CN105470341A - 一种廉价无序宽谱广角减反结构及其制作方法 - Google Patents

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张瑞英
王岩岩
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Abstract

本申请公开了一种廉价无序宽谱广角减反结构及其制作方法，其方法包括步骤：s1、在基底材料（或结构）表面沉积介质膜；s2、在所述介质膜表面形成金属胶体薄膜；s3、对所述金属胶体薄膜进行热处理，获得金属纳米结构；s4、以所述金属纳米结构为掩膜对所述介质膜进行刻蚀，形成减反结构；s5、去除金属纳米结构。本发明的介质纳米结构制备方案简单易行、可实现大面积、只需要低温、制备能耗低和效率高。而制备的无序介质纳米结构连同残余金属掩模可获得非常好的宽谱广角减反效果。

Description

一种廉价无序宽谱广角减反结构及其制作方法
技术领域
本申请属于光学和光电子学领域，特别是涉及一种廉价无序宽谱广角减反结构及其制作方法。
背景技术
宽谱广角减反是诸多光学领域需要的器件功能特性，如何廉价大面积织构表面获得需要的宽谱广角减反且不损害器件其他功能特性一直是光学和光电子学领域追求的目标。
就光伏领域而言，III-V太阳电池和Si系太阳电池是光伏领域的主要元器件，但高折射率使得其反射损耗高达30%以上，自身纳米级表面织构化虽然能够实现宽谱减反，但由此导致的表面非辐射复合使得其载流子收集困难，不能有效提高电池效率，如何不破坏其表面载流子收集能力而提高其宽谱减反性能一直是光伏领域的难题。
虽然太阳电池表面涂覆介质膜成为减反的主要方法，并将其表面纳米级织构化更有助于其宽谱减反，但其制备工艺大多需要纳米量级光刻，价格昂贵，无易于提高电池的性价比；金属自组装作为廉价大面积纳米结构图案的形成方案被广泛采用，但是高的自组装温度使得该方案与许多光电子器件的制备流程不相兼容，且会破坏原有器件的性能，另外，高温导致的能量损耗也使其成本增加。因此，如何廉价制备满足上述需求的宽谱减反结构为相关领域所瞩目。
发明内容
本发明的目的在于提供一种廉价无序宽谱广角减反结构及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开了一种廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，包括步骤：
s1、在基底材料表面沉积介质膜；
s2、在所述介质膜表面形成金属胶体薄膜；
s3、对所述金属胶体薄膜进行热处理，获得金属纳米结构；
s4、以所述金属纳米结构为掩膜对所述介质膜进行刻蚀，形成减反结构；
s5、去除金属纳米结构。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述基底材料可以为半导体、绝缘体、导体或者它们的堆叠组合；还可以为有机材料或无机材料或者他们的组合。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述金属有机胶体薄膜为金、银、铜、铁、铝、铂、钛、镍胶体薄膜或者它们其中几个的共溶体。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述介质膜的材质为SiO2、SiN、TiO2、Al2O3、HfO2、SiNO、ZnO、ZnS、MgF中的一种或多种的组合。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述步骤s3中，热处理的方法包括热板加热、快速热退法、加热箱烘烤、微波加热、光加热或磁加热。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述步骤s3中，热处理的温度为100~650℃。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述步骤s2中，采用稀释剂和金属胶体溶液进行混合，获得稀释的金属胶体溶液，然后将其涂于所述介质膜表面形成金属胶体薄膜。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述稀释剂为表面活性剂、乙醇或者其他羟基有机溶液。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述金属胶体为溶度为10%~90%wt%的金属墨水。
优选的，在上述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，所述金属胶体薄膜的厚度为20nm~1000nm。
优选的，在所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法中，根据光学和光电子器件的要求，其上金属纳米结构掩膜可以去除或者不去除。
本申请实施例还公开了一种廉价无序宽谱广角减反结构，包括基底材料、以及形成于所述基底材料上且具有无序纳米结构的减反层，所述减反层上分布有金属纳米结构。该金属纳米结构优选形成于无序纳米结构的顶端。具有无序纳米结构的减反层在应用于太阳能电池等光电子器件时，其还可以起到钝化层作用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在基底材料或结构表面沉积适当厚度的介质膜，然后在介质膜上旋涂金属胶体，形成金属胶体薄膜，进一步对该结构材料烘烤，使得金属胶体薄膜变成金属纳米结构，以此为掩膜，蚀刻介质纳米结构，进一步地，根据光学和光电子器件需求，去除（或者保留）金属掩膜，获得宽谱广角减反效果。该宽谱广角减反结构制备方案简单易行、可实现大面积、只需要低温、制备能耗低和效率高、与诸多材料和光电子器件制备工艺兼容。本发明所制得的具有纳米结构的介质膜应用于太阳能电池等光电子器件时，可兼具宽谱广角减反和表面钝化作用，有效提高器件的光电转换效率及其他性能。本发明所获得具有纳米结构的介质膜的表面同时还具有自清洁的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例1中所获得的纳米结构的示意图；
图2所示为本发明具体实施例2中所获得的纳米结构的示意图；
图3所示为本发明具体实施例2中所获得的减反结构的示意图；
图4所示为本发明具体实施例3中所获得的纳米结构的示意图；
图5所示为实施例1至实施例3中所获得的减反结构的表面反射率对比图；
图6所示为实施例4中所获得的减反结构在不同入射角度下减反性能的对照图；
图7所示为实施例2和实施例4所获得的减反结构的减反性能的对比图；
图8所示为实施例5中所获得的纳米结构的表面图；
图9所示为实施例5中所获得的减反结构的截面图；
