаимное «гашение» отраженных волн и усиление интенсивности проходящих волн к рабочей поверхности 8 между соседними полосками полоскового омического контакта 5. Причем взаимное «гашение» отраженных волн и усиление интенсивности проходящих волн при интерференции лучей лазера 7 будет тем сильнее, чем больше разность n-n₃, но в любом случае должно выполняться условие n>n₃ /10, с. 590/. Таким образом, отраженные от боковых граней 13 лучи лазера 7 проходят слои защитного оптического покрытия и падают под углом α₃ на рабочую поверхность 8 полупроводниковой структуры фотоэлемента. Причем максимальное суммарное отклонение L лучей лазера 7, определяемое выражением (2), имеет ограничение. А именно при отражении лучи лазера 7 должны падать на рабочую поверхность 8 между соседними полосками полоскового омического контакта 5. Данное условие отражено в правой части соотношения (1) (L+b/2)≤Δ.Another part of the laser radiation flux, proportional to the area of the PV shading by the ohmic strip contacts 5, in the form of a plane wave falls on the plane interfaces of two media formed by the side faces 13 of the grooves 12. Moreover, the grooves 12, alternating with a constant pitch Δ and depth h <Н, in the cross section have the shape of an isosceles triangle with the base b coinciding when superimposed with the strip width of the strip ohmic contact 5 of the photocell, and with the angle at the apex 2γ = 2 · arctg [b / (2 · h)]. The laser beams 7 pass in a transparent heat-regulating coating 11 and at an angle (90 ° -γ) fall on the side faces 13 of the grooves 12, and the planes of the side faces 13 of the grooves 12 are made with the highest possible specular reflection coefficient. Under operating conditions, the internal cavities of the grooves 12 are leaky and filled with air, in the case of ground-based use of PV, or vacuum, in the case of space-based applications. As a result, when a plane front of an LI wave falls from an optically denser medium, such as a heat-regulating coating 11, onto a flat boundary of two media — side faces 13 — there is a complete internal reflection of the laser 7 from an optically less dense medium, in which there is no refraction, and the intensity the reflected rays of the laser 7 is almost equal to the intensity of the incident. Moreover, the angle γ is selected from the condition of total internal reflection of the rays of the laser 7, which follows from the left side of the relation (1) 0 <γ≤ (90 ° -α ₀ ), where α ₀ is the minimum angle of incidence of the laser beam 7 on the lateral faces of 13 grooves 12 starting from which the phenomenon of total internal reflection occurs. The rays of the laser 7 reflected from the lateral face 13 pass the heat-regulating coating 11 and at an angle of 2γ fall on the interface with the adhesive layer 10. Moreover, the material of the adhesive layer 10 is selected so that the rays of the laser 7 pass into a medium that is close in optical density. Further, the rays of the laser 7 at an angle α ₂ fall on the antireflection coating 9, the thickness of which δ is comparable with the wavelength λ ₃ in the antireflection coating 9 and with a refraction angle α ₃ equal to the angle of incidence of the rays of the laser 7 on the working surface 8 of the semiconductor structure, which increases the length paths traveled by radiation in the photoactive region of the photocell. As a result of interference of coherent beams of a laser 7 with a wavelength of λ ₂ in the adhesive layer 10 incident on the antireflective coating 9 and reflected from the front and rear boundaries of the antireflection coating 9, mutual “damping” of the reflected waves and an increase in the intensity of transmitted waves to the working surface 8 between adjacent strips of the strip ohmic contact 5. Moreover, the mutual "damping" of the reflected waves and the amplification of the intensity of the transmitted waves during the interference of the laser beams 7 will be the stronger, the greater the difference nn ₃ , but in any case must satisfy the condition n> n _3/10, p. 590 /. Thus, the rays of the laser 7 reflected from the side faces 13 pass through the layers of the protective optical coating and fall at an angle α ₃ on the working surface 8 of the semiconductor structure of the solar cell. Moreover, the maximum total deviation L of the laser beams 7, defined by expression (2), has a limitation. Namely, when reflected, the rays of the laser 7 should fall on the working surface 8 between adjacent strips of the strip ohmic contact 5. This condition is reflected on the right side of the relation (1) (L + b / 2) ≤Δ.

