CN107393977B - 一种超宽带减反膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超宽带减反膜及其制备方法，包括衬底；衬底表面形成有微孔阵列；微孔阵列上制备有一层ITO纳米线薄膜。本发明利用激光微加工技术在衬底表面制备一定间距阵列的微孔结构，再在其上制备一层氧化铟锡纳米线薄膜，使其完全覆盖微孔阵列。这样的减反膜既具有良好的透过性又兼具良好的导电性，同时实现了400‑2500nm波段(带宽大于5)的有效减反。本发明的制备方法通过对太阳能电池表面的处理，利用微孔阵列结合新型纳米线材料实现超宽带范围内光谱的减反，为太阳能电池效率的提高提供了一种有效的工业级制备手段。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池减反膜领域，尤其涉及一种太阳能电池减反膜及其制备方法。
背景技术
随着太阳能电池产业的发展，提高太阳能电池的效率近年来引起了人们极大的关注。为了提高太阳能电池的转化效率，太阳能电池的表面要求必须具有很强的抗反射能力，这样才能使更多的太阳光被吸收。因此，抗反射涂层得到了广泛的研究和应用。
传统的抗反射涂层(减反涂层)是由一个1/4波长厚的单层膜组成，这种单层减反涂层只针对特定波长或较窄的波段，因此在很宽的波长范围内不能起到很好的减反作用，导致太阳能电池的转化效率很低。在理论上，可以采用渐变折射率涂层来实现宽波段的减反，但是具有渐变折射率的多层结构制备工艺比较复杂同时材料的选择也比较困难。目前，表面粗化是最常用的一种减反方法，通常采用干湿法刻蚀的方式在表面制备微纳结构以达到粗化表面的效果。这种方法能够有效地减少可见光波段的反射率，但在更宽的光波段，尤其是在红外波段减反效果并不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带减反膜及其制备方法，以解决上述技术问题。本发明简便且适合工业制备；本发明利用激光微加工技术在衬底表面(以硅衬底为例)制备一定间距阵列的微孔结构，再利用已有制备氧化铟锡(ITO)纳米线的工艺(专利号：201510094494.9)平铺一层ITO纳米线膜，既具有良好的透过性又兼具良好的导电性，同时实现了400-2500nm波段(带宽大于5)的有效减反。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带减反膜，包括衬底；衬底表面形成有微孔阵列；微孔阵列上制备有一层ITO纳米线薄膜。
进一步的，所述衬底为Si衬底或者GaN衬底。
进一步的，微孔阵列中微孔孔径5～10μm，孔深8～16μm，呈现锥状；微孔的孔间距为10μm-50μm。
进一步的，聚苯乙烯小球的直径为670nm。
进一步的，ITO纳米线薄膜的制备方法为：利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现整个微孔的覆盖，方块电阻为150～200Ω/sq，在可见光范围内透光率大于80％。
进一步的，所述超宽带减反膜能够在400-2500nm波段，实现带宽大于5的有效减反。
一种超宽带减反膜的制备方法，包括以下步骤：
1)衬底的清洗处理：将衬底材料清洁干净；
2)微孔阵列的制备：将清洗干净的衬底固定于二维电动位移台上，采用脉冲激光对衬底表面进行微孔烧蚀，获得微孔阵列；
3)ITO纳米线膜的制备：采用自组装的方式在微孔阵列的衬底表面平铺一层聚苯乙烯小球，然后进行自然晾干；利用电子束蒸镀的方式，利用聚苯乙烯小球作为辅助材料制备一层ITO纳米线薄膜。
进一步的，步骤1)具体包括：
1.1)将衬底材料放入氯仿中超声清洗10分钟，去除衬底表面的有机残留物；
1.2)将衬底材料再放入去离子水中超声5分钟，去除残留的氯仿，然后用氮气吹干；
1.3)将衬底材料放入浓度为10％的氢氟酸中浸泡30s，将衬底表面被氧化的部分去除；
1.4)将衬底材料再放入去离子水上超声清洗5分钟，去除残留的HF，然后用氮气吹干；
衬底为Si衬底或者GaN衬底。
进一步的，采用脉冲激光对衬底表面进行微孔烧蚀具体为：采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面；调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，得到微孔阵列；微孔阵列中微孔孔径5～10μm，孔深8～16μm，呈现锥状；微孔的孔间距为10μm-50μm。
