DE1622498C - Filter assembly with a pass band from ultraviolet to about infrared - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung mit einem Durchlaßband von Ultraviolett bis etwa Infrarot, die aus mehreren auf mindestens eine Oberflächenseite eines durchsichtigen Tragkörpers periodisch übereinander angeordneten Schichten besteht.The invention relates to a filter assembly having a pass band from ultraviolet to about Infrared, the periodic from several on at least one surface side of a transparent support body layers arranged one above the other.

Bei der Verwendung von lichtelektrischen Siliziumzellen mit einem pn-übergang, wie sie als Solarzellen (Sonnenzellen) allgemein bekannt sind und zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen, ist es bekannt, daß die Ausgangsleistung der Zelle bei zunehmender Temperatur abnimmt, d. h. mit anderen Worten, daß der Wirkungsgrad der Siliziumsolarzelle mit zunehmender Temperatur kleiner wird. Eine der wichtigsten Anwendungen der Siliziumsolarzellen besteht darin, sie als Hilfsenergiequelle in Raumfahrzeugen zu benutzen. Solche Zellen absorbieren den größten Teil der empfangenen Sonnenenergie, jedoch werden nur 10% oder weniger davon 9,4722 =When using photoelectric silicon cells with a pn junction, such as those used as solar cells (Solar cells) are well known and used to convert solar energy into electrical energy it is known that the output power of the cell decreases with increasing temperature; H. In other words, the efficiency of the silicon solar cell decreases with increasing temperature will. One of the most important uses of silicon solar cells is to use them as an auxiliary power source in To use spacecraft. Such cells absorb most of the solar energy received, however, only 10% or less of it becomes 9.4722 =

K₂ {fl\ - Tl₁H₂) K ₂ {fl \ - Tl ₁ H ₂ )

bemessen sind. Eine solche Ausbildung der Filteranordnung macht es möglich, die Reflexionsbänder zweiter und dritter Ordnung zu unterdrücken, so daß nur Reflexionsbänder erster und vierter Ordnung übrigbleiben. Auf diese Weise läßt sich ein Durchlaßband von großer Breite erreichen, daß dem spektralen Bereich maximaler Empfindlichkeit einer Siliziumsolarzelle mit weitgehender Annäherung entspricht. are sized. Such a design of the filter arrangement makes it possible for the reflection bands to suppress second and third order so that only first and fourth order reflection bands left over. In this way, a passband of great width can be achieved that the spectral Corresponds to the range of maximum sensitivity of a silicon solar cell with a large approximation.

Eine scharfe Begrenzung des Durchlaßbandes an seinem einen Ende ist dadurch erreichbar, daß auf den Schichten der Filteranordnung noch ein zusätzlicher, Ultraviolett reflektierender Belag angebracht ist. Eine entsprechend scharfe Begrenzung des anderen EndesA sharp delimitation of the passband at one end can be achieved in that on the Layers of the filter arrangement an additional, ultraviolet-reflecting coating is attached. One accordingly sharp delimitation of the other end

des Durchlaßbandes läßt sich erzielen, indem auf den Schichten ein Wärmefilter, vorzugsweise mit einem Reflexionsverhältnis 3 :1 angebracht ist.of the passband can be achieved by clicking on the Layers a heat filter, preferably with a reflection ratio of 3: 1 is attached.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings, for example. It shows

F i g. 1 eine stark vergrößerte Schnittansicht einerF i g. 1 is a greatly enlarged sectional view of a

mit einer Filteranordnung versehenen, durchsichtigen Unterlage,a transparent base with a filter arrangement,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Durchlaß-F i g. 2 a graphical representation of the

grades in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wie sie für den Entwurf einer Filteranordnung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, und die Reflexionsbänder eines allgemeinen Stapels eines Viertel-degree as a function of the wavelength, as required for the design of a filter arrangement according to Invention can be used and the reflective tapes of a general pile of a quarter

Wellenstapels und des gewünschten Stapels der Filteranordnung darstellt,Represents the shaft stack and the desired stack of the filter arrangement,

F i g. 3 ein Kurvenbild des Durchlaßgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge einer Filteranordnung nach Fig. 1,F i g. 3 shows a graph of the transmittance as a function of the wavelength of a filter arrangement according to Fig. 1,

F i g. 4 ein Kurvenbild des Durchlaßgrades in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines ultraviolettes Licht reflektierenden optischen Belags,F i g. 4 shows a graph of the transmittance as a function of the wavelength of an ultraviolet Light reflecting optical covering,

F i g. 5 das Kurvenbild einer Filteranordnung, welche die in F i g. 3 und 4 veranschaulichten Eigenschäften optischer Beläge oder Filteranordnungen miteinander kombiniert, um das erwünschte Durchlaßband von Ultraviolett bis etwa Infrarot zu erhalten,F i g. FIG. 5 shows the graph of a filter arrangement which has the characteristics shown in FIG. 3 and 4 illustrated characteristics optical coverings or filter assemblies combined to produce the desired passband from ultraviolet to about infrared,

F i g. 6 das Kurvenbild des Durchlaßgrades einer Filteranordnung, bei der die in F i g. 3 veranschaulichten Eigenschaften eines optischen Belags mit einem wärmereflektierenden Belag derart kombiniert sind, daß sich ein besonders breites Durchlaßband ergibt.F i g. 6 shows the graph of the transmittance of a filter arrangement in which the in FIG. 3 illustrated Properties of an optical covering combined with a heat-reflecting covering in this way are that there is a particularly wide passband.