Таким образом, обе части потока лазерного излучения, нормально падающего с лицевой стороны фотоэлемента на защитное оптическое покрытие, пройдя его прозрачные слои, входят внутрь полупроводника фотоэлемента, в его фотоактивную область. Причем одна часть лучей лазера 7 входит нормально, а другая - под углом к плоскости p-n-перехода 3, что приводит к увеличению длины его пути в фотоактивной области и более равномерному распределению энергии ЭМИ по объему фотоактивной области полупроводника. Происходит активное поглощение фотонов с максимальным коэффициентом поглощения ЭМИ благодаря соответствующему подбору полупроводникового материала для данной длины волны лазерного излучения. Фотоактивное поглощение сопровождается образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Неравновесные носители заряда, собранные к p-n-переходу 3, благодаря наличию контактной разности потенциалов разделяются на нем: неосновные носители свободно проходят через p-n-переход 3, а основные задерживаются. Например, при выполнении легированного слоя 1 p-типа и базового слоя 2 n-типа электроны переходят из легированного слоя 1 в базовый слой 2 и далее через полупроводниковую подложку 4 к сплошному омическому контакту 6, а дырки - в противоположном направлении. Таким образом, под действием разности потенциалов (фото-ЭДС) во внешней замкнутой цепи проходит ток, направленный от полоскового омического контакта 5 к сплошному омическому контакту 6.Thus, both parts of the laser radiation flux normally incident from the front of the photocell onto the protective optical coating, passing through its transparent layers, enter the photocell's semiconductor into its photoactive region. Moreover, one part of the rays of the laser 7 enters normally, and the other at an angle to the plane of the pn junction 3, which leads to an increase in its path length in the photoactive region and a more uniform distribution of EMR energy over the volume of the photoactive region of the semiconductor. Active absorption of photons with a maximum absorption coefficient of electromagnetic radiation occurs due to the appropriate selection of semiconductor material for a given wavelength of laser radiation. Photoactive absorption is accompanied by the formation of electron-hole pairs and the appearance of excess charge carriers. Nonequilibrium charge carriers assembled to the pn junction 3, due to the presence of the contact potential difference, are separated on it: minority carriers freely pass through the pn junction 3, while the main ones are delayed. For example, when a p-type doped layer 1 and an n-type base layer 2 are made, the electrons pass from the doped layer 1 to the base layer 2 and then through the semiconductor substrate 4 to the continuous ohmic contact 6, and the holes in the opposite direction. Thus, under the influence of the potential difference (photo-emf) in the external closed circuit, current flows from the strip ohmic contact 5 to the continuous ohmic contact 6.

Приведем пример конкретного выполнения фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения.We give an example of a specific implementation of the photocell of the receiver-converter of laser radiation.

