CN105449011B - 一种太阳能电池微透镜阵列薄膜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池微透镜阵列薄膜及其制作方法，该方法包括如下步骤：一、运用光学模拟软件设计折射型微透镜阵列表面形貌；二、利用光刻法定义微透镜阵列底面形状；三、利用干法刻蚀工艺制作具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具；四、聚合物微透镜阵列薄膜的压印制作。该方法由于首先利用光学软件设计适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列表面形貌，然后利用干法刻蚀工艺，并通过调整干刻蚀工艺参数，可以制作出具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具，经过翻印可以制得太阳能电池聚合物微透镜阵列薄膜。通过该方法能制作出不同于球面或抛物面等规则几何体的复杂形貌，具有工艺简单、可控性好、精度高及成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微制造领域，尤其涉及一种太阳能电池微透镜阵列薄膜及其制作方法。
背景技术
作为一种可再生的绿色能源，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，对解决当前日益严重的能源短缺与环境污染问题有着重要的意义。太阳能光伏发电作为具有优异特性的太阳能利用方式，被认为是当今世界最具有发展空间的新能源技术之一。然而，在太阳能电池产业如火如荼的发展进程中，光电转换效率较低是禁锢其快速发展和广泛应用的瓶颈，微透镜阵列增效膜是一种贴覆在太阳能电池上的薄膜，其可通过提升太阳能电池的光捕捉效率有效促进光电转换效率，在太阳能电池的发展应用等方面具有极大的开发价值和市场前景。
然而，目前在微透镜阵列增效膜发展进程中存在的问题如下：（1）现有的提升太阳能电池光捕捉效率的方法主要用于改善传统的硅基太阳能电池的光电转换效率，对于新型的有机薄膜太阳能电池以及其它的新型太阳能电池则并不完全适合。同时，如何解决微透镜阵列增效膜与多种太阳能电池的集成性问题尚欠缺考虑。（2）现在市场上的折射型微透镜阵列增效膜的表面轮廓面形相对固定，如球面或抛物面。然而，可提升太阳能电池光捕获效率的最优透镜表面面形需精确设计，并采用特殊的工艺完成制作，成本高昂，将极大地限制其在太阳能电池领域的应用和产业化前景。
CN200910030083.8公开了一种太阳能电池增效膜，该增效膜即为一种具有微透镜阵列结构的太阳能电池薄膜，然而该专利申请并未公开该薄膜的制造方法。
CN201310389195.9公开了一种微透镜阵列装置、制造方法及具备其的太阳能电池模块，该微透镜阵列装置的制造是通过微珠的形状得到透镜的形状，因此透镜的形状受微珠形态的限制，局限性较大。
CN201310039891.7公开了一种薄膜太阳能电池陷光结构玻璃的制备及其应用，该专利申请是在薄膜太阳能电池的玻璃基片上得到半球凹坑阵列结构，是一种陷光结构，不属于太阳能电池增效薄膜，且所得到的微透镜结构为半球形凹坑，同样具有局限性。
由此可见，微透镜阵列增效薄膜是有效提升太阳能电池直射光和散射光吸收能力的重要途径，因此，开发工艺简单、成本低廉的微透镜阵列制作工艺是促进微透镜阵列增效膜在太阳池领域应用和产业化发展前景的关键问题和重要方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出一种工艺简单、成本低廉的太阳能电池微透镜阵列薄膜制作工艺，该方法具有工艺简单、可控性好、精度高及成本低等优点，是一种实现太阳能电池微透镜阵列薄膜大规模生产的重要途径。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：运用光学模拟软件设计折射型微透镜阵列表面形貌；
步骤二：利用光刻法定义微透镜阵列底面形状；
一、在硅基板上涂布正性光刻胶；
二、利用光刻技术制作光刻胶微柱孔阵列，即将具有微透镜阵列底面图案的掩模板置于光刻胶正上方合适的距离后执行曝光及显影工序，从而在硅基板上形成光刻胶微柱孔；
步骤三：利用干法刻蚀工艺，通过调整干刻蚀工艺参数，对步骤二中形成的微柱孔处的硅基板进行刻蚀，制作具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具；