Die in F i g. 1 gezeigte Filteranordnung 11 ist auf einem geeigneten, durchsichtigen Tragkörper 12 aufgebracht, die Filteranordnung 11 besteht aus mehreren nicht metallischen, übereinandergelegten Interferenzschichten 13 von vernachlässigbarer Absorption und von verschiedenen Brechungsindizes, die übereinander, wie in F i g. 1 dargestellt, auf einer der Oberflächen des Tragkörpers 12 aufgebracht sind. Es sind drei verschiedene mit A, B und C bezeichnete Materialien für die verschiedenen Schichten 13 vorgesehen und mit einer Periodizität ABCBA angeordnet. The in F i g. The filter arrangement 11 shown in FIG. 1 is applied to a suitable, transparent support body 12; the filter arrangement 11 consists of several non-metallic, superimposed interference layers 13 of negligible absorption and of different refractive indices, which are superimposed, as in FIG. 1, are applied to one of the surfaces of the support body 12. Three different materials, labeled A, B and C , are provided for the different layers 13 and are arranged with a periodicity ABCBA .

Jede dieser Schichten hat eine optische Dicke von einer Viertelwellenlänge. Die Dicke solcher Anordnungen liegt in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes, für welches das Filter benutzt werden soll. Die optische Dicke (Schichtdicke mal Brechungsindex) wird normalerweise auf die Wellenlänge bezogen, für welche das Filter benutzt werden soll. Jede Filteranordnung hat normalerweise eine Bezugswellenlänge, und die optische Dicke wird als Bruchteil hiervon angegeben.Each of these layers has an optical thickness of a quarter wavelength. The thickness of such arrangements is of the order of magnitude of the wavelength of the light for which the filter is used target. The optical thickness (layer thickness times the refractive index) is usually related to the wavelength, for which the filter is to be used. Each filter arrangement usually has a reference wavelength, and the optical thickness is expressed as a fraction of this specified.

In F i g. 2 sind verschiedene Refiexionsbänder gezeigt, wobei die .Ordinate den Durchlaßgrad und die Abszisse die relative Wellenzahl angibt. Die relative Wellenzahl ist definiert als I₀/λ, worin A₀ die Bezugswellenlänge und λ die Wellenlänge ist.In Fig. 2 different reflection bands are shown, the .Ordinate indicating the transmittance and the abscissa indicating the relative wave number. The relative wavenumber is defined as I ₀ / λ, where A _{0 is} the reference wavelength and λ is the wavelength.

Die Kurve 16 in F i g. 2 zeigt verschiedene Reflexionsbänder, die durch einen mehrschichtigen Belag erzeugt sind, welcher aus periodisch aufeinanderfolgenden Schichten zusammengesetzt ist. Wie F i g. 2 zeigt, werden dabei Refiexionsbänder erster, zweiter, dritter und vierter Ordnung erhalten. Das Reflexionsband erster Ordnung ist das erste von links, da als Abszisse der reziproke Wert der Wellenlänge aufgetragen wird. Die Kurve 17 in F i g. 2 gilt für ein Viertelwellenpaket mit zwei Schichtmaterialien. Die Kurve 17 hat ein Reflexionsband der ersten Ordnung, kein Reflexionsband der zweiten Ordnung, ein Reflexionsband der dritten Ordnung und wiederum keines der vierten Ordnung. Die Kurve 18 in F i g. 2 gilt für den gewünschten Belag, der ein Reflexionsband der ersten Ordnung und ein Reflexionsband der vierten Ordnung, jedoch kein Reflexionsband der zweiten und dritten Ordnung besitzt.The curve 16 in FIG. 2 shows different reflective tapes, which are created by a multi-layer covering, which is made up of periodically successive Layers is composed. Like F i g. 2 shows, reflecting bands are first, second, third and fourth order received. The first order reflection band is the first from the left, as The abscissa of the reciprocal value of the wavelength is plotted. The curve 17 in FIG. 2 applies to a quarter-wave packet with two layer materials. Curve 17 has a first order reflection band, none Second order reflection band, a third order reflection band, and again none of the fourth order. The curve 18 in FIG. 2 applies to the desired covering, which is a reflection tape of the first Order and a reflection band of the fourth order, but no reflection band of the second and third Owns order.

In dem Aufsatz von Epstein, »Improvements in Heat Reflecting Filters«, veröffentlicht im Mai 1955 in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, Bd. 45, Heft 5, S. 361, 362, ist ausgeführt, daß es möglich ist, zwei Bänder von unterschiedlichen Wellenlängen durch Verwendung eines Aufbaues mit einer Periodizität ABCBA zu unterdrücken. In einem weiteren Aufsatz von R. B. M u c h m ore, veröffentlicht 1948 im »Journal of the Optical Society of America«, Bd. 38, S. 20, ist ausgeführt, daß es möglich ist, Antireflexionseffekte zu erhalten, sobald die Brechungsindizes und die Dicken wie folgt in Beziehung stehen:In the article by Epstein, "Improvements in Heat Reflecting Filters", published in May 1955 in the journal "Journal of the Optical Society of America", Vol. 45, Issue 5, pp. 361, 362, it is stated that it is possible is to suppress two bands of different wavelengths by using a structure with a periodicity ABCBA. In another article by RB Muchmore, published in 1948 in the Journal of the Optical Society of America, vol. 38, p. 20, it is stated that it is possible to obtain anti-reflection effects as soon as the refractive indices and the thicknesses are as are related to:

wenn Ti₁ n₂ = n₃ n₀,
worinif Ti ₁ n ₂ = n ₃ n ₀ ,
wherein

. 2 π 2 π . 2 π 2 π

Zc₁ = -j- · U₁ ; Zc₂ = -γ- ■ Ti₂ Zc ₁ = -j- * U ₁ ; Zc ₂ = -γ- ■ Ti ₂

U₁ =■ Körperliche Dicke, U ₁ = ■ physical thickness,

= Wellenlänge,= Wavelength,

«ο = Brechungsindex des Mediums (Luft),
Ti₁ = Brechungsindex der dem Medium zunächstliegenden Schicht des Belags,
n₂ — Brechungsindex der nächsten Schicht,
«3 = Brechungsindex des Tragkörpers oder der Unterlage.«Ο = refractive index of the medium (air),
Ti ₁ = refractive index of the coating layer closest to the medium,
n ₂ - refractive index of the next layer,
«3 = refractive index of the support body or the base.

Die vorstehende Gleichung (1) erläutert, wie es möglich ist, zwei Schichten mit Antireflexionseigenschaften bei zwei Wellenlängen zu erhalten. Die Formel bestimmt die Dicke dieser Schichten und die Brechungsindizes, die benötigt werden, um ein Medium und einen Tragkörper mit dem Ziel der Erhaltung von Antireflexionseigenschaften aneinander anzupassen. Die Formel (1) bestimmt, daß das Quadrat des Tangens eines Winkels Iqd₂, der der optischen Dicke und der Wellenlänge dieser Schichten entspricht, einem Ausdruck gleich sein müssen, der die Brechungsindizes des Belags und seiner Umgebung, d. h. des Tragkörpers sowie des Mediums, in welchem der Belag verwendet werden soll, enthält. Somit bestimmt die Formel die Schichtdicken als Funktion der Brechungsindizes; jedoch muß als Voraussetzung der Richtigkeit dieser Feststellung das Produkt aus den Brechungsindizes der ersten und der zweiten Schicht dem Produkt der Brechungsindizes des Tragkörpers und des Mediums gleich sein.Equation (1) above explains how it is possible to obtain two layers with anti-reflective properties at two wavelengths. The formula determines the thickness of these layers and the refractive indices that are required to adapt a medium and a support body to one another with the aim of maintaining anti-reflective properties. The formula (1) determines that the square of the tangent of an angle Iqd ₂ , which corresponds to the optical thickness and the wavelength of these layers, must be equal to an expression that contains the refractive indices of the covering and its surroundings, i.e. the support body and the medium, in which the covering is to be used. The formula thus determines the layer thicknesses as a function of the refractive indices; however, as a prerequisite for the correctness of this determination, the product of the refractive indices of the first and second layers must be equal to the product of the refractive indices of the support body and the medium.

Auch die optische Dicke η ■ d der beiden Schichten muß gleich sein. Dies kommt in der nachstehenden Gleichung zum Ausdruck.The optical thickness η ■ d of the two layers must also be the same. This is reflected in the equation below.

i =k₂d₂, i = k ₂ d ₂ ,

(2)(2)

worin Zc₁ und k₂ ebenso definiert sind wie bei Gleichung (1) und d, und d₂ die Werte ihrer körperlichen Dicke sind.where Zc ₁ and k ₂ are defined in the same way as equations (1) and d, and d _{2 are} the values of their physical thickness.

Durch diese Gleichungen läßt sich feststellen, daß, da der Tangens quadriert ist, der positive oder negative Wert des Tangens des Winkels als Lösungen in Betracht kommen. Somit ist, wenn der Winkel Zc₁ d_x gleich α ist, eine Lösung für π — α vorhanden, mit anderen Worten, es kann festgestellt werden, daßFrom these equations it can be determined that since the tangent is squared, the positive or negative value of the tangent of the angle can be considered as solutions. Thus, if the angle Zc ₁ d _x equals α, there is a solution for π - α , in other words, it can be stated that

folgt:follows: X₂ X ₂ ππ —- MiWed KK darausfrom it ππ 11 ++ T_B T _B

worin λ_κ und λ_Β sich auf die Wellenlänge der Kurven 17 und 18 in F i g. 2 beziehen. Ein Wellenlängenverhältnis kann auf Grund des Umstandes ermittelt werden, daß der Tangens die erwähnten beiden Lösungen liefert. Da es erwünscht ist, die Reflexionsbänder zweiter und dritter Ordnung zu eliminieren, wird ein Verhältnis vom Wert 2: 3 gewählt, da das Reflexionsband zweiter Ordnung an der Stelle ?_Λ = γ und das Reflexionsband dritter Ordnung an der Stelle X₂ = ^- auftritt. Somit istwhere λ _κ and λ _Β refer to the wavelength of curves 17 and 18 in FIG. 2 refer. A wavelength ratio can be determined based on the fact that the tangent provides the two solutions mentioned. Since it is desired to eliminate the second and third order reflection bands, a ratio of 2: 3 is chosen, since the second order reflection band is at the point ? _Λ = γ and the third order reflection band occurs at the point X ₂ = ^ - . So is

der Beläge oder der Wert des maximalen Durchlaßgrades usw. Wie bereits gesagt, erfordert das Anpassen der Beläge an die Unterlage und an das umgebende Medium jedenfalls noch besondere Uberlegungen. the coverings or the value of the maximum permeability, etc. As already said, this requires adjustment the deposits on the substrate and on the surrounding medium in any case still have special considerations.