Положим, что с лицевой стороны фотоэлемента с защитным оптическим покрытием падает нормально монохроматическое электромагнитное излучение лазера с длиной волны λ₀=0,8 мкм. В качестве полупроводникового материала выбираем GaAs как материал, имеющий наивысший показатель поглощения, для данной длины волны лазера, в сравнении с другими полупроводниками /1, с. 93/. Положим, что фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения содержит эпитаксиальные полупроводниковые слои p-типа (легированный слой) и n-типа (базовый слой) толщиной 1,0 мкм и 3,0 мкм, соответственно, на полупроводниковой подложке из n-GaAs. Положим, что фронтальный полосковый омический контакт на лицевой стороне фотоэлемента выполнен из металла на основе золота в виде чередующихся полосок с постоянным шагом полос Δ=100 мкм и шириной полос b=20 мкм. Сплошной омический контакт на тыльной стороне фотоэлемента, положим, выполнен также на основе Au. Защитное оптическое покрытие, закрывающее рабочую поверхность полупроводника из GaAs с абсолютным показателем преломления n=3,3 /11, с. 155/, выполнено слоями. Слой просветляющего покрытия выполняем в виде однослойной пленки из ZnS с оптической толщиной δ, соизмеримой с длиной волны в просветляющем покрытии, и с абсолютным показателем преломления n₃=2,3 /5, с. 210/, удовлетворяющим условию n₃<n. Причем лучи лазера, падающие на просветляющее покрытие под углом α₂, преломляются в просветляющем покрытии с углом преломления α₃, равным углу падения лучей лазера на рабочую поверхность полупроводниковой структуры, что увеличивает длину пути, проходимую излучением в фотоактивной области фотоэлемента. Просветляющее покрытие соединено через клеевой слой с теплорегулирующим покрытием. Клеевой слой примем толщиной d=40 мкм. В качестве клеевого состава примем, например, прозрачный кремнийорганический каучук, сохраняющий высокую эластичность до весьма низких температур и обладающий большой стойкостью к ультрафиолетовому излучению /5, с. 209/, с абсолютным показателем преломления n₂=1,5 /5, с. 208/. Причем материал просветляющего покрытия из ZnS и его оптическую толщину δ подбирали из условия минимальности отражения лучей лазера от рабочей поверхности полупроводниковой структуры из GaAs /10, с. 590/. Так, в данном примере абсолютный показатель преломления n₃ для ZnS удовлетворяет требуемому соотношению n₃=(n₂·n)^1/2=(1,5·3,3)^1/2≈2,3, a δ определим из δ=λ₀/(4·n₃)=0,8/(4·2,3)≈0,09 мкм. Теплорегулирующее покрытие выполняем в виде защитной стеклянной пластины толщиной Η=500 мкм и с абсолютным показателем преломления n₁=1,5 /5, с. 210/. Стеклянная пластина обладает высокими теплорегулирующими свойствами, предохраняет фотоэлементы от температурного перегрева за счет увеличения интегрального коэффициента собственного теплового излучения поверхности ε_T ⁿ /12, с. 787/. Кроме того, обладая высокой пропускной способностью (например, стекло К-208 /4, с. 8/), стеклянная пластина эффективно защищает полупроводниковую структуру на основе GaAs от воздействия космического излучения /4, с. 3/. На внутренней поверхности теплорегулирующего покрытия выполняем фронтально негерметичные чередующиеся канавки, с постоянным шагом Δ=100 мкм и глубиной h=50 мкм, причем выполняется условие h<Н. Внутренние полости канавок выполнены негерметичными, что позволяет снять напряжение в защитном оптическом покрытии ФЭ от давления газов в этих полостях при работе приемника-преобразователя в космическом пространстве. Поперечное сечение каждой канавки имеет вид равнобедренного треугольника с основанием b=20 мкм, совпадающим при наложении с шириной полосок полоскового омического контакта фотоэлемента, и с углом при вершине 2γ=2·arctg[b/(2·h)]=2·arctg[20/(2·50)]=22,6°. Причем плоскости боковых граней канавок выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. Поскольку в рабочих условиях внутренние полости канавок выполнены негерметичными и заполнены воздухом, в случае наземного применения ФЭ, или вакуумом, в случае космического применения, то абсолютный показатель преломления среды во внутренней полости канавки принят равным единице. Угол полного внутреннего отражения луча лазера от боковой грани канавки в соотношении (1), в соответствии с законом преломления, определим из выражения /10, с. 562/ α₀=arcsin(1/n₁)=arcsin(1/1,5)=41,8°. Максимальное отклонение отраженного луча лазера в соотношении (1), при прохождении слоев защитного оптического покрытия, определяем из выражения (2)We assume that normally monochromatic electromagnetic radiation of a laser with a wavelength of λ ₀ = 0.8 μm is incident from the front side of a photocell with a protective optical coating. As