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Die Erfindung betrifft eine antireflektierende Oberfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Beschichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Antireflektierende Oberflächen sind in fast allen optischen Anwendungen notwendig, um Rückreflexionen und Streulicht zu minimieren. Diese würden ansonsten die Performance der jeweiligen Technologien stark beeinträchtigen. Wichtig ist es, dass die antireflektierende Eigenschaft über einen möglichst großen Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese technische Herausforderung ist für einen breit gefächerten Anwendungsbereich hochrelevant. Beispielsweise besteht ein Bedarf im Bereich der Strahlung bzw. Licht absorbierenden und/oder emittierenden optischen Komponenten bzw. Medien (z.B. für Solarzellen, Sensoren und LEDs). Ebenso gibt es einen Bedarf im Bereich der für Licht bzw. Strahlung transparenten optischen Medien (z.B. für Brillen, Displays und optisch transparente Schutzgläser im Automobilbereich).
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Bisher existieren zwei Lösungsansätze, um dieser technischen Herausforderung zumindest teilweise Rechnung zu tragen.
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Gemäß dem einen Lösungsansatz werden Antireflexbeschichtungen auf Basis einer dünnen Beschichtung (sogenannte Lambda-Viertel-Schichten) auf ein Substrat aufgebracht. Die dünne Beschichtung weist dabei im Falle einer Vakuum-Substrat-Grenzfläche einen Brechungsindex aus der Quadratwurzel des Brechungsindices des Substrates und eine optische Dicke von einer viertel Wellenlänge der auftreffenden Strahlung auf.
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Das gilt Näherungsweise auch für eine Luft-Substrat-Grenzfläche. Bei Grenzflächen zwischen einem anderen Medium, das einen von Vakuum unterschiedlichen Brechungsindex aufweist, muss die optische Dicke und/oder der Brechungsindex der Beschichtung entsprechend angepasst werden.
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Im Falle von Siliziumsolarzellen werden beispielsweise häufig dünne Schichten aus Siliziumnitrid und bei Gläsern dünne Schichten aus Polymeren aufgebracht. Die Antireflexionseigenschaften dieses Ansatzes beruhen auf der destruktiven Interferenz von Lichtwellen. Hiermit inhärent verbunden ist eine starke Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit. Beispielsweise kann sich im Falle einer Monolage eine vollständige destruktive Interferenz nur für eine einzige Wellenlänge bei nur einem Einfallswinkel ausbilden. Multilagenbeschichtungen können die Wellenlängenabhängigkeit leicht reduzieren. Die Winkelabhängigkeit kann jedoch dadurch nicht reduziert werden.
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Gemäß dem anderen Lösungsansatz werden Beschichtungen aufgebracht, die Antireflexionseigenschaften über einen breiten Spektral- und Winkelbereich aufweisen und auf nanostrukturierten Oberflächen basieren. Diese Oberflächen besitzen eine Texturierung mit charakteristischen Größen im Nanometerbereich. Solche Oberflächen weisen bei optimaler Auslegung eine Impedanzanpassung auf, die fast wellenlängen- und winkelunabhängig ist. Das hat den Vorteil, dass das einfallende Licht nahezu keine Reflexion erfährt. Der Nachteil dieses Lösungsansatzes auf der Basis nanostrukturierter Oberflächen ist jedoch ihre fehlende Alltagstauglichkeit. Da die nanostrukturierten Oberflächen nicht planar sind, werden sie durch (beispielsweise auf Reibung basierende) Benutzung und Reinigung mit der Zeit abgetragen und damit verschlissen. Dies gilt auch für Nanostrukturen aus sehr harten Materialien. Daher können solche Strukturen nur Einsatz in Technologien finden, in denen keine Benutzung oder Reinigung stattfindet, z.B. in Solarzellen.
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Im Falle optoelektronischer Bauteile wie Solarzellen existiert aber für diesen Lösungsansatz ein gravierender Nachteil, dahingehend, dass eine elektrische Kontaktierung nanostrukturierter Oberflächen im Vergleich zur Kontaktierung planarer Oberflächen sehr komplex ist und teilweise mit Wirkungsgradverlusten einhergeht.
