CN103730577A - 制造图案化基板的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种制造图案化基板的方法，利用该方法，能够改善包括有机太阳能电池和有机发光二极管（OLED）的光伏电池的光学性能。所述方法包括下述步骤：通过利用电解质对基板进行处理而在基板的表面上产生静电力；使纳米颗粒被吸附在基板的所述表面上；使用纳米颗粒作为蚀刻掩模而蚀刻基板的所述表面；去除残留在基板的所述表面上的纳米颗粒。
Description
本申请要求于2012年10月12日提交的第10-2012-0113235号韩国专利申请的优先权，出于全部目的通过引用将上述申请的全部内容包含于此。
技术领域
本发明涉及一种制造图案化基板的方法，更具体地说，涉及这样一种制造图案化基板的方法，利用该方法，能够改善包括有机太阳能电池和有机发光二极管（OLED）的光伏电池的光学性能。
背景技术
当前处于公众关注点的下一代技术和产品包括以有机材料为基础的有机光子装置（organic photonic device）。例如，应用在移动显示器和固态照明（SSL）中的有机发光二极管（OLED）以及采用有机材料作为吸收层的有机太阳能电池是典型的有机光子装置。在这些装置中，目前，由于已经集中研究了有机材料，因而具有高水平性能的有机材料正在进行开发。
然而，为了构造这种有机光子装置，必须将有机材料与无机材料结合。使用于有机光子装置中的典型的无机材料包括透明电极、金属反射体电极、玻璃基板等。具体地说，透明无机材料由于不同的折射率等造成了大量的光损失。因此，这导致在提高光效率方面的明显障碍。
出于这些原因，尽管开发新的有机材料很重要，但是也需要持续研究和开发以提高无机材料的光效率。
提供本发明的背景部分中公开的信息仅是为了更好地理解本发明的背景，而不应该被认为是承认或者以任何形式表明该信息形成已经为本领域技术人员知晓的现有技术。
发明内容
本发明的各种方面提供了一种制造图案化基板的方法，利用该方法，能够改善包括有机太阳能电池和有机发光二极管（OLED）的光伏电池的光学性能。
在本发明的一方面，提供了一种制造光伏电池或有机发光二极管的图案化基板的方法。所述方法包括下述步骤：通过利用电解质对基板进行处理而在基板的表面上产生静电力；使纳米颗粒被吸附在基板的所述表面上；使用纳米颗粒作为蚀刻掩模而蚀刻基板的所述表面；去除残留在基板的所述表面上的纳米颗粒。
根据本发明的示例性实施例，利用电解质对基板进行处理的步骤可以包括：将基板浸入溶解有带正电的第一电解质的溶液中然后清洗基板的第一步；在第一步之后，将基板浸入溶解有带负电的第二电解质的溶液中然后冲洗基板的第二步；在第二步之后，将基板浸入到溶解有带正电的第三电解质的溶液中然后冲洗基板的第三步。
这里，第一电解质、第二电解质和第三电解质中的每个可以实现为溶解到水溶液中的有机材料。
具体地说，第一电解质和第三电解质可以是聚丙烯胺盐酸盐（PAH），第二电解质可以是聚苯乙烯磺酸（PSS）。
另外，第一电解质、第二电解质和第三电解质可以溶解在NaCl溶液中。
另外，利用电解质处理基板的步骤还可以包括在第三步之后干燥基板的第四步。
此外，使纳米颗粒被吸附的步骤可以包括：将基板浸入到其中分散有纳米颗粒的溶液中；将基板从所述溶液取出，并干燥基板。
另外，纳米颗粒可以由诸如SiO2、TiO2和Nb2O3的氧化物类材料中的一种或者聚合物材料制成。
此外，在产生静电力之前可以利用氧等离子体对基板的所述表面进行处理。
另外，基板可以实现为从由透明导电氧化物基板、蓝宝石基板、氮化镓基板和玻璃基板组成的组中选择的一种。
在本发明的一方面，提供了一种制造光伏电池的方法，所述方法包括使用制造图案化基板的方法在光伏电池的电极基板和玻璃基板中的至少一者的表面上形成图案。
在本发明的一方面，提供了一种制造有机发光二极管的方法，所述方法包括使用制造图案化基板的方法在有机发光二极管的玻璃基板、内部光提取基板和外部光提取基板中的至少一者的表面上形成图案。