the semiconductor material, we select GaAs as the material having the highest absorption coefficient for a given laser wavelength, in comparison with other semiconductors / 1, p. 93 /. Let us assume that the photocell of the laser radiation receiver / converter contains p-type epitaxial semiconductor layers (doped layer) and n-type epitaxial layers (base layer) 1.0 μm and 3.0 μm thick, respectively, on a n-GaAs semiconductor substrate. We assume that the frontal strip ohmic contact on the front side of the photocell is made of metal based on gold in the form of alternating strips with a constant stripe pitch Δ = 100 μm and a strip width b = 20 μm. A continuous ohmic contact on the back of the photocell, let us assume, is also made on the basis of Au. A protective optical coating covering the working surface of a GaAs semiconductor with an absolute refractive index of n = 3.3 / 11, s. 155 /, made in layers. The antireflection coating layer is performed in the form of a single-layer ZnS film with an optical thickness of δ, comparable with the wavelength in the antireflection coating, and with an absolute refractive index of n ₃ = 2.3 / 5, s. 210 / satisfying the condition n ₃ <n. Moreover, the laser rays incident on the antireflection coating at an angle α ₂ are refracted in the antireflection coating with an angle of refraction α ₃ equal to the angle of incidence of the laser rays on the working surface of the semiconductor structure, which increases the path length traveled by the radiation in the photoactive region of the photocell. The antireflection coating is connected through an adhesive layer with a heat-regulating coating. The adhesive layer is taken with a thickness of d = 40 μm. As the adhesive composition, we will take, for example, transparent silicone rubber, which retains high elasticity to very low temperatures and has great resistance to ultraviolet radiation / 5, p. 209 /, with an absolute refractive index of n ₂ = 1.5 / 5, s. 208 /. Moreover, the material of the antireflection coating of ZnS and its optical thickness δ were selected from the condition that the reflection of the laser beams from the working surface of the GaAs / 10 semiconductor structure was minimized, s. 590 /. So, in this example, the absolute refractive index n ₃ for ZnS satisfies the required relation n ₃ = (n ₂ · n) ^1/2 = (1.5 · 3.3) ^1/2 ≈2.3, and δ is determined from δ = λ ₀ / (4 · n ₃ ) = 0.8 / (4 · 2.3) ≈0.09 μm. The heat-regulating coating is performed in the form of a protective glass plate with a thickness of Η = 500 μm and with an absolute refractive index of n ₁ = 1.5 / 5, s. 210 /. The glass plate has high heat-regulating properties, protects the photocells from temperature overheating by increasing the integral coefficient of intrinsic thermal radiation of the surface ε _T ⁿ / 12, s. 787 /. In addition, having a high throughput (for example, K-208/4 glass, p. 8 /), the glass plate effectively protects the GaAs-based semiconductor structure from cosmic radiation / 4, p. 3 /. On the inner surface of the heat-regulating coating, we perform frontally leaky alternating grooves with a constant pitch Δ = 100 μm and a depth of h = 50 μm, and the condition h <H is fulfilled. The internal cavities of the grooves are made leaky, which makes it possible to relieve the voltage in the protective optical coating of the PV from the pressure of gases in these cavities during operation of the receiver-converter in outer space. The cross section of each groove has the shape of an isosceles triangle with a base b = 20 μm, coinciding when superimposed with the strip width of the strip ohmic contact of the photocell, and with an angle at the vertex of 2γ = 2 · arctg [b / (2 · h)] = 2 · arctg [ 20 / (2 · 50)] = 22.6 °. Moreover, the planes of the side faces of the grooves are made with the highest possible coefficient of specular reflection. Since, under operating conditions, the internal cavities of the grooves are leaky and filled with air, in the case of ground-based application of PV, or vacuum, in the case of space applications, the absolute refractive index of the medium in the internal cavity of the groove is taken to be unity. The angle of total internal reflection of the laser beam from the side face of the groove in relation (1), in accordance with the law of refraction, is determined from the expression / 10, p. 562 / α ₀ = arcsin (1 / n ₁ ) = arcsin (1 / 1,5) = 41.8 °. The maximum deviation of the reflected laser beam in relation (1), when passing through the layers of a protective optical coating, is determined from the expression (2)