步骤四：聚合物微透镜阵列薄膜的压印制作；
一、将有机高分子材料置于一块平基板之上；
二、将步骤三中制作的硅基微透镜阵列模具放置于有机高分子材料之上，并对基板进行加热，使温度高于压印有机高分子材料玻璃化温度；当温度达到压印温度时，保持该温度并施加适当的压力进行压印；稳定一段时间，使有机高分子材料能够充分形成与硅基微透镜阵列模具相吻合的结构；然后保持压力的同时降温至低于有机高分子材料的玻璃化转变温度，以使有机高分子材料保持住模具结构的形貌固化；
四、当有机高分子材料完全固化后，使模具、基板分别和固化的有机高分子材料分离，所分离的有机高分子材料即为翻模制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜。
所述步骤一中，利用ASAP光学模拟软件进行光线入射至太阳能电池内的穿透率，当越多的光线进入电池内，可供光电转换的能量就越多，通过分析不同光学特性造成的不同的光穿透率，研究光电转换的效率，以此确定适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列的最优表面形貌。
所述光刻胶采用WH-304型光刻胶。
所述步骤二中第一点，在涂布光刻胶之前先对硅基板进行清洗及烘烤。
所述步骤二中的第一点，在硅基板涂光刻胶采用两段式旋转涂布，即将硅基板放在旋胶机的承片架上，滴上适量的光刻胶，先以低速旋转的方式，使光刻胶缓慢旋开至硅基板的边缘，再以高速旋转控制光刻胶的厚度。
所述步骤二中的第二点，利用光刻技术制作微透镜阵列底面形状的具体步骤为：
（a）前烘；
将涂好WH-304胶的硅基板置于温度为100℃的热板上烘烤90秒，冷却后进行后续曝光步骤；
（b）曝光；
使用波长为350~400nm的近紫外光的曝光机进行曝光，进行掩模板的图像转移，参照WH-304胶的曝光参数，设定曝光强度为60~85mJ，曝光时间为90-120秒；
（c）显影；
选用的显影液为0.4~0.6%NaOH或WH-3038，采用喷淋或浸渍的方法显影1分钟，显影后呈现出WH-304胶微细柱孔阵列结构；
（d）后烘；
先将显影后的硅基板置于120℃的加热板上加热2分钟，然后置于120℃的烘道中烘烤1~2分钟，即可形成WH-304胶微细柱孔阵列。
所述步骤三中的干法刻蚀工艺主要分为两个阶段来进行：
第一阶段形成微透镜模具的大致形状，其中化学式刻蚀占主导地位，几乎没有方向性，完全的化学主导刻蚀反应使得晶片的横截面成等向性；
第二阶段将对第一阶段形成的大致形状进行有方向性的修饰，该过程中物理/化学式刻蚀交互竞争，刻蚀、高分子保护膜的形成与去除使得刻蚀面的非等向性会比较好。
所述步骤三中第一阶段中通入的气体为：SF6/O2，第二阶段通入的气体为C4F8/XeF2。
所步骤三工艺过程中，调整干刻蚀工艺参数包括下电极瓦数、上电极瓦数、反应电极距离、气体流量、压力、交替时间、光罩种类、硅基板曝光面积或硅片尺寸，以此来进行非等向及等向性刻蚀，从而实现具有设计形貌的微透镜阵列模具的制作。
所述步骤四中，在压印前，在硅基微透镜阵列模具或者模板之上涂覆一层脱模剂。
所述步骤四在太阳能电池微透镜阵列薄膜制作完成之后，对模具和压印成型的微透镜阵列薄膜经过RCA清洗法进行清洗及烘烤。
通过上述方法可以制作出太阳能电池微透镜阵列薄膜。
采用上述方案后，本发明首先利用光学软件设计适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列表面形貌，然后利用光刻及干法刻蚀工艺制作具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具。该方法主要有以下几个特点：
第一、可以通过调整干刻蚀工艺参数（下电极瓦数、上电极瓦数、反应电极距离、气体流量、压力、交替时间、光罩种类、硅基板曝光面积和硅片尺寸等）来进行刻蚀，使硅基微透镜阵列模具的形貌达到设计形貌。因此，通过该方法设计的硅基微透镜阵列模具的形貌在设计上有很大自由度，能制作出不同于球面或抛物面等规则几何体的更加复杂的形貌，以此确定适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列的最优表面形貌。
第二、模具的基底材料为硅，来源广且价格便宜。
第三、该发明中所涉及的工艺过程主要为光刻法和干法刻蚀法，工艺相对简单。
因此，本发明具有工艺简单、设计自由度高、精度高及成本低等优点。
附图说明
图1为本发明制作太阳能电池微透镜阵列薄膜的流程图；
图2为本发明步骤二在硅基底涂布WH-304胶的三维结构示意图；