Bei Benutzung der Gleichung (6) zur Bestimmung der Brechnungsindizes der drei verschiedenen Beläge ist es normalerweise erwünscht, ein Material mit einem hohen Brechnungsindex und ein anderes mit einemWhen using equation (6) to determine the refractive indices of the three different coverings it is usually desirable to have one material with a high refractive index and another with a

ίο niederen Brechnungsindex zu wählen. Als Material mit relativ niedrigem Brechnungsindex ist dem Sachkundigen Magnesiumfluorid MgF₂ bekannt, dessen Brechnungsindex 1,38 beträgt. Ein Material mit verhältnismäßig hohem Brechnungsindex ist Titandioxid TiO₂, dessen Brechnungsindex 2,30 beträgt. Durch Einsetzen dieser Werte in die Formeln für n_t bzw. n₃ ergibt sich:ίο to choose a lower refractive index. _{Magnesium fluoride MgF 2} , whose refractive index is 1.38, is known to those skilled in the art as a material with a relatively low refractive index. A material with a relatively high refractive index is titanium dioxide TiO ₂ , the refractive index of which is 2.30. Inserting these values into the formulas for n _t and n ₃ results in:

180180

= 180° - 72°.= 180 ° - 72 °.

Tangens 72° = 3,0777, .
Quadrierter Tangens = 9,4722.
Der Wert 9,4722 wird in die Formel eingesetzt, durch welche die Brechungsindizes der gewünschten Schicht, wie oben angegeben, verknüpft sind.Tangent 72 ° = 3.0777.
Squared tangent = 9.4722.
The value 9.4722 is used in the formula by which the refractive indices of the desired layer are linked, as indicated above.

9,4722 = ^Πι"²~"°9.4722 = ^Πι " ² ~" °

■·, . „2 _ „02 «2■ ·,. "2 _ " 02 "2

In dieser Formel wird der Wert H₀ aus der GleichungIn this formula, the value H ₀ becomes from the equation

M₁M₂ = n₀n₃ M ₁ M ₂ = n ₀ n ₃

substituiert, so daß sich folgende Form für die Gleichung ableiten läßt:substituted so that the following form for the equation can be deduced:

9,4722 =9.4722 =

«1«2«1« 2

- n\- n \

Diese Formel gibt die Verknüpfung zwischen den Brechungsindizes der drei zu verwendenden Materialien an. Dabei wird davon ausgegangen, daß zwei Beläge und Tragkörper, als Unterlage verwendet sind. Es ist jedoch möglich, die gleiche Formel auch dann anzuwenden, wenn davon auszugehen ist, daß der Tragkörper praktisch ebenfalls ein Beleg ist, und daß die Formel für die Bestimmung der Brechnungsindizes mehrerer Beläge gültig ist, wobei die Tragkörper und die umgebenden Medien fortgelassen sind.This formula gives the link between the refractive indices of the three materials to be used on. It is assumed that two pads and a support body are used as a base are. However, it is possible to use the same formula even if it is assumed that the supporting body is practically also a proof, and that the formula for the determination of the refractive indices multiple coverings is valid, the support body and the surrounding media are omitted.

Der Brechungsindex des Tragkörpers und des Mediums verdienen unabhängig hiervon noch eine weitere Überlegung. Die erste Überlegung besteht darin, daß die Reflexionsbänder zweiter und dritter Ordnung unterdrückt werden; daher hat dies nichts mit dem Tragkörper oder dem verwendeten Medium zu tun. Jedoch ist es dem Sachkundigen bekannt, daß noch andere Überlegungen in Rechnung gestellt werden müssen, wenn Beläge an Tragkörper angepaßt werden, wie z. B. die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Tragkörper im Vergleich zu denen 9,4722 =The refractive index of the support body and the medium deserve another regardless of this further consideration. The first consideration is that the reflection bands second and third Order to be suppressed; therefore this has nothing to do with the support body or the medium used to do. However, it is known to those skilled in the art that other considerations have also been taken into account have to be when coverings are adapted to the support body, such. B. the coefficient of thermal expansion the supporting body compared to those 9.4722 =

n₂(5,29 - 1,38 · n₂)
1,38 · 5,29 - n\ n ₂ (5.29 - 1.38 x n ₂ )
1.38 · 5.29 - n \

Auf diese Art ist es möglich, eine Gleichung dritterIn this way it is possible to use a third equation

Ordnung für den Brechnungsindex des Materials mit einem Brechnungsindex n₂ zu erhalten. Wird diese Gleichung umgeformt, indem der Zähler durch 9,4722 geteilt wird, so ergibt sichOrder to get the refractive index of the material with a refractive index n ₂ . If this equation is transformed by dividing the numerator by 9.4722, the result is

- n\ + 7,3002 = 0,5585 n₂ - 0,1457 nj . (8)
Durch Umformung der Gleichung ergibt sich
nl - 0,1457 n\ + 0,5585 n₂ - 7,3002 =Ό . (9)- n \ + 7.3002 = 0.5585 n ₂ - 0.1457 nj . (8th)
Transforming the equation gives
nl - 0.1457 n \ + 0.5585 n ₂ - 7.3002 = Ό. (9)