L=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)· sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)· sin(2γ)]}=20/(1-tg²11,3°)+40·tg{arcsin[(1,5/1,5)· sin(22,6°)]}+0,087·tg{arcsin[(1,5/2,3)·sin(22,6°)]}=37,8 мкм.L = b / (1-tg ² γ) + d · tg {arcsin [(n ₁ / n ₂ ) · sin (2γ)]} + δ · tg {arcsin [(n ₁ / n ₃ ) · sin (2γ )]} = 20 / (1-tg ² 11.3 °) + 40 · tg {arcsin [(1.5 / 1.5) · sin (22.6 °)]} + 0.087 · tg {arcsin [( 1.5 / 2.3) · sin (22.6 °)]} = 37.8 μm.

Подставляем ранее приведенные значения γ, α₀, L, b и Δ в соотношение (1)We substitute the previously given values of γ, α ₀ , L, b, and Δ into relation (1)

(0<γ≤(90°-α₀))∧((L+b/2)≤Δ),(0 <γ≤ (90 ° -α ₀ )) ∧ ((L + b / 2) ≤Δ),

(0<11,3°≤(90°-41,8°))∧((37,8+20/2)≤100).(0 <11.3 ° ≤ (90 ° -41.8 °)) ∧ ((37.8 + 20/2) ≤100).

Таким образом, убеждаемся, что рассмотренная в примере конструкция фотоэлемента с защитным оптическим покрытием удовлетворяет требуемому условию (1).Thus, we are convinced that the design of a photocell with a protective optical coating considered in the example satisfies the required condition (1).

Соотношение (1) и входящее в него выражение (2) получены следующим образом.Relation (1) and the expression (2) included in it are obtained as follows.

Как видно из рисунков на фиг. 2 и фиг. 3, нормально падающий на теплорегулирующее покрытие луч лазера падает на боковую грань канавки под углом (90°-γ), который должен быть больше α₀ - минимального угла падения луча лазера, начиная с которого возникает явление полного внутреннего отражения. Это условие отражено в соотношении (1) в его левой части. Одновременно с этим условием должно соблюдаться и условие падения отраженных от соответствующей боковой грани канавки лучей лазера на рабочую поверхность полупроводника между двумя соседними полосками полоскового омического контакта, что и отражено в соотношении (1), в его правой части. Причем максимальное отклонение L луча лазера, отраженного от боковой грани канавки и затем проходящего через слои защитного оптического покрытия, определяется из рассмотрения на фиг. 3 прямоугольных треугольников ΔABD, ΔEDF и ΔGFK. ОткудаAs can be seen from the figures in FIG. 2 and FIG. 3, the laser beam normally incident on the heat-regulating coating falls onto the lateral face of the groove at an angle (90 ° -γ), which should be greater than α ₀ , the minimum angle of incidence of the laser beam, starting from which the phenomenon of total internal reflection occurs. This condition is reflected in relation (1) in its left side. Simultaneously with this condition, the condition for the incidence of laser rays reflected from the corresponding lateral face of the groove on the working surface of the semiconductor between two adjacent strips of the strip ohmic contact, which is reflected in relation (1), in its right-hand side, must be observed. Moreover, the maximum deviation L of the laser beam reflected from the side face of the groove and then passing through the layers of the protective optical coating is determined from consideration in FIG. 3 right triangles ΔABD, ΔEDF and ΔGFK. Where from

Как очевидно из фиг. 2 и фиг. 3, в треугольнике ΔABD угол ∠ABD=2γ. Откуда из треугольника ΔABD определимAs is apparent from FIG. 2 and FIG. 3, in the triangle ΔABD, the angle ∠ABD = 2γ. Where from the triangle ΔABD we define