图3为本发明步骤二中曝光过程示意图；
图4为本发明步骤二中形成的WH-304胶微细圆柱孔阵列；
图5为本发明步骤三中干法刻蚀工艺示意图；
图6为本发明步骤三中去除光刻胶后模具示意图；
图7为本发明方案中翻模制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
本发明所揭示的是一种太阳能电池微透镜阵列薄膜及其制作方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：运用光学模拟软件设计适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列表面形貌。
该步骤中，可以利用ASAP（Advanced system analysis program）光学模拟软件进行光线入射至太阳能电池内的穿透率。当越多的光线进入电池内，可供光电转换的能量就越多，通过分析不同光学特性造成的不同的光穿透率，研究光电转换的效率。以此确定适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列的最优表面形貌，并且可以针对不同种类的太阳能电池进行设计优化。
步骤二：利用光刻法定义微透镜阵列底面形状。
为使太阳能电池微透镜阵列薄膜的表面填充因子达到最大化，微透镜阵列的各透镜底面形状可以设计为圆形、正方形、六边形或等边三角形（本发明以圆形为例）。
具体步骤为：
一、在硅基板上以既定的厚度涂布正性光刻胶，可以采用WH-304型光刻胶。
（1）硅基板清洗及烘烤：在涂布光刻胶之前可以先对硅基板进行清洗及烘烤。
可采用如下清洗方法：首先利用浓硫酸清洗：将硅基板放入烧杯，并倒入适量浓硫酸，放置于抽风柜内的电炉上，打开抽风机，加热10~15分钟，待浓硫酸冒烟后拔下插头；冷却半小时后，将浓硫酸倒入废液瓶中，并用去离子水对硅基板进行超声清洗。然后，利用丙酮清洗：将硅基板用丙酮的棉球擦拭过后，再浸入装有丙酮的烧杯放入超声波清洗机中，10~15分钟后取出。最后，利用无水乙醇清洗：用浸过无水乙醇的棉球擦拭硅基板，再浸入装有无水乙醇的烧杯放入超声波清洗机中，10~15分钟后取出，用去离子水喷洗其抛光面后甩干。上述方法是常规的硅基板清洗方法，源于RCA标准清洗法。
硅基板进行清洗之后通常还要进行烘烤，具体方法可以为：将洗净后的硅基板放入烤箱，在120~150℃下去水烘烤200~300秒，以清除硅基板表面的水气残留使硅基板充分干燥，有利于光刻胶的均匀涂布。
（2）在硅基板上涂布WH-304胶。
在硅基板上涂布WH-304近紫外光正性光刻胶，可以采用旋转的方式进行涂布，以便涂布更加均匀。配合图2所示，图2中，1为硅基板，2为WH-304光刻胶。
具体涂布方法为：将硅基板放在旋胶机的承片架（图中未示出）上，选择规格为10map.s的WH-304胶，往硅基板上滴适量的WH-304胶，先以低速旋转的方式使WH-304胶缓慢旋开至硅基板的边缘，然后通过高速旋转以增加WH-304胶的均匀性并得到所需的厚度。本实施例，可以先以转速600rpm旋胶15秒，然后以转速2200rpm旋胶30秒，旋涂结束后光刻胶的膜厚约为180μm。
二、利用光刻技术制作WH-304胶微细圆柱孔阵列：即将具有微透镜阵列底面图案的掩模板置于光刻胶正上方合适的距离后执行曝光及显影工序，从而在硅基板上形成WH-304胶圆柱微孔。配合图3所示，图3中，1为硅基板，2为WH-304光刻胶，3为掩模板。
光刻技术一般需要经过前烘、曝光、显影、后烘等几个步骤，光刻技术虽是现有技术，但根据不同的工艺，采用的具体参数有所不同，本发明通过大量的尝试与研究，确定了如下具体步骤及参数：
（a）前烘：
由于在旋涂光刻胶的过程中，从硅基板中心至边缘的离心力逐渐增大，因此在旋转过程中胶层会出现少许的倾斜现象，而且边缘也会出现凸起，前烘的目的是使光刻胶受热后达到自平坦的目的。同时，也是避免WH-304胶与硅基板间的热膨胀系数差异导致的增温过快造成的龟裂现象。
本发明采用的具体前烘参数为：将涂好WH-304胶的硅基板置于温度为100℃的热板上烘烤90秒后，使WH-304胶内部的溶剂移动至表面并蒸发出来，可改善胶层表面及内部溶剂蒸发不均匀的现象，还可减少边缘凸起现象并增加WH-304胶与硅基板的黏附性；冷却后进行后续曝光步骤。
（b）曝光：