根据本发明的实施例，由于利用电解质处理基板的表面，因此纳米颗粒被吸附在基板的表面上，并且使用吸附的纳米颗粒作为蚀刻掩模来图案化基板的表面。当图案化的基板被应用于有机光伏电池的透明电极基板或有机发光二极管（OLED）的光提取基板时，能够提高应用基板的有机光子装置的光效率。
本发明的方法和设备具有其它的特征和优点，所述其它的特征和优点将通过包含于此的附图和下面的具体实施方式而变得明显，或在附图和下面的具体实施方式中进行更详细的阐述，附图与下面的具体实施方式一起用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1到图8是顺序地示出了根据本发明实施例的制造图案化基板的方法的过程的示意图；
图9是示出了根据本发明实施例的制造图案化基板的方法中使用的电解质的化学结构的视图；
图10示出了在根据本发明实施例的制造图案化基板的方法中的二氧化硅（silica）纳米颗粒的分布的图像；
图11示出了根据本发明实施例的制造图案化基板的方法中的图案化基板的表面的图像；
图12是示出意图测量通过根据本发明实施例的制造图案化基板的方法所制造的图案化基板的间接光效率的构造的示意图；
图13是示出根据具有图12中示出的构造的图案化基板的蚀刻深度的波长-反射率变化的曲线图；
图14是示出根据通过根据本发明实施例的制造图案化基板的方法所制造的图案化基板的蚀刻深度的电流-电压变化的曲线图；
图15是示出通过根据本发明实施例的制造图案化基板的方法所制造的图案化基板的表面和通过对比例所制造的图案化基板的表面的原子力显微镜（AFM）图像。
具体实施方式
现在，将详细描述根据本发明的制造图案化基板的方法，本发明的实施例在附图中示出并在下面进行描述，从而本发明所属领域的普通技术人员可以容易地将本发明付诸实践。
在整个文件中，应该参照附图，其中，在不同的附图中始终使用相同的标号和符号来指示相同或相似的组件。在本发明的下面的描述中，当在此包括的已知功能和组件的详细描述会使本发明的主题不清楚时，将省略这些详细描述。
根据本发明实施例的制造图案化基板的方法是这样一种方法：制造具有图案化表面的基板，具有该图案化表面的基板适用于包括有机太阳能电池的光伏电池或者有机发光二极管（OLED）的光提取单元的透明电极基板。
如图1中所示，在根据本发明实施例的制造图案化基板的方法中，根据本发明实施例的制造图案化基板的方法包括：首先，制备基板100。基板100可以通过从透明导电氧化物（TCO）基板、蓝宝石基板、氮化镓（GaN）基板和玻璃基板中选择的一种来实施。TCO基板可以由氧化铟锡（ITO）、氧化锌（ZnO）等制成。基板100可以是在基部（未示出）上的沉积。基部（未示出）可以由具有优异的透光率和优异的机械性能的材料制成，例如，由诸如热固化或紫外线（UV）固化有机膜的聚合物材料或者诸如钠钙玻璃（SiO2-CaO-Na2O）或铝硅玻璃（SiO2-Al2O3-Na2O）的化学钢化玻璃制成。另外，基板可以通过溅射或化学气相沉积（CVD）而沉积在基部（未示出）上。当根据本发明实施例的基板100是玻璃基板时，基部（未示出）可以用作基板100。
然后，利用电解质对制备的基板100进行处理。利用电解质处理基板100，以在基板100的表面上产生静电力，从而纳米颗粒（图5中的130）可以在随后的过程中通过静电吸引力而被吸附在基板100的表面上。根据本发明的实施例，可以通过向基板100和电解质给予相反的电荷以产生静电吸引力。
根据本发明的实施例，在利用电解质进行处理之前，基板100的表面可以利用氧（O2）等离子体进行处理。当利用氧等离子体处理基板100的表面时，基板100的表面变得富含氧，从而基板100的表面变为带更多负电。
之后，如图2中所示，将利用氧气等离子体处理后的基板100浸入到溶解有带正电的第一电解质110的溶液中。然后，利用去离子水清洗基板100。此时，第一电解质110可以通过溶解到水溶液中的有机材料来实现。根据本发明的实施例，第一电解质110可以通过具有图9中的（b）部分中示出的化学结构的聚丙烯胺盐酸盐（PAH）来实现。