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Ein weiterer Nachteil nanostrukturierter Oberflächen in optoelektronischen Anwendungen liegt darin begründet, dass die Nanostrukturierung die elektronische Qualität des Materials sehr stark herabsetzten kann. Diese Degradation des Materials kann so stark sein, dass der Einsatz nanostrukturierter Oberflächen trotz ihrer Überlegenheit bzgl. ihrer optischen Eigenschaften nicht sinnvoll ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen weiteren Lösungsansatz anzugeben, der die Vorteile der beiden bekannten Lösungsansätze verbindet und deren jeweilige Nachteile vermeidet.
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Mit anderen Worten besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine antireflektierende Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Beschichtung anzugeben, die eine planare Oberfläche und eine geringe Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer antireflektierenden Beschichtung gemäß Anspruch 1 bzw. einem Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Beschichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird eine antireflektierende Beschichtung mit zumindest einer Schicht und einer planaren Oberfläche angegeben, wobei die antireflektierende Beschichtung zumindest zwei verschiedene Materialien (31, 32) mit unterschiedlichen Brechungsindices (n1, n2) aufweist, die in der Schicht (30) an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die antireflektierende Beschichtung trotz wellenlängen- und winkelunabhängigen Antireflexionseigenschaften eine planare Obefläche aufweist. Die Planarität der Oberfläche bewirkt zum einen eine stark gesenkte Empfindlichkeit der antireflektierenden Beschichtung gegenüber auf Reibung basierenden Verschleiß durch Benutzung oder Reinigung, wodurch sich die Lebensdauer der angestrebten Anwendung stark erhöht bzw. diese erst ermöglicht oder sinnvoll wird. Zum anderen wird die Komplexität weiterer evtl. benötigter Produktionsschritte, z.B. die elektrische Kontaktierung, stark herabgesetzt.
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Gemäß der Erfindung wird zusätzlich oder alternativ auch ein Verfahren zur Herstellung einer antireflektierenden Beschichtung mit folgenden Schritten angegeben:
- • Modellieren einer nanostrukturierten Oberfläche mit antireflektierenden Eigenschaften,
- • Transformieren der modellierten nanostrukturierten Oberfläche in ein Modell einer Beschichtung mit einer planaren Oberfläche, wobei die Beschichtung zumindest zwei Materialien (31, 32) mit unterschiedlichen Brechungsindices aufweist, die in zumindest einer Schicht (30) angeordnet sind,
- • Aufbauen der antireflektierenden Beschichtung entsprechend des im vorherigen Schritt erhaltenen Modells einer Beschichtung mit einer planaren Oberfläche.
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Erfindungsgemäß kann die antireflektierende Beschichtung mehrere übereinander angeordnete Schichten aufweisen, die im wesentlichen entsprechend der Oberfläche angeordnet sind, und die jeweils zumindest zwei verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices aufweisen, die in der Schicht an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß kann die Schicht oder können die mehreren Schichten einen nanostrukturierten Brechungsindexverlauf aufweisen.
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Erfindungsgemäß können die zumindest zwei verschiedenen Materialien in einer Struktur mit einer Auflösung angeordnet sein, die mindestens um den Faktor 2 kleiner als die Wellenlänge der nicht zu reflektierenden Strahlung ist.
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Erfindungsgemäß können die zumindest zwei verschiedenen Materialien in einer Struktur mit einer Auflösung angeordnet sein, die um zumindest eine Größenordnung kleiner als die Wellenlänge der nicht zu reflektierenden Strahlung ist.
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Erfindungsgemäß können die zumindest zwei verschiedenen Materialien transparente Oxide und/oder transparente Polymere und/oder Materialen mit einem Brechungsindex von ungefähr 1 umfassen. Dabei können die transparenten Oxide TiO2, Al2O3, SiO2 umfassen.