进一步的，步骤3)具体为：采用自组装的方式在微孔阵列的衬底表面平铺一层直径为670nm的聚苯乙烯小球，然后进行自然晾干；利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现整个微孔的覆盖，方块电阻在150～200Ω/sq,在可见光范围内透光率大于80％。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
利用脉冲激光微加工技术，能够快速、大面积的实现在衬底表面制备阵列的微孔结构，微孔尺寸阵列可调，微孔形貌可控；
利用已成熟的ITO纳米线制备工艺，能够实现整个微孔的全覆盖，兼具高透过率和良好导电性。
将ITO纳米线与微孔阵列结合，能够有效的调制光场，实现在400nm-2500nm超宽带(带宽大于5)光谱范围内的减反效果；
本发明的制备方法通过对太阳能电池表面的处理，利用微孔阵列结合新型ITO纳米线材料实现超宽带范围内光谱的减反，为太阳能电池效率的提高提供一种有效的工业级制备手段。
本发明制备的超宽带减反膜，氧化铟锡纳米线相互交织成膜后能够沿着微孔内壁实现完全覆盖，表面兼具高透过率>80％和良好导电的性能，方块电阻～150Ω/sq。
本发明基于的微孔阵列为了实现宽波段，尤其红外波段的良好减反效果，必须具有一定的间距10-50μm。
附图说明
图1(a)为激光功率为0.08W，激光光斑的焦点会聚于Si衬底表面，烧蚀后的微孔形貌；图1(b)激光功率为0.02W，激光光斑的焦点会聚于GaN衬底表面，烧蚀后的微孔形貌。
图2：(a)ITO纳米线制备在微孔阵列表面的SEM俯视图；(b)ITO纳米线相互交织构成致密的薄膜；(c)单个微孔被ITO纳米线覆盖的形貌图；(d)单个微孔被ITO纳米线完全覆盖的截面图。
图3：反射率对比图。线1：纯Si片的反射率；线2：基于Si衬底，孔间距为30um的微孔阵列平铺完ITO纳米线后的反射率。
图4：反射率对比图。线1：纯Si片的反射率；线2：基于Si衬底，孔间距为15um的微孔阵列平铺完ITO纳米线后的反射率。
具体实施方式
本发明一种超宽带减反膜的制备方法，包括以下步骤：
第一步：衬底的清洗处理。
1)将衬底材料放入氯仿中超声清洗10分钟，去除衬底表面的有机残留物；
2)将衬底材料再放入去离子水中超声5分钟左右，去除残留的氯仿，然后用氮气吹干；
3)将衬底材料放入浓度为10％的氢氟酸(HF)中浸泡30s，将衬底表面被氧化的部分去除；
4)将衬底材料再放入去离子水上超声清洗5分钟，用以去除残留的HF，然后用氮气吹干。
第二步：微孔阵列的制备。
1)将清洗干净的衬底固定于二维电动位移台上，采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面；
2)调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，可以得到：微孔孔径～10μm，孔深～16μm，呈现锥状；
3)移动位移平台，孔间距在10μm-50μm范围内，重复烧蚀，得到一个微孔阵列。以孔间距为15μm为例，1cm×1cm的微孔阵列耗时在10分钟左右。
第三步：ITO纳米线膜的制备。
1)采用自组装的方式在微孔阵列的衬底表面平铺一层直径为670nm的聚苯乙烯小球，然后进行自然晾干；
2)利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现整个微孔的覆盖，方块电阻在～150Ω/sq,在可见光范围内透光率大于80％。
最后，对于制备好的样品用紫外分光光度计(Lambda 750s)分别测量其反射率的变化。
本发明中，衬底为Si衬底或者GaN衬底，在两个衬底上加工微孔整列的工艺为：
Si衬底：首先将清洗干净的2英寸Si衬底固定于二维电动位移台上，采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面。调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，一个微孔烧蚀完成后先沿一个固定方向(x方向)移动位移平台，间距设置为50μm，进行下一个微孔的烧蚀，依次重复。一行微孔制备完成后，调整另一个方向位移平台(y方向)，同样设置间距为50μm，依次重复烧蚀，直至整个衬底表面形成孔间距为50μm，微孔孔径～10μm，孔深～16μm，呈现锥状的微孔阵列，如图1(a)所示。