接下来，如图3中所示，将基板100再次浸入溶解有带负电的第二电解质120的溶液中。然后，利用去离子水清洗基板100。此时，与第一电解质110类似，第二电解质120可以通过溶解到水溶液中的有机材料来实现。具体地说，第二电解质120可以通过具有图9中的（a）部分中示出的化学结构的聚苯乙烯磺酸（PSS）来实现。
之后，如图4中所示，将基板100再次浸入溶解有带正电的第三电解质的溶液中。如图4中所示，第三电解质可以是与第一电解质相同的材料。然后利用去离子水清洗基板100，随后进行干燥。在这种情况下，第一电解质110和第二电解质120可以通过被溶解在NaCl溶液中来制备。
如在本发明的该实施例中，交替地使用电荷相反的电解质溶液，以使在随后的过程中被吸附在基板100的表面上的单层纳米颗粒（图5中的130）均匀地且随机地分布。
之后，如图5中所示，纳米颗粒130通过在因上述的电解质处理而被赋予静电力的基板100的表面上的静电吸引力而被吸附。根据本发明的实施例，纳米颗粒130可以通过诸如SiO2、TiO2或Nb2O3的氧化物类材料中的一个或者诸如聚苯乙烯（PS）的聚合物材料来实现。
例如，当纳米颗粒130由SiO2制成时，使纳米颗粒130被吸附的过程包括：首先，将利用电解质处理过的基板100浸入分散有直径为大约500nm的纳米颗粒130的溶液中，然后将基板100在该溶液中保持大约30分钟到大约1小时。此时，纳米颗粒130通过静电吸引力而被吸附在基板100的表面上，如图10中所示，纳米颗粒130随机地分布。这里，吸附在基板100上的纳米颗粒130的浓度由分别溶解有第一电解质110和第二电解质120的NaCl溶液的摩尔浓度所决定。
之后，将基板100从溶液中取出，并在大约100℃的温度下充分干燥。
接下来，如图6和图7中所示，使用纳米颗粒130作为蚀刻掩模通过蚀刻过程对基板100的表面进行蚀刻，在蚀刻过程之后，去除残留在基板100的表面上的纳米颗粒130，由此产生图案化基板100a，如图8和图11中所示。图案化基板100a在表面上具有纳米和微米尺度的凹凸结构101，即，纳米和微米尺度的随机图案。这里，当基板100作为TCO基板来实现时，可以通过反应离子蚀刻（RIE）来执行蚀刻。蚀刻气体实现为Ar/O2混合气体。另外，当基板100作为蓝宝石基板或GaN基板实现时，需要通过电感耦合等离子体（ICP）来执行蚀刻。此时，蚀刻气体可以实现为BCl4。另外，当基板100实现为玻璃基板时，当使用TCO基板时，可以通过RIE等来执行蚀刻。在这种情况下，当CF4被用作蚀刻气体时，可以提高蚀刻效率。
由于引起纳米颗粒130和基板100之间的吸引力的电解质的电荷非常小，因此二氧化硅纳米颗粒130可以通过超声波、物理搅拌、研磨等容易地从基板100的表面去除。
根据本发明的实施例，为了检查因ITO薄膜的表面图案化引起的光效率的间接提高，在反射层由PEDOT:PSS材料制成的假设下，测量反射率，如图12中所示。参照图13中的波长-反射率变化曲线图，可以观察出的是，在可见光的波长范围内，根据蚀刻深度的未图案化ITO（参考ITO）的反射率逐渐减小。具体地说，测量出ITO的反射率在60nm的蚀刻深度时最低。低的反射率表明大量的光穿过PEDOT:PSS材料向外发射，并且当该ITO薄膜应用于有机太阳能电池的透明电极时，较大量的光传递到有机太阳能电池的光吸收层。
另外，图14是示出根据ITO的蚀刻深度的功率转换效率的曲线图。得出的结论是，图案化的ITO的效率比未图案化ITO（参考ITO）的效率好，并且在30nm的蚀刻深度时效率最佳。参照曲线图，可以认识到的是，开路电压Voc为大约0.58eV，这在所有的样品中是一样的，但是短路电流根据ITO表面的蚀刻深度不同。这表明当ITO从ITO表面沿深度方向被蚀刻地越深时，更多的光进入到光吸收层并被转化成电。