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Erfindungsgemäß können die zumindest zwei verschiedenen Materialien in einer Korngröße von weniger als 150 nm, vorzugsweise weniger als 120 nm, weiter vorzugsweise weniger als 100 nm, noch weiter vorzugsweise weniger als 80 nm und bevorzugt von ungefähr 40 bis 60 nm angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß können die zumindest zwei verschiedenen Materialien in einer Korngröße von mehr als 10 nm, vorzugsweise mehr als 20 nm, weiter vorzugsweise mehr als 25 nm, noch weitere vorzugsweise mehr als 30 nm und bevorzugt von ungefähr 40 bis 60 nm angeordnet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung einer antireflektierenden Beschichtung gemäß der Erfindung verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei werden folgende Bezugszeichen verwendet:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 10
- nanostrukturierte Beschichtung
- 11
- halbkugelförmiger Vorsprung
- 12
- nanostrukturierter Vorsprung
- 13
- Reflexion R der nanostrukturierten Beschichtung 10
- 14
- Transmission T der nanostrukturierten Beschichtung 10
- 15
- Absorption A der nanostrukturierten Beschichtung 10
- 20
- antireflektierende Beschichtung mit planarer Oberfläche
- 21
- Bereich mit anderem Brechungsindex
- 22
- nanostrukturierter Bereich mit anderem Brechungsindex
- 23
- Reflexion R der antireflektierenden Beschichtung 20
- 24
- Transmission T der antireflektierenden Beschichtung 20
- 25
- Absorption A der antireflektierenden Beschichtung 20
- 30
- Schicht
- 31
- Material mit erstem Brechungsindex
- 32
- Material mit zweitem Brechungsindex
- 33
- Material mit Brechungsindex von ungefähr 1
- 40
- planare Oberfläche
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Kurzbeschreibung der Figuren:
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil eines Substrats mit einer antireflektierenden Beschichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
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2 zeigt eine Ansicht des Substrates mit der antireflektierenden Beschichtung von 1 von oben.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer nanostrukturierten Beschichtung aus einem Material mit einem konstanten Brechungsindex.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer antireflektierenden Beschichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung mit einer planaren Oberfläche, die aus zumindest zwei verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex aufgebaut ist.
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5 zeigt die Brechungsindexverteilung einer Schicht mit einer Grenzfläche mit einem halbkugelförmigen Vorsprung.
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6 zeigt die Brechungsindexverteilung einer Schicht mit planarer Oberfläche und Materialien, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen, wobei die Brechungsindexverteilung aus derjenigen von 5 über eine Transformation erhalten wurde.
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7 zeigt die elektrische Feldverteilung von der in 5 dargestellten Schicht für den Fall von senkrecht von oben einfallender Strahlung.
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8 zeigt die elektrische Feldverteilung von der in 6 dargestellten Schicht für den Fall von senkrecht von oben einfallender Strahlung.
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9 zeigt die Brechungsindexverteilung einer Schicht mit einer Grenzfläche, die eine nanostrukturierte antireflektierende Oberfläche aufweist.
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10 zeigt die Brechungsindexverteilung einer Schicht mit planarer Oberfläche und Materialien, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen, wobei die Brechungsindexverteilung aus derjenigen von 9 über eine Transformation erhalten wurde.
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11 zeigt die elektrische Feldverteilung von der in 9 dargestellten Schicht für den Fall von senkrecht von oben einfallender Strahlung.
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12 zeigt die elektrische Feldverteilung von der in 10 dargestellten Schicht für den Fall von senkrecht von oben einfallender Strahlung.
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13 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit der Reflexion R, der Transmission T und der Absorption A der Schicht von 9 im Vergleich mit derjenigen der Schicht von 10.
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Die 1 und 2 zeigen einen schematischen beispielhaften Aufbau einer antireflektierenden Beschichtung 20 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Auf einem Substrat 1 sind mehrere Schichten 30 aufgetragen, die Materialien 31, 32 mit unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. Die Korngröße der verschiedenen Materialien 31, 32 liegt in der Größenordnung von etwa 40 bis 60 nm und entspricht im Wesentlichen den Abständen der Täler und Berge bei nanostrukturierten Oberflächen, die bei Solarzellen als antireflektierende Beschichtung eingesetzt werden. Die Verteilung der Materialien 31, 32 ist auf Basis einer Transformation solcher strukturierten Oberflächen gewonnen, die aus einem Material mit konstantem Brechungsindex aufgebaut sind. Zusätzlich zu den Materialien 31, 32 verschiedener Brechungsindices kann auch ein Loch aus einem Material 33 vorgesehen sein, dass einen Brechungsindex von ungefähr 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich können auch sogenannte Metamaterialien vorgesehen werden, d.h. beispielsweise Materialien mit einer Gitterkonstante, die wesentlich kleiner als die Wellenlänge der Strahlung ist.