Die Auflösung dieser kubischen Gleichung führt zu einem reellen Wert von annähernd 1,9, so daß durch Substitution in der Gleichung sich folgendes ergibt:Solving this cubic equation results in a real value of approximately 1.9, so by substitution in the equation the following results:

6,859 - 0,5260 + 1,06115 - 7,3002 = + 0,0922,6.859 - 0.5260 + 1.06115 - 7.3002 = + 0.0922,

worin n₂ = 1,9 ist.
Es zeigt sich also, daß dieses zweite Material einen Brechnungsindex von 1,9 haben kann. Ein geeignetes Material mit dem Brechnungsindex 1,9 ist Lanthanoxid La₂O₃. -where n ₂ = 1.9.
It can therefore be seen that this second material can have a refractive index of 1.9. A suitable material with a refractive index of 1.9 is lanthanum oxide La ₂ O ₃ . -

Diese Kombination von Magnesiumfluorid, Titandioxid und Lanthanoxid bei Verwendung von Glas als Unterlage ist sehr zufriedenstellend. Andererseits wurde gefunden, daß Quarz als Unterlage weniger günstig ist, hauptsächlich wegen des Magnesiumfluoride. Bei Quarz ist es von Vorteil, Siliziumdioxid SiO₂, das einen Brechnungsindex - von 1,56 hat, an Stelle des Magnesiumfluoride zu verwenden. Wird dieser Wert in die Formel (6) für W₁ eingesetzt und die Formel dann für n₂ aufgelöst, so ergibt sich ein Brechnungsindex von 1,98. Ein Material mit einem solchen oder annähernd einem solchen Brechungsindex wird dann als Belag in Verbindung mit Quarz als Unterlage verwendet.This combination of magnesium fluoride, titanium dioxide and lanthanum oxide when using glass as a base is very satisfactory. On the other hand, quartz has been found to be less useful as a base, mainly because of the magnesium fluoride. In the case of quartz, it is advantageous to use silicon dioxide SiO ₂ , which has a refractive index - of 1.56, instead of the magnesium fluoride. If this value is inserted into formula (6) for W ₁ and the formula is then resolved for n ₂ , the result is a refractive index of 1.98. A material with such or approximately such a refractive index is then used as a covering in conjunction with quartz as a base.

Aus dem vorstehenden geht hervor, daß. eine einzige Formel herangezogen wurde, durch welche die drei Brechnungsindizes der drei verschiedenen Materialien für die Filterschicht gemäß der Erfindung verknüpft sind.From the foregoing it can be seen that. a single formula was used by which the three refractive indices of the three different materials for the filter layer according to the invention are linked.

Die Möglichkeiten der Aufbringung der verschiedenen Schichten auf einer Unterlage sind dem Sachkundigen bekannt. Im Allgemeinen erfolgt die Aufbringung als Vakuumniederschlag der Schichten in einem Hochvakuum von annähernd 0,1 Mikron Quecksilber. Die Dicke jeder Schicht wird in bekannter Weise durch die Dauer des Niederschlags- oderThe possibility of applying the various layers on a base is up to the expert known. In general, the application takes place as a vacuum deposition of the layers in a high vacuum of approximately 0.1 microns of mercury. The thickness of each layer is known in Way by the duration of precipitation or

Aufdampfvorganges bestimmt. Vor der Aufbringung in der dazu bestimmten Apparatur wird die Unterlage normalerweise auf mechanischem Wege und durch Elektronenbombardement gereinigt. Danach wird der Tragkörper im Hochvakuum erhitzt, worauf die Schichten nacheinander aufgebracht werden, bis der Belag gebildet ist, der die erwünschte Filterkurve ergibt.Evaporation process determined. Before it is applied in the dedicated apparatus, the base usually cleaned mechanically and by electron bombardment. After that the support body is heated in a high vacuum, whereupon the layers are applied one after the other until the deposit is formed which gives the desired filter curve.

In F i g. 3 ist eine Kurve gezeigt, die für eine Beschichtung gemäß der obigen Formel erhalten wurde. Die Daten sind als Werte des Durchlaßgrades T gegen die Wellenzähl aufgetragen. Die Wellenzahl ist definiert als /_Ό/λ, wobei ν_Ό gleich der Bezugswellenlänge und λ gleich der Wellenlänge ist. Die Bezugswellenlänge ist gleich.dem Mittenwert zwischen den unterdrückten Reflexionsbändern zweiter und dritter Ordnung, die eliminiert werden. Aus der Kurve von F i g. 3 ist zu ersehen, daß sich die Ubertragungsbänder über einen breiten Breich erstrecken und daß das Verhältnis der Wellenlängen an den ersten beiden benachbarten Reflexionsbändern 1,6:0,4 oder 4:1 beträgt. Diese Beschichtung unterdrückt, wie oben erläutert, die Reflexionsbänder zweiter und dritter Ordnung. Allerdings ist es ohne zusätzliche Hilfsfilter, welche Absorptionsfilter oder andere mehrschichtige Filter sein können, nicht möglich, außerhalb des Durchlaßbandes die gesamte Lichtenergie zu unterdrücken. Die Bänder der Durchlässigkeit und der Reflexion der Beschichtung sind aber jedenfalls scharf voneinander abgegrenzt.In Fig. 3 shows a curve which was obtained for a coating according to the above formula. The data are plotted as values of the transmittance T versus the wave count. _{The wavenumber} is defined as / Ό / λ, where ν _Ό is the reference wavelength and λ is the wavelength. The reference wavelength is equal to the center value between the suppressed second and third order reflection bands that are eliminated. From the curve of FIG. 3 it can be seen that the transmission bands extend over a wide range and that the ratio of the wavelengths at the first two adjacent reflection bands is 1.6: 0.4 or 4: 1. As explained above, this coating suppresses the second and third order reflection bands. However, without additional auxiliary filters, which can be absorption filters or other multilayer filters, it is not possible to suppress all of the light energy outside the pass band. The bands of permeability and reflection of the coating are in any case sharply demarcated from one another.