如图3所示，因WH-304胶对波长为365nm左右的紫外光比较敏感，因此采用近紫外光（波长为350~400nm）的曝光机进行曝光，可采用Karl Suss公司生产的曝光系统MA6进行掩模板3的图像转移，参照WH-304胶的曝光参数，设定曝光强度为60~85mJ，曝光时间为90-120秒。
（c）显影；
将硅基板置于0.4~0.6%NaOH或WH-3038的显影液中，采用喷淋或浸渍的方法显影1分钟。该过程中，曝光的部分会发生断链反应，易溶于显影液，从而被清洗掉，呈现出WH-304胶微细圆柱孔阵列结构；
（d）后烘；
后烘是为了使结构更加稳定，先将显影后的硅基板置于120℃的加热板上加热2分钟，然后置于120℃的烘道中烘烤1~2分钟，即可形成WH-304胶微细圆柱孔阵列。如图4所示，图4中，1为硅基板，4为圆柱孔，5为残留WH-304胶。
步骤三：利用干法刻蚀工艺，通过调整干刻蚀工艺参数，对步骤二中形成的微细圆柱孔处的硅基板进行刻蚀，制作具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具。
该过程可以利用英国STS公司生产的Mesc Multiplex ICP（感应耦合电浆刻蚀）设备，主要是利用螺管线圈电功率，将充入刻蚀机内的SF6/O2、C4F8/XeF2气体以感应耦合方式产生高密度的电浆，对步骤二中形成的微细圆柱孔处的硅基板进行物理及化学刻蚀，通过调整干刻蚀工艺参数，以形成设计的形貌。如图5所示，图5中，1为硅基板，5为残留WH-304胶，6为电浆（离子）。去除光刻胶之后，制得硅基微透镜阵列模具如图6所示。
该步骤工艺主要可以分为两个阶段来进行：
第一阶段形成微透镜模具的大致形状，其中化学式刻蚀占主导地位，几乎没有方向性，完全的化学主导刻蚀反应使得晶片的横截面成等向性；通常，该阶段通入的气体为：SF6/O2。
第二阶段将对第一阶段形成的大致形状进行有方向性的修饰，该过程中物理/化学式刻蚀交互竞争，刻蚀、高分子保护膜的形成与去除使得刻蚀面的非等向性会比较好。该第二阶段通入的气体通常为C4F8/XeF2。
以上述方法制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜模具具有如下优点：第一、可以通过调整干刻蚀工艺参数（下电极瓦数、上电极瓦数、反应电极距离、气体流量、压力、交替时间、光罩种类、硅基板曝光面积和硅片尺寸等）来进行刻蚀，使硅基微透镜阵列模具的形貌达到设计形貌。因此，通过该方法设计的硅基微透镜阵列模具的形貌在设计上有很大自由度，能制作出不同于球面或抛物面等规则几何体的更加复杂的形貌，以此确定适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列的最优表面形貌。第二、模具的基底材料为硅，来源广且价格便宜。第三、该发明中所涉及的工艺过程主要为光刻法和干法刻蚀法，工艺相对简单。
步骤四：聚合物微透镜阵列薄膜的压印制作；
一、将有机高分子材料（本发明以PMMA为例）置于一块平的基板之上。对于某些有机高分子材料，或者采用的模板材料不同，为使聚合物微透镜阵列薄膜能与模具或者模板顺利的分离，可以在模具或者模板表面涂覆一层脱模剂。脱模剂的涂覆可以采用蒸镀的方式，使得脱模剂的涂覆更加均匀。
二、将步骤三中制作的硅基微透镜阵列模具放置于PMMA材料之上，并对基板进行加热，使温度高于压印PMMA材料玻璃化温度。当温度达到压印温度时，保持该温度并施加适当的压力进行压印。稳定一段时间，使PMMA材料能够充分形成与硅基微透镜阵列模具相吻合的结构。然后保持压力的同时降温至低于PMMA材料的玻璃化转变温度，以使PMMA材料保持住模具结构的形貌固化。
三、当PMMA材料完全固化后，使模具、模板分别和固化的PMMA材料分离，所分离的PMMA材料即为翻模制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜，如图7所示。
四、之后可进一步对模具和压印成型的PMMA材料经过RCA清洗法进行清洗及烘烤。
具体清洗方法如下：首先利用浓硫酸清洗：将硅基板放入烧杯，并倒入适量浓硫酸，放置于抽风柜内的电炉上，打开抽风机，加热10~15分钟，待浓硫酸冒烟后拔下插头；冷却半小时后，将浓硫酸倒入废液瓶中，并用去离子水对硅基板进行超声清洗。然后，利用丙酮清洗：将硅基板用丙酮的棉球擦拭过后，再浸入装有丙酮的烧杯放入超声波清洗机中，10~15分钟后取出。最后，利用无水乙醇清洗：用浸过无水乙醇的棉球擦拭硅基板，再浸入装有无水乙醇的烧杯放入超声波清洗机中，10~15分钟后取出，用去离子水喷洗其抛光面后甩干。上述方法是常规的硅基板清洗方法，源于RCA标准清洗法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：运用光学模拟软件设计折射型微透镜阵列表面形貌；