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In 1 ist eine Schnittansicht mit drei übereinander angeordneten Schichten 30 dargestellt. Die X-Richtung zeigt dabei die seitliche Ausdehnung an, während die Y-Richtung die Höhe darstellt. Sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung können die Materialien variieren bzw. können gleiche Materialien aneinandergrenzen.
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2 zeigt eine Aufsicht der Beschichtung von 1. Neben der seitlichen Ausdehnung in X-Richtung ist die Ausdehnung in Längsrichtung (Z-Richtung) dargestellt, d.h. einer Richtung senkrecht zu der X-Richtung.
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In der X-Z-Ebene kann die Variation der Brechungsindices beispielsweise auch durch unterschiedliche Materialfolgen über die Schichten erreicht werden, d.h. über die Variation in Y-Richtung.
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Die verschiedenen Materialien 31, 32 können transparente Oxide und/oder transparente Polymere umfassen. Daneben können auch Löcher vorgesehen sein, die aus einem Material 33 mit einem Brechungsindex von ungefähr 1 ausgebildet werden, wie beispielhaft in 2 gezeigt ist.
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Die transparenten Oxide können beispielsweise TiO2, Al2O3, SiO2 umfassen.
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Anhand der 3 und 4 wird erläutert, wie die Transformation der in 3 schematisch dargestellten nanostrukturierten Oberfläche in eine Beschichtung mit einer planaren Oberfläche erfolgen kann, wie in 4 dargestellt.
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Zunächst wird eine nanostrukturierte Oberfläche mit den gewünschten optischen Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Reflexion modelliert. Mittels den Methoden der Transformationsoptik können dann planare Beschichtungen ermittelt werden, die die gleichen optischen Eigenschaften besitzen, wie die oben beschriebenen nanostrukturierten Oberflächen. Hierbei wird die topologisch komplexe Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen aber konstanten Brechungsindices in eine planare Grenzfläche überführt, die in unmittelbarer Umgebung der Grenzschicht eine ortsabhängige Brechungsindexverteilung besitzt. Mittels 3D-Beschichtungsmethoden können diese Beschichtungen hergestellt und auf das gewünschte Substrat aufgebracht werden.
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In 3 wird eine nanostrukturierte Oberfläche gezeigt, die eine Schicht 10 mit einem konstanten Brechungsindex n(x, y, z) = n0 und einer texturierten Oberfläche yi = y(x, z) aufweist.
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Diese Schicht 10 soll in eine Schicht 20 mit einer planaren Oberfläche 40, d.h. y(x, z) = y0, und einem ortsabhängigem Brechungsindex ni = n(x, y, z) transformiert werden, wie in 4 gezeigt.
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Grundlage für die Berechnungen sind eine Koordinatentransformation der (beispielsweise kartesischen) Koordinaten (x, y, z) in ein neues Koordinatensystem mit den Koordinaten (x’, y’, z’). Die Maxwellgleichungen bleiben bei dieser Transformation invariant, jedoch mit veränderten Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Permittivität ε’(x’, y’, z’), der Permeabilität μ’(x’, y’, z’) und/oder dem Brechungsindex n’(x’, y’, z’). Die Grundlagen sind beispielweise in dem folgenden Artikel veröffentlicht, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist: [A. J. Ward und J. B. Pendry, J. Mod. Opt. 43, 773, 1996]. Als Abbildungsvorschrift für die Transformation kann beispielsweise die Schwarz-Christoffel-Transformation dienen, die im folgenden Artikel beschrieben ist, dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist [T. A. Driscoll und L. N. Trefethen, Schwarz-Christoffel Mapping, Cambridge University Press, 2002].