Normalerweise erhöht jede zusätzliche Periode, die bei der Beschichtung benutzt wird, die Reflexionsfähigkeit, und diese nähert sich mehr und mehr dem Wert 100%, wenn die Beschichtung um weitere periodische Anordnungen vergrößert wird. Im Durchlässigkeitsbereich wird der gleiche Effekt nicht durch das Hinzufügen weiterer Beschichtungen erreicht, und zwar wegen einer Interferenzwirkung, welche das Auftreten sekundärer Minima und Maxima'bewirkt, welche nicht in ihrer Größe zunehmen, wohl aber in ihrer Anzahl und Höhe. Diese Minima und Maxima werden bestimmt durch die Anpassung des Substrats und des Mediums vermittels der Beschichtung. Jede Beschichtungskombination besitzt einen äquivalenten Brechnungsindex. Dieser ändert sich nicht, wenn weitere periodische Anordnungen zu der Beschichtung hinzugefügt oder von ihr weggenommen werden; er besitzt eine annähernd kontinuierliche Funktion. Normalerweise kann durch Auswählen der richtigen Kombination von Materialien A, B, C in der Beschichtung die bestmögliche Anpassung an die Unterlage und an das Medium erhalten werden. Wenn eine geeignete Anpassung auf diese Weise nicht erzielt werden kann, kann es notwendig sein, einen Anpassungsüberzug zu verwenden, um die Unterlage an das Medium anzupassenNormally, each additional period used in the coating increases the reflectivity, and this more and more approaches 100% as the coating is increased by further periodic arrangements. In the permeability range, the same effect is not achieved by adding further coatings, namely because of an interference effect which causes the occurrence of secondary minima and maxima which do not increase in size, but increase in number and height. These minima and maxima are determined by adapting the substrate and the medium by means of the coating. Each coating combination has an equivalent refractive index. This does not change if further periodic arrangements are added to or removed from the coating; it has an almost continuous function. Usually, by choosing the right combination of materials A, B, C in the coating, the best possible match to the substrate and medium can be obtained. If a suitable fit cannot be achieved in this way, it may be necessary to use a fit cover to fit the pad to the medium

ϊ Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, besitzt die Beschichtung Reflexionsbänder, die sich bei jeweils einer Wellenlänge befinden, die ein Teiluhgsverhältnis . von 4:1 hat. Dadurch wird die Bandbreite der Beschichtung bestimmt, die ihrerseits durch die geometrischen Verhältnisse der benutzten periodischen Anordnungen gegeben ist. Die Bandbreite dieser Beschichtung oder Belegung kann nicht wesentlich verändert werden, ohne daß eine andere Beschichtung benutzt wird. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine solche Belegung bei vielen Filteranwendungen von Nutzen sein kann, bei denen es erwünscht ist, ein breites Band durchzulassen und dieses Durchlaßband nach beiden Seiten hin scharf zu begrenzen. Aus der in F i g. 3 gezeigten Kurve ist zu ersehen, daß das Reflexionsband im Infrarotbereich (»Rot«) bei 1,6 Mikron und das Reflexionsband im Ultraviolettbereich (»Blau«) bei 0,4 Mikron liegt, woraus sich das annähernd 1:4 betragende Teilungsverhältnis ergibt. Diese Daten geben das Teilungsverhältnis nicht genau für alle gemäß der Erfindung hergestellten Beschichtungen an, weil der Brechnungsindex sich etwas mit der Wellenlänge ändert, was eine Änderung der optischen Dicke verursacht.ϊ As shown in Fig. 3 can be seen, has the coating Reflection bands that are each located at a wavelength that has a division ratio . of 4: 1 has. This increases the range of the coating determined, in turn, by the geometric relationships of the periodic Orders is given. The range of this coating or occupancy cannot be material can be changed without using a different coating. It is readily apparent that a such occupancy can be useful in many filter applications where it is desired to have a to pass a wide band and to sharply limit this pass band on both sides. From the in F i g. 3 it can be seen that the reflection band in the infrared range (»red«) at 1.6 microns and the ultraviolet ("blue") reflective band is 0.4 microns, from which the division ratio, which is approximately 1: 4 results. These data do not accurately indicate the split ratio for all made in accordance with the invention Coatings because the refractive index changes somewhat with wavelength, which is a change the optical thickness.

Die F i g. 4 bis 6 dienen zur Veranschaulichung de:The F i g. 4 to 6 serve to illustrate the:

Möglichkeit, eine scharfe Begrenzung des Durchlaßbandes und eine weitgehende Reflexion der Strahlung außerhalb seiner Grenzen zu erhalten.Possibility of a sharp limitation of the passband and extensive reflection of the radiation to get out of its limits.

In F i g. 4 ist die Durchlaßcharakteristik eines üblichen Ultraviolett oder »Blau« reflektierendenIn Fig. 4 is the transmission characteristic of a standard ultraviolet or "blue" reflective

2p Belags gezeigt.2p topping shown.