GaN衬底：将清洗干净的GaN衬底固定于二维电动位移台上，采用如上描述相同激光器，调节激光器功率为0.02W，进行微孔烧蚀，调整位移平台孔间距为10μm。可以制备得出如图1(b)所示的，微孔孔径为～10μm，孔深为8μm，呈现高斯面状的微孔阵列。
由此，本方法可以通过调节激光功率在不同衬底上制备不同形貌的微孔阵列；可以通过调节位移平台，实现不同孔间距的微孔阵列制备。
实施例1
首先利用紫外分光光度计对清洗干净的2英寸Si片进行反射率的测量，结果如图3中线1所示。
然后将清洗干净的2英寸Si衬底固定于二维电动位移台上，采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面。调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，一个微孔烧蚀完成后先沿一个固定方向(x方向)移动位移平台，间距设置为30μm，进行下一个微孔的烧蚀，依次重复。一行微孔制备完成后，调整另一个方向位移平台(y方向)，同样设置间距为30μm，依次重复烧蚀，直至整个衬底表面形成孔间距为30μm，微孔孔径～10μm，孔深～16μm，呈现锥状的微孔阵列。然后利用自组装的方式，在微孔阵列表面平铺一层直径为670nm的聚苯乙烯小球，将其自然晾干后，利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现了整个微孔的覆盖，结果形貌如图2(a)至图2(d)所示。
最后，对覆盖有ITO纳米线的微孔阵列进行反射率的测量，结果如图3中线2所示。可以看出在400-2500nm波段，反射率达到20％，实现了带宽大于5的超宽带减反效果。
实施例2
首先利用紫外分光光度计对清洗干净的2英寸Si片进行反射率的测量，结果如图4中线1所示。
然后将清洗干净的2英寸Si衬底固定于二维电动位移台上，采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面。调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，一个微孔烧蚀完成后先沿一个固定方向(x方向)移动位移平台，间距设置为15μm，进行下一个微孔的烧蚀，依次重复。一行微孔制备完成后，调整另一个方向位移平台(y方向)，同样设置间距为15μm，依次重复烧蚀，直至整个衬底表面形成孔间距为15μm，微孔孔径～10μm，孔深～16μm，呈现锥状的微孔阵列。然后利用自组装的方式，在微孔阵列表面平铺一层直径为670nm的聚苯乙烯小球，将其自然晾干后，利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现了整个微孔的覆盖。
最后，对覆盖有ITO纳米线的微孔阵列进行反射率的测量，结果如图4中线2所示。可以看出在400-2500nm波段，反射率在15％左右，红外波段反射率小于15％，实现了带宽大于5的超宽带减反效果。
Claims (2)
1.一种超宽带减反膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)衬底的清洗处理：将衬底材料清洁干净；
2)微孔阵列的制备：将清洗干净的衬底固定于二维电动位移台上，采用脉冲激光对衬底表面进行微孔烧蚀，获得圆锥状微孔阵列；
3)ITO纳米线膜的制备：采用自组装的方式在微孔阵列的衬底表面平铺一层聚苯乙烯小球，然后进行自然晾干；利用电子束蒸镀的方式，利用聚苯乙烯小球作为辅助材料制备一层ITO纳米线薄膜；ITO纳米线相互交织成膜后沿着微孔内壁实现完全覆盖；
采用脉冲激光对衬底表面进行微孔烧蚀具体为：采用波长为355nm脉冲激光，脉冲间隔为40ns,脉冲重复频率为1KHz，将激光光斑利用20倍物镜会聚，使其焦点位于衬底材料表面；调节激光器功率为0.08W，进行微孔烧蚀，得到微孔阵列；微孔阵列中微孔孔径5～10μm，孔深8～16μm，呈现锥状；微孔的孔间距为10μm-50μm。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带减反膜的制备方法，其特征在于，步骤3)具体为：采用自组装的方式在微孔阵列的衬底表面平铺一层直径为670nm的聚苯乙烯小球，然后进行自然晾干；利用电子束蒸镀的方式，采用In：Sn＝95：5的ITO靶材，速率为0.1nm/s，温度为300℃，进行蒸镀20分钟，制备ITO纳米线薄膜，实现整个微孔的覆盖，方块电阻在150～200Ω/sq,在可见光范围内透光率大于80％。
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