图10所示为实施例5中GaAs衬底上沉积500nmSiN以及最终所获得的减反结构的表面反射率对比图；
图11所示为实施例5中试验过程中的样品图。
具体实施方式
本申请实施例公开了一种廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，包括步骤：
s1、在基底材料表面沉积介质膜；
s2、在所述介质膜表面形成金属胶体薄膜；
s3、对所述金属胶体薄膜进行热处理，获得金属纳米结构；
s4、以所述金属纳米结构为掩膜对所述介质膜进行刻蚀，形成减反结构；
s5、去除金属纳米结构。
在上述的减反结构的制作方法中，基底材料为半导体、绝缘体、导体或者它们的堆叠组合；以及有机材料或无机材料或者他们的组合，半导体基底优选为III-V电池或者Si系电池；上述步骤s1中，介质膜的材质为SiO2、SiN、TiO2、Al2O3、HfO2、SiNO、ZnO、ZnS、MgF中的一种或多种的组合，介质膜的制备可以采用ICP-CVD、PECVD、热蒸发沉积、电子束蒸发沉积、磁控溅射或原子层沉积，具有无序纳米结构的介质膜在应用于太阳能电池等光电子器件时，其还可以起到钝化层作用。上述步骤s2中，采用乙醇、异丙醇或其他化学分散剂、表面活性剂溶液按照一定的稀释比例配制金属胶体溶液，采用旋涂、滴涂等可以分散胶体溶液的方法在基底表面制备出几十纳米-几个微米厚度的金属胶体薄膜；金属胶体溶液优选为银墨水，还可以为金、铜、铁、铝、铂、钛、镍胶体或他们多种的共溶体；上述步骤s3中，采用热板加热或者快速热退法（RTA）、加热箱烘烤、微波加热、光加热、磁加热等方式在空气或者一定气体气氛下使金属胶体薄膜在表面张力作用下开始形变，最终形成起掩膜作用的纳米结构模板；上述步骤s4中，基于上述纳米结构模板采用干法刻蚀、湿法腐蚀或阳极氧化刻蚀的方法将该纳米结构转移到基底材料或结构上。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
1、在基底材料表面沉积介质膜
在Si基底上利用PECVD方法沉积520nm厚度的SiO，形成介质膜。
2、金属胶体溶液（3.75%Ag）的制备
采用70%Agink：乙醇=1：18的稀释比例配制金属有机胶体溶液。
3、金属胶体薄膜的制备
采用旋涂方法在介质膜上得到140nm厚的金属膜层。
4、金属纳米结构的制备
采用热板加热的方式，280℃加热5min获得金属纳米结构，所获得的结构参图1所示。
5、减反结构的制作
采用反应离子刻蚀的方式，采用SF6/CHF3/He三种刻蚀气体刻蚀2.5min，刻蚀深度约490nm，制得具有无序宽谱广角的减反结构。
该实施例中金属纳米掩膜结构保留。
实施例2
1、在基底材料表面沉积介质膜
在Si基底上利用PECVD方法沉积520nm厚度的SiO，形成介质膜。
2、金属胶体溶液（7.00%Ag）的制备
采用70%Agink：乙醇=1：9的稀释比例配制金属胶体溶液。
3、金属胶体薄膜的制备
采用旋涂方法在介质膜上得到220nm的金属膜层。
4、金属纳米结构的制备
采用热板加热的方式，350℃加热2min获得金属纳米结构，所获得的结构参图2所示。
5、减反结构的制作
采用反应离子刻蚀的方式，采用SF6/CHF3/He三种刻蚀气体刻蚀2.5min，刻蚀深度约490nm，制得具有无序宽谱广角的减反结构，结构参图3所示。
该实施例中金属纳米结构掩膜保留。
实施例3
1、在基底材料表面沉积介质膜
在Si基底上利用PECVD方法沉积520nm厚度的SiO，形成介质膜。
2、金属胶体溶液（8.75%Ag）的制备
采用70%Agink：乙醇=1：7的稀释比例配制金属胶体溶液。
3、金属胶体薄膜的制备
采用旋涂方法在介质膜上得到260nm的金属膜层。
4、金属纳米结构的制备
采用热板加热的方式，200℃加热10min获得金属纳米结构，所获得的结构参图4所示。
5、减反结构的制作
采用反应离子刻蚀的方式，采用SF6/CHF3/He三种刻蚀气体刻蚀2.5min，刻蚀深度约490nm，制得具有无序宽谱广角的减反结构。
该实施例中金属纳米结构掩膜保留。
实施例4
1、在半导体基底表面沉积介质膜
在Si基底上利用PECVD方法沉积520nm厚度的SiO，形成介质膜。
2、金属胶体溶液（7.00%Ag）的制备
采用70%Agink：乙醇=1：9的稀释比例配制金属胶体溶液。
3、金属胶体薄膜的制备
采用旋涂方法在介质膜上得到220nm的金属膜层。
4、金属纳米结构的制备
采用热板加热的方式，350℃加热2min获得金属纳米结构。
5、减反结构的制作
采用反应离子刻蚀的方式，采用SF6/CHF3/He三种刻蚀气体刻蚀2.5min，刻蚀深度约490nm，最后采用碘化钾、碘和去离子水进行湿法腐蚀1min，去除金属掩膜，制得具有无序宽谱广角的减反结构。
图5所示为上述实施例1至实施例3中所获得的减反结构的表面反射率对比图。从图中可以看出，浓度的选择对掩膜颗粒的形成很重要，太稀或者太稠条件得到掩膜在图形反转后对表面反射率有很大影响，即浓度低时金属掩膜颗粒太少，故形成的纳米减反结构少，削弱了减反效果；而浓度高时难以全部形成纳米颗粒，从而形成块状纳米结构也削弱了减反效果。合适的胶体溶液浓度对于减反结构效果影响显著。
上述实施例4中所获得的样品在分光光度计下通过不同角度入射光进行反射率测量，测量结果参图6所示，从图中可以看出上述样品在广角范围内均可以获得良好的减反性能。采用分光光度计分别对实施例2和实施例4所获得的样品进行反射性能测试，所获得的测量结果参图7所示，从图中可以看出，由此制备的无序介质纳米结构和其下的介质薄膜一起能使Si基底材料获得宽谱广角减反效果，但含有金属纳米结构掩膜的复合无序纳米结构，其减反效果更佳。
实施例5
1、在半导体基底表面沉积介质膜
在GaAs基底上利用PECVD方法沉积500nm厚度的SiN，形成介质膜，其样品图参图11中（a）所示。
2、金属胶体溶液（7.00%Ag）的制备
采用70%Agink：乙醇=1：18的稀释比例配制金属胶体溶液。
3、金属胶体薄膜的制备
采用旋涂方法在介质膜上得到140nm厚的金属膜层。
4、金属纳米结构的制备
采用热板加热的方式，250℃加热8min获得金属纳米结构，其样品图参图11中（b）所示。
5、减反结构的制作
采用反应离子刻蚀的方式，采用SF6/CHF3/He三种刻蚀气体刻蚀2min30s，刻蚀深度约210nm，制得具有无序宽谱广角的减反结构，其样品图参图11中（c）所示。
该实施例中金属纳米结构掩膜保留。
所获得的纳米结构的表面图以及减反结构的截面图分别见图8和9。
图10所示为GaAs衬底上沉积500nmSiN以及最终所获得的减反结构的表面反射率对比图。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (11)