In F i g. 5 I ist eine graphische Darstellung gezeigt, bei der der in F i g. 3 veranschaulichte Belag mit dem Blau reflektierenden Belag von F i g. 4 kombiniert ist. Dieser Belag reflektiert Sonnenlicht bzw. solare Energie im Bereich unter 0,4 Mikron. Da der Belag das Sonnenlicht beiderseits dieser spektrumempfindlichen Bereiche der Sonnenzelle, d. h. im Ultraviolett- und angenäherten Infrarotbereich reflektiert, kann er als »Blau-Rot-Reflektor« bezeichnet werden. Bei einem gemäß der Erfindung hergestellten Filterbelag wurde gefunden, daß dieser annähernd die Hälfte derjenigen Energie reflektiert, deren Wellenlänge größer als 1,1 ist und. die etwa 23% der gesamten Sonnenenergie ausmacht.In Fig. 5 I is shown a graph in which the process shown in FIG. 3 illustrated covering with the blue reflective coating of FIG. 4 is combined. This covering reflects sunlight or solar energy in the range below 0.4 microns. Because the covering the sunlight on both sides of this spectrum-sensitive Areas of the solar cell, d. H. reflected in the ultraviolet and near infrared range, it can be called a »blue-red reflector«. In one made according to the invention The filter coating was found to reflect approximately half of the energy at its wavelength is greater than 1.1 and. which makes up about 23% of the total solar energy.

Wenn solche Beschichtungen auf einen Tragkörper oder eine Abdeckung aus Glas aufgebracht werden, wird die durchschnittliche Gesamtemission vergrößert. Dies geschieht deshalb, weil Glas im spektralen Bereich maximaler Empfindlichkeit der Siliziumsolarzellen durchsichtig ist und einen hohen Emissionswert im Infrarotbereich liefert. Aus diesem Grunde werden dünne Glasabdeckungen vorteilhaft auf die Oberseite der Solarzellenoberfläche unter Verwendung eines dünnen durchsichtigen organischen Klebemittels auf-.If such coatings are applied to a support body or a cover made of glass, the average total emission is increased. This is because glass is in the spectral range maximum sensitivity of the silicon solar cells is transparent and has a high emission value Infrared range supplies. For this reason, thin glass covers are beneficial on top the solar cell surface using a thin transparent organic adhesive.

geklebt. Jedoch wird in Anbetracht des Umstandes,· daß solche Klebemittel durch Ultraviolettbestrahlung dunkel werden können, ein Ultraviolett reflektierendes Filter, wie es in der Kurve von F i g. 4 veranschaulicht ist, auf die Unterfläche des Glases aufgebracht, um eine Verschlechterung des Klebemittels zu verhindern und die durchschnittliche solare Absorptionsfähigkeit der Zelle zu verkleinern.glued. However, in view of the fact that such adhesives are exposed to ultraviolet radiation dark, an ultraviolet reflective filter as shown in the curve of FIG. 4 illustrates is applied to the lower surface of the glass to prevent deterioration of the adhesive and decrease the average solar absorptive capacity of the cell.

Es wurde festgestellt, daß durch Verwendung einer solchen Filterglasabdeckung die durchschnittliche Gesamtemission der Solarzelle zwischen 0 und 150⁰C auf 0,85 bis 0,90 erhöht werden kann im Vergleich zu 0,80 für die blanke Solarzelle.It was found that by using such a filter glass cover the average total emission of the solar cell between 0 and 150 ⁰ C can be increased to 0.85 to 0.90 compared to 0.80 for the bare solar cell.