Из треугольника ΔАВС определим h=b/(2·tgγ). После тригонометрического преобразования tg2γ=2·tgγ/(1-tg²γ), подставляя выражения для h и tg2γ в (4), получимFrom the triangle ΔABC we define h = b / (2 · tgγ). After the trigonometric transformation tg2γ = 2 · tgγ / (1-tg ² γ), substituting the expressions for h and tg2γ in (4), we obtain

Из треугольника ΔEDF определимFrom the triangle ΔEDF we define

Из треугольника ΔGFK определимFrom the triangle ΔGFK we define

где α₃ - угол преломления луча лазера в просветляющем покрытии.where α ₃ is the angle of refraction of the laser beam in the antireflection coating.

Причем, в соответствии с законом преломления, должны выполняться соотношенияMoreover, in accordance with the law of refraction, the relations

Из (8) определим угол преломления α₂ луча лазера в клеевом слоеFrom (8) we determine the angle of refraction α ₂ of the laser beam in the adhesive layer

Из соотношений (8) и (9) определим угол преломления α₃ луча лазера в просветляющем покрытии, который равен углу падения луча лазера на рабочую поверхность полупроводниковой структуры (в вышерассмотренном примере материал полупроводниковой структуры выбран на основе GaAs)From relations (8) and (9) we determine the angle of refraction α ₃ of the laser beam in the antireflection coating, which is equal to the angle of incidence of the laser beam on the working surface of the semiconductor structure (in the above example, the material of the semiconductor structure is selected based on GaAs)

Подставляя выражения для α₂ и α₃ из (10) и (11) в (6) и (7), соответственно, и используя выражение (5), определим из (3)Substituting the expressions for α ₂ and α ₃ from (10) and (11) into (6) and (7), respectively, and using expression (5), we define from (3)

L=AD+EF+GK=h·tg2γ+d·tgα₂+δ·tgα₃=b/(1-tg²γ)+d·tg{arcsin[(n₁/n₂)·sin(2γ)]}+δ·tg{arcsin[(n₁/n₃)·sin(2γ)]}, т.е. получаем выражение (2).L = AD + EF + GK = htg2γ + dtagα ₂ + δtgα ₃ = b / (1-tg ² γ) + dtg {arcsin [(n ₁ / n ₂ ) · sin (2γ) ]} + δ · tg {arcsin [(n ₁ / n ₃ ) · sin (2γ)]}, i.e. we get the expression (2).

Таким образом, применение предлагаемой конструкции фотоэлемента приемника-преобразователя лазерного излучения, использующей явление полного внутреннего отражения лучей лазера в защитном оптическом покрытии, позволяет увеличить КПД и удельные значения фототока ФЭП за счет:Thus, the application of the proposed design of the photocell of the receiver-converter of laser radiation, using the phenomenon of total internal reflection of the laser beams in the protective optical coating, allows to increase the efficiency and specific values of the photomultiplier of the photomultiplier due to:

1) увеличения доли поглощенного лучистого потока, что соответственно увеличивает общее количество фотоэлектронов и фотодырок, создаваемых излучением, в единицу времени по обе стороны от р-n-перехода;1) increasing the proportion of absorbed radiant flux, which accordingly increases the total number of photoelectrons and photoholes created by radiation, per unit time on both sides of the pn junction;

2) увеличения длины пути проходимого излучением в фотоактивной области фотоэлемента, что позволяет уменьшить его толщину и таким образом увеличить коэффициент собирания носителей тока и улучшить энергомассовые показатели приемника-преобразователя.2) increasing the length of the path traveled by radiation in the photoactive region of the photocell, which allows to reduce its thickness and thus increase the collection coefficient of current carriers and improve the energy-mass characteristics of the receiver-converter.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.1. V.A. Griliches, P.P. Orlov, L.B. Popov. Solar energy and space travel. M .: Nauka, 1984.

2. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.2. V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. The principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric energy transfer systems // Avtometriya. 2012.V. 48, No. 2, p. 59-66.