1.一种廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：
s1、在基底材料表面沉积介质膜；
s2、在所述介质膜表面形成金属胶体薄膜；
s3、对所述金属胶体薄膜进行热处理，获得金属纳米结构；
s4、以所述金属纳米结构为掩膜对所述介质膜进行刻蚀，形成减反结构；
s5、去除金属纳米结构。
2.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述基底材料为半导体、绝缘体、导体或者它们的堆叠组合；以及有机材料或无机材料或者他们的组合。
3.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述金属胶体薄膜为金、银、铜、铁、铝、铂、钛、镍胶体薄膜或者它们其中几个的共溶体。
4.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述介质膜的材质为SiO2、SiN、TiO2、Al2O3、HfO2、SiNO、ZnO、ZnS、MgF中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述步骤s3中，热处理的方法包括热板加热、快速热退法、加热箱烘烤、微波加热、光加热或磁加热。
6.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述步骤s3中，热处理的温度为100~650℃。
7.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述步骤s2中，采用稀释剂和金属胶体进行混合，获得稀释的金属胶体溶液，然后将其涂于所述介质膜表面形成金属胶体薄膜。
8.根据权利要求7所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述稀释剂为表面活性剂、乙醇或者其他羟基有机溶液。
9.根据权利要求7所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述金属有机溶液为溶度为10%-90%wt%的金属墨水。
10.根据权利要求1所述的廉价无序宽谱广角减反结构的制作方法，其特征在于：所述金属胶体薄膜的厚度为20nm~1000nm。
11.一种廉价无序宽谱广角减反结构，其特征在于，包括基底材料、以及形成于所述基底材料上且具有无序纳米结构的减反层，所述减反层上分布有金属纳米结构。
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