Die überzüge werden somit auf durchsichtige Unterlagen oder Tragkörper aufgebracht. Sie können aber auch unmittelbar auf die Solarzelle durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht werden, um einen unterschiedlichen Aufbau zu bilden. Wenngleich die auf diese Weise mit solchen Belägen erhaltenen Ergebnisse nicht mit den auf Glasabdeckungen aufgebrachten Belägen vergleichbar sind, so ergeben sie doch eine wesentliche Verbesserung gegenüber unabgedeckten Zellen.The coatings are thus applied to transparent documents or support bodies. You can but can also be applied directly to the solar cell by vacuum evaporation in order to achieve a to form different structure. Albeit the ones obtained in this way with such toppings Results are not comparable with the coatings applied to glass covers they are a significant improvement over uncovered cells.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Filteranordnung mit einem Durchlaßband von Ultraviolett bis etwa Infrarot, die aus mehreren auf mindestens einer Oberflächenseite eines durchsichtigen Tragkörpers periodisch übereinander angeordneten Schichten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten, die aus drei verschiedenen Materialien A, B, C mit verschiedenen Brechungsindizes Ti₁, M₂, n₃ bestehen, mit einer Periodizität ABCBA wie an sich bekannt angeordnet sind, daß die Schichten in an sich bekannter Weise je eine optische Dicke von einem Viertel der Bezugswellenlänge aufweisen und daß die Brechungsindizes nach der Formel1. Filter arrangement with a pass band from ultraviolet to about infrared, which consists of several layers periodically superimposed on at least one surface side of a transparent support body, characterized in that the layers, which are made of three different materials A, B, C with different refractive indices Ti ₁ , M ₂ , n ₃ exist, are arranged with a periodicity ABCBA as is known per se , that the layers each have an optical thickness of a quarter of the reference wavelength in a manner known per se and that the refractive indices according to the formula 9,4722 = "2("J₂-"ι"*)9.4722 = "2 (" J ₂ - "ι" *) W₁ «3 — «jW ₁ «3 -« j bemessen sind.are sized. 2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schichten noch ein zusätzlicher, ultraviolett reflektierender Belag angebracht ist.2. Filter arrangement according to claim 1, characterized in that one more on the layers additional, ultraviolet reflective covering is attached. 3. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schichten ein Wärmefilter, vorzugsweise mit einem Reflexionsverhältnis 3:1 angebracht ist.3. Filter arrangement according to claim 1, characterized in that a heat filter on the layers, is preferably attached with a reflection ratio of 3: 1. 4. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialien für die Schichten A = Magnesiumfluorid MgF₂, das einen relativ niedrigen Brechungsindex Ti₁ = 1,38 hat, B = Titandioxid TiO₂, dessen Brechungsindex mit n₃ = 2,30 relativ hoch liegt, und C = Lanthanoxid La₂O₃ mit dem die rechnerische Bedingung der genannten Formel erfüllenden Brechungsindex n₂ = 1,9 verwendet sind.4. Filter arrangement according to claim 1, characterized in that the materials for the layers A = magnesium fluoride MgF ₂ , which has a relatively low refractive index Ti ₁ = 1.38, B = titanium dioxide TiO ₂ , whose refractive index with n ₃ = 2.30 is relatively high, and C = lanthanum oxide La ₂ O ₃ with the refractive index n ₂ = 1.9 which fulfills the arithmetic condition of the formula mentioned. 5. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit ihrem durchsichtigen Tragkörper auf eine Solarzelle aufgeklebt ist.5. Filter arrangement according to claim 1, characterized in that it is transparent with its Support body is glued to a solar cell. 6. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraviolett reflektierender Belag auf dem durchsichtigen Tragkörper aufgebracht ist, um das Klebemittel gegen die Einwirkung von Ultraviolett zu schützen.6. Filter arrangement according to claim 5, characterized in that an ultraviolet reflective Covering is applied to the transparent support body to the adhesive against the action to protect from ultraviolet. in Elektrizität umgewandelt, so daß der Rest eine Erwärmung der Zellen und des Raumfahrzeugs bewirkt. Diese Wärme erhöht die Zellentemperatur und hat noch eine weitere Herabsetzung des Wirkungsgrades der Zelle zur Folge. Der einzig mögliche Weg, die Wärme im Raum abzuführen, ist die Wärmeabstrahlu'ng. Daher wird die Zellentemperatur hauptsächlich durch die optischen Eigenschaften der Solarzellenoberfläche bestimmt. Allgemein spricht eine Siliziumsolarzelle auf eine Strahlung zwischen 0,40 Mikron und etwa 1,1 Mikron an. Somit wird die Sonnenenergie außerhalb dieses Bandes nicht in Elektrizität umgewandelt und heizt, wenn sie absorbiert wird, lediglich die Solarzelle auf. Es sind viele Versuche gemacht worden, die unerwünschte Sonnenenergie von der Solarzelle fernzuhalten, so daß diese Energie die Solarzelle nicht aufheizt. Es haben sich jedoch beträchtliche Schwierigkeiten in dieser Hinsicht wegen der breiten spektralen Empfindlichkeit der Solarzelle zwischen 0,40 bis zu 1,1 Mikron ergeben. Bisher war noch kein geeignetes Filter verfügbar, das zu beiden Seiten dieses breiten Bandes reflektiert.converted into electricity, leaving the rest to heat the cells and the spacecraft. This heat increases the cell temperature and has a further decrease in efficiency result in the cell. The only possible way to dissipate the heat in the room is heat radiation. Therefore, the cell temperature is mainly determined by the optical properties of the solar cell surface definitely. In general, a silicon solar cell responds to radiation between 0.40 microns and about 1.1 microns. Thus, outside of this band, solar energy does not turn into electricity converted and, when it is absorbed, only heats up the solar cell. There are many attempts been made to keep the unwanted solar energy away from the solar cell, so that this energy the solar cell does not heat up. However, there have been considerable difficulties in this regard the wide spectral sensitivity of the solar cell between 0.40 and 1.1 microns. So far it was no suitable filter is yet available that reflects on both sides of this broad band. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filteranordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit deren Hilfe der Wirkungsgrad einer daran angekoppelten Siliziumsolarzelle durch Kleinhaltung von deren Arbeitstemperatur gesteigert werden kann.The invention is based on the object of providing a filter arrangement of the type mentioned at the beginning create, with the help of which the efficiency of a silicon solar cell coupled to it by keeping it small the working temperature of which can be increased. Die Lösung der genannten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Schichten, die aus drei verschiedenen Materialien A, B, C mit verschiedenen Brechungsindizes n_un₂, n₃ bestehen, mit einer Periodizität ABCBA wie an sich bekannt angeordnet sind, daß die Schichten in an sich bekannter Weise je eine optische Dicke von einem Viertel der Bezugswellenlänge aufweisen, und daß die Brechungsindizes nach der FormelAccording to the invention, the stated object is achieved in that the layers, which consist of three different materials A, B, C with different refractive indices n _u n ₂ , n ₃ , are arranged with a periodicity ABCBA, as is known per se, that the layers are in in a manner known per se each have an optical thickness of a quarter of the reference wavelength, and that the refractive indices according to the formula