步骤二：利用光刻法定义微透镜阵列底面形状；
一、在硅基板上涂布正性光刻胶；
二、利用光刻技术制作光刻胶微柱孔阵列，即将具有微透镜阵列底面图案的掩模板置于光刻胶正上方后执行曝光及显影工序，从而在硅基板上形成光刻胶微柱孔陈列，进而定义出微透镜阵列底面形状；
步骤三：利用干法刻蚀工艺，通过调整干刻蚀工艺参数，对步骤二中形成的微柱孔处的硅基板进行刻蚀，制作具有设计形貌的硅基微透镜阵列模具；
步骤四：聚合物微透镜阵列薄膜的压印制作；
一、将有机高分子材料置于一块平基板之上；
二、将步骤三中制作的硅基微透镜阵列模具放置于有机高分子材料之上，并对基板进行加热，使温度高于压印有机高分子材料玻璃化温度；当温度达到压印温度时，保持该温度并施加压力进行压印；稳定一时间，使有机高分子材料能够充分形成与硅基微透镜阵列模具相吻合的结构；然后保持压力的同时降温至低于有机高分子材料的玻璃化转变温度，以使有机高分子材料保持住模具结构的形貌固化；
三、当有机高分子材料完全固化后，使模具、基板分别和固化的有机高分子材料分离，所分离的有机高分子材料即为翻模制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述步骤一中，利用ASAP光学模拟软件进行光线入射至太阳能电池内的穿透率，当越多的光线进入电池内，可供光电转换的能量就越多，通过分析不同光学特性造成的不同的光穿透率，研究光电转换的效率，以此确定适用于增加太阳能电池光捕捉效率的折射型微透镜阵列的最优表面形貌。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述光刻胶采用WH-304型光刻胶。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述步骤二中第一点，在涂布光刻胶之前先对硅基板进行清洗及烘烤。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述步骤二中的第一点，在硅基板涂光刻胶采用两段式旋转涂布，即将硅基板放在旋胶机的承片架上，滴上适量的光刻胶，先以低速旋转的方式，使光刻胶缓慢旋开至硅基板的边缘，再以高速旋转控制光刻胶的厚度。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述步骤二中的第二点，利用光刻技术制作光刻胶微柱孔阵列的具体步骤为：
(a)前烘；
将涂好WH-304胶的硅基板置于温度为100℃的热板上烘烤90秒，冷却后进行后续曝光步骤；
(b)曝光；
使用波长为350～400nm的近紫外光的曝光机进行曝光，进行掩模板的图像转移，参照WH-304胶的曝光参数，设定曝光强度为60～85mJ，曝光时间为90-120秒；
(c)显影；
选用的显影液为0.4～0.6％NaOH或WH-3038，采用喷淋或浸渍的方法显影1分钟，显影后呈现出WH-304胶微细柱孔阵列结构；
(d)后烘；
先将显影后的硅基板置于120℃的加热板上加热2分钟，然后置于120℃的烘道中烘烤1～2分钟，即可形成WH-304胶微细柱孔阵列。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于所述步骤三中的干法刻蚀工艺主要分为两个阶段来进行：
第一阶段形成微透镜模具的形状，其中化学式刻蚀占主导地位，完全的化学主导刻蚀反应使得晶片的横截面成等向性；
第二阶段将对第一阶段形成的形状进行有方向性的修饰，该过程中物理/化学式刻蚀交互竞争。
8.根据权利要求7所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所述步骤三中第一阶段中通入的气体为：SF6/O2，第二阶段通入的气体为C4F8/XeF2。
9.根据权利要求1、7、8之一所述的一种太阳能电池微透镜阵列薄膜的制作方法，其特征在于：所步骤三工艺过程中，调整干刻蚀工艺参数包括下电极瓦数、上电极瓦数、反应电极距离、气体流量、压力、交替时间、光罩种类或硅基板曝光面积，以此来进行非等向及等向性刻蚀，从而实现具有设计形貌的微透镜阵列模具的制作。
10.根据权利要求1-9之一所述方法制作的太阳能电池微透镜阵列薄膜。
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