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Die 5 bis 8 zeigen eine derartige Transformation anhand eines anschaulichen Beispiels, d.h. einer Schicht mit einer Grenzfläche mit einem halbkugelförmigen Vorsprung, wie in den 5 und 7 dargestellt.
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In 5 ist die Brechungsindexverteilung der originalen Struktur mit Vorsprung dargestellt, während in 6 die Brechungsindexverteilung der transformierten planaren Struktur gezeigt ist. Die 7 und 8 zeigen die elektrische Feldverteilung der originalen und der transformierten Struktur für den Fall von senkrecht von oben einfallenden Lichts. Die Feldverteilungen sind nahezu identisch, so dass ihre optischen Eigenschaften ebenfalls vergleichsweise ähnlich sein sollten.
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Die 9 bis 12 zeigen die Verteilung des Brechungsindices sowie die elektrische Feldverteilungen für den Fall einer texturierten Siliziumschicht, die in eine antireflektierende Beschichtung mit einer planaren Oberfläche transformiert wird. Solche texturierten Siliziumschichten werden üblicherweise in Dünnschichtsolarzellen verwendet, um geringe Rückreflexionen und eine gute Einkopplung in die Absorberschicht zu gewährleisten. Der Brechungsindexverlauf ist in 9 gezeigt.
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10 zeigt den Brechungsindexverlauf für eine transformierte antireflektierende Beschichtung, die eine planare Oberfläche aufweist.
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Auch in diesem Fall zeigt sich beim Vergleich der 11 und 12, die die elektrische Feldverteilung der in den 9 bzw. 10 gezeigten Beschichtungen zeigt, dass die optische Antwort (elektrische Feldverteilung) für die nanostrukturierte Beschichtung (originale Struktur) und die transformierte Beschichtung mit einer planaren Oberfläche (transformierte Struktur) nahezu identisch ist.
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Diese Beobachtung wird durch die optischen Spektren gestützt, die in 13 gezeigt sind. Dargestellt sind in 13 die Abhängigkeit der folgenden Größen von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung:
- • die Reflexion der originalen Struktur (R orig),
- • die Reflexion der transformierten Struktur mit planarer Oberfläche (R transf),
- • die Transmission der originalen Struktur (T orig),
- • die Transmission der transformierten Struktur mit planarer Oberfläche (T transf),
- • die Absorption der originalen Struktur (A orig), sowie
- • die Absorption der transformierten Struktur mit planarer Oberfläche (A transf).
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Die Reflexion R, die Transmission T sowie die Absorption A beider Strukturen sind sich sehr ähnlich. Damit wird die antireflektierende Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine planare Oberfläche 40 aufweist, optische Eigenschaften wie Antireflexion über einen weiten Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich aufweisen, genauso wie die nanostrukturierte Beschichtung aus einem Material mit konstanten Brechungsindex, dessen Struktur die Grundlage der Transformation war. Aufgrund der Planarität der erfindungsgemäßen Beschichtung weist diese jedoch nicht die oben genannten Nachteile bzgl. der Benutzung oder Reinigung bzw. bzgl. der elektrischen Kontaktierung oder Nanostrukturen-bedingter Degradation auf.
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Die Realisierung des verlangten Brechungsindexprofils kann durch 3D-Beschichtungs- bzw. Strukturierungsverfahren erfolgen, beispielsweise 3D-Atomlagenabscheidung oder direktem Laserschreiben. Das Ziel ist hierbei, ein effektives Medium (Metamaterial) zu schaffen, das eine gezielte Gestaltung der optischen Eigenschaften erlaubt. Als Beispiel soll ein photonischer Kristall mit aus kreis-(2D) oder kugelförmigen (3D) Löchern in einem Trägermaterial dienen. Eine Variation des Durchmessers der Kreise bzw. Kugeln kann dabei die Bandstruktur und damit den effektiven Brechungsindex dieses Materials verändern und somit die Realisation des geforderten Brechungsindexprofils ermöglichen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- A. J. Ward und J. B. Pendry, J. Mod. Opt. 43, 773, 1996 [0049]
- T. A. Driscoll und L. N. Trefethen, Schwarz-Christoffel Mapping, Cambridge University Press, 2002 [0049]