另外，将图13中的反射率与图14中的光电转换效率比较，在30nm或更大的蚀刻深度下在反射率和光电转换效率之间未建立线性关系。这是由于光吸收层的空穴传输层的厚度为大约30nm，而在具有30nm或更大的蚀刻深度的有机太阳能电池中，有机太阳能电池的光吸收层与ITO薄膜彼此直接接触存在高的可能性，从而阻碍装置性能方面的任何提高。
基于以上的试验分析，当具有随机分布的凹凸结构形成在涂覆在根据本发明实施例的玻璃基板上的ITO的表面上时，当穿过具有不同的折射率的介质之间的界面时可以发出更多光。因此，当图案化基板应用于有机太阳能电池的透明电极时，光效率能够提高。图案化基板还可以被应用于光提取基板，以提高有机发光装置的光效率。
图15是示出根据本发明实施例的利用电解质处理多次然后蚀刻的ITO薄膜的表面和利用电解质处理一次然后蚀刻的对比例的ITO薄膜的表面的原子力显微镜（AFM）图像。得出的结论是，利用电解质处理多次的ITO薄膜（a）比对比例的ITO膜（b）具有更均匀的结构。观察出的是，对比例（b）的ITO薄膜具有非均匀的表面状态，并且其蚀刻的表面区域局部团聚。
下面的表1示出了涉及测量本发明的光伏转换效率的因素。
表1
参照表1，随着蚀刻深度增加片电阻非常小幅地增加。当蚀刻深度为30nm时，总体效率最高。相反，当蚀刻深度更深时，效率降低。
已经针对附图给出了对本发明的特定示例性实施例的前面的描述。这些示例性实施例并不意图是穷举性的或者将本发明局限于所公开的精确形式，并且明显的是，在以上教导的启示下，本领域普通技术人员能够做出许多修改和变化。
因此，本发明的范围并不意图局限于前述的实施例，而是意图由权利要求和它们的等同物所限定。
Claims (12)
1.一种制造光伏电池或有机发光二极管的图案化基板的方法，所述方法包括下述步骤：
通过利用电解质对基板进行处理而在基板的表面上产生静电力；
使纳米颗粒被吸附在基板的所述表面上；
使用纳米颗粒作为蚀刻掩模而蚀刻基板的所述表面；
去除残留在基板的所述表面上的纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其中，利用电解质对基板进行处理的步骤包括：
将基板浸入溶解有带正电的第一电解质的溶液中然后清洗基板的第一步；
在第一步之后，将基板浸入溶解有带负电的第二电解质的溶液中然后冲洗基板的第二步；
在第二步之后，将基板浸入溶解有带正电的第三电解质的溶液中然后冲洗基板的第三步。
3.如权利要求2所述的方法，其中，第一电解质、第二电解质和第三电解质中的每个包括溶解到水溶液中的有机材料。
4.如权利要求3所述的方法，其中，第一电解质和第三电解质均包括聚丙烯胺盐酸盐，第二电解质包括聚苯乙烯磺酸。
5.如权利要求4所述的方法，其中，第一电解质、第二电解质和第三电解质溶解在NaCl溶液中。
6.如权利要求2所述的方法，其中，利用电解质处理基板的步骤还包括在第三步之后干燥基板的第四步。
7.如权利要求1所述的方法，其中，使纳米颗粒被吸附的步骤包括：
将基板浸入到使纳米颗粒分散的溶液中；
将基板从所述溶液取出，并干燥基板。
8.如权利要求1所述的方法，其中，纳米颗粒包括氧化物类材料中的一种或者聚合物材料，氧化物类材料包括SiO2、TiO2和Nb2O3。
9.如权利要求1所述的方法，其中，在产生静电力之前利用氧等离子体对基板的所述表面进行处理。
10.如权利要求1所述的方法，其中，基板包括从由透明导电氧化物基板、蓝宝石基板、氮化镓基板和玻璃基板组成的组中选择的一种。
11.一种制造光伏电池的方法，所述方法包括使用如权利要求1所述的方法在光伏电池的电极基板和玻璃基板中的至少一者的表面上形成图案。
12.一种制造有机发光二极管的方法，所述方法包括使用如权利要求1所述的方法在有机发光二极管的玻璃基板、内部光提取基板和外部光提取基板中的至少一者的表面上形成图案。
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