3. Патент РФ №2499327, кл. H01L 31/052, опубл. 20.11.2013.3. RF patent No. 2499327, cl. H01L 31/052, publ. 11/20/2013.

4. Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом / Летин В.А., Гаценко Л.С., Агеева Т.А., Суркова В.Ф. // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. Журнал НИИ «Квант», М., 2008-2009. №24-25, с. 3-13.4. Protective coatings of solar panels of spacecraft with a large resource / Letin V.A., Gatsenko L.S., Ageeva T.A., Surkova V.F. // Autonomous energy. Technological progress and economics. Journal of the Research Institute "Quantum", M., 2008-2009. No. 24-25, p. 3-13.

5. Колтун М.М., Ландсман А.П. Просветление, температурная стабилизация и защита от радиации кремниевых фотоэлементов с помощью оптических покрытий. - Сб. «Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках». М., «Наука», 1968.5. Koltun M.M., Landsman A.P. Enlightenment, temperature stabilization and radiation protection of silicon photocells using optical coatings. - Sat "Converters of solar energy on semiconductors." M., "Science", 1968.

6. Патент РФ №2410796, кл. H01L 31/04, опубл. 27.01.2011.6. RF patent No. 2410796, cl. H01L 31/04, publ. 01/27/2011.

7. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Советское Радио, 1971 г.7. Vasiliev A.M., Landsman A.P. Semiconductor photoconverters. M .: Soviet Radio, 1971

8. В.М. Андреев. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. - «Соросовский образовательный журнал», 1996, №7, с. 93-98.8. V.M. Andreev. Photovoltaic conversion of solar energy. - “Soros Educational Journal”, 1996, No. 7, p. 93-98.

9. Патент РФ №2487438, кл. H01L 31/042, опубл. 10.07.2013.9. RF patent No. 2487438, cl. H01L 31/042, publ. 07/10/2013.

10. Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983.10. Physical encyclopedic dictionary. Moscow, "Soviet Encyclopedia", 1983.

11. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.11. Kriksunov L.Z. Guide to the basics of infrared technology. M .: Soviet radio, 1978.

12. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.12. Physical quantities. Handbook Ed. I.S. Grigoryeva, E.Z. Meilikhova. M .: Energoatomizdat, 1991.

Claims

A photocell of a laser radiation receiver / converter, containing p-type and n-type semiconductor alloyed and base layers, a frontal strip ohmic contact on the front side of the photocell, made in the form of alternating strips with a constant strip pitch Δ and strip width b, a continuous ohmic contact on the back side optical photocell and a protective cover, which normally fall laser beams with a wavelength of λ _0, wherein the optical protective coating on the working surface semitraile arrestor with absolute refractive index n, holds the layers of the antireflective coating thickness δ, commensurate with the length λ ₃ wave antireflective coating and with absolute refractive index n ₃ <n, connected via the adhesive layer, d thick and with absolute refractive index n ₂ , with a heat-regulating coating, thickness H and with an absolute refractive index of n ₁ , moreover, on the inner surface of the heat-regulating coating, frontally leaking alternating grooves are made, with a constant pitch Δ and depth h <Н, transverse the cross section of which has the form of an isosceles triangle with the base b coinciding when superimposed with the strip width of the strip ohmic contact of the photocell and with the angle at the apex 2γ = 2 · arctg [b / (2 · h)], and the planes of the side faces of the grooves are made with the maximum high coefficient of specular reflection, moreover, a photocell with layers of a protective optical coating must meet the ratio

where α ₀ is the angle of total internal reflection of the laser beam from the side face of the groove;
L is the maximum deviation of the laser beam when passing through the layers of a protective optical coating, determined from the expression
L = b / (1-tg ² γ) + d · tg {arcsin [(n ₁ / n ₂ ) · sin (2γ)]} + δ · tg {arcsin [(n ₁ / n ₃ ) · sin (2γ )]}.