一種抗反射結構及其構筑方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抗反射結構及其構筑方法，尤其涉及到一種類半球形抗反射結構及其構筑方法。
【【背景技術】】
[0002]最理想的全向抗反射結構是使基底表面對來自各個方向全部光譜的光反射為零。太陽光是一種重要的電磁波，在地面上觀測的太陽輻射的波段范圍大約是295?2500nm，集中了其電磁輻射能量的99.9%。隨著太陽的移動，太陽照射地面的角度也是不同的。由于菲涅耳反射的存在致使大部分太陽光在表面被反射，因此降低材料表面的反射系數(shù)對于提高材料對光能的利用率非常重要。
[0003]材料表面構筑抗反射微納結構在降低光反射方面發(fā)揮了重要作用。如在硅晶體表面構筑類金字塔抗反射結構、蜂窩絨面抗反射結構等。1967年，Bernhard課題組報道飛蛾復眼的表面凸起結構具有很好的抗反射性能，它的凸起結構與基底是同一種材料可以有效的避免薄膜抗反射熱膨脹系數(shù)不匹配等諸多問題(Endeavor，1967，16，76-84)。之后Clapham課題組利用光學曝光一與干涉刻蝕結合的方法第一次構筑了人工飛蛾復眼陣列，這種陣列在較大角度范圍內(nèi)都具有抗反射性(Nature，1973，244:281-282)。此后，在材料表面構筑抗反射微/納結構備受關注。如形成類金字塔、錐形、倒錐形、圓柱形或納米線陣列結構等 Adv.Funct.Mater., 2003, 13, 127-132)、Appl.Phys.Lett., 2007, 91, 061105-1-061105-7)、Small, 2008，4，1972-1975)、J.Mater.Chem.，2010，20，8134-8138)、Nature, 2012, 492，86-89)。這些抗反射結構的原理是凸起的微結構相當于一個折射系數(shù)呈梯度變化的介質層，使得原本在界面處發(fā)生的折射系數(shù)突變實現(xiàn)連續(xù)性變化，利用光的衍射和干涉現(xiàn)象，進行相干光波疊加，實現(xiàn)反射光和透過光強度的重新分配，進而實現(xiàn)表面反射光強度的降低。雖然這些微結構在一定寬波段范圍內(nèi)具有優(yōu)良的抗反射性能，但卻很難實現(xiàn)多角度的抗反射。有鑒于此，目前仍需要設計一種結構同時解決寬波段和多角度抗反射作用這兩個問題，進而提高太陽能電池、光學傳感器性能等問題。
[0004]就制作方法而言，目前人們構筑抗反射結構的方法主要有電子束刻蝕、納米壓印和激光干涉刻蝕等。雖然電子束刻蝕的方法具有高精度、高分辨率等優(yōu)點，但是由于儀器價格昂貴、效率低等因素不適于工業(yè)生產(chǎn)。基于納米球掩膜結合反應離子束刻蝕方法則存在對材料要求高，價格昂貴，技術工藝復雜，效率相對較低等問題。激光干涉刻蝕和納米壓印方法能夠在大面積上構筑抗反射結構，然而這些技術需要的儀器以及納米壓印所需的模板仍然很昂貴使其應用受到了限制。因此設計簡單方便實用的構筑抗反射結構的方法是一個亟待解決的問題。
[0005]近年來，隨著自組裝技術的廣泛應用，使其得到了極大的發(fā)展。自組裝技術為構筑抗反射結構提供了一條方便可行的的路線。該技術因不需要昂貴的儀器，且具有操作簡單、快速等優(yōu)點得到廣泛關注和發(fā)展。【
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠實現(xiàn)在30?80度入射角和400?1200nm波長范圍內(nèi)具有良好抗反射性能的抗反射結構。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種該抗反射結構的構筑方法。
[0008]本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的，采用以下技術方案:
[0009]—種抗反射結構，其特征在于包括亞微米或微米電介質微球沉積在基底表面而成的單層自組裝結構以及涂覆在所述自組裝結構表面的折射率匹配的電介質納米材料多層膜。
[0010]本發(fā)明中的電介質微球為透光率大于95%二氧化硅微球，其粒徑為0.8?3 μ??。[0011 ] 本發(fā)明中的納米材料多層膜的總層數(shù)為4?12層，所述納米材料多層膜的總厚度不小于電介質微球的半徑。
[0012]本發(fā)明中的納米材料多層膜的原料為納米二氧化硅溶膠和/或納米二氧化鈦溶膠純?nèi)苣z調(diào)配成的不同折射率的納米溶膠，每種納米溶膠的粒徑為10?30nm，即:納米二氧化鈦和納米二氧化娃的粒徑分別為10?30nm，所述納米二氧化鈦溶膠和納米二氧化娃溶膠的質量百分比濃度均為20% ;混合溶膠由納米二氧化鈦溶膠與納米二氧化硅溶膠按體積比1:1?1:5配制而成。納米二氧化鈦溶膠的折射率是1.78，納米二氧化硅溶膠的折射率是1.32，將兩者按照不同配比混合，混合溶膠的折射率根據(jù)兩者混合體積變化而變化，但混合溶膠的折射率不一定和兩者體積成比例變化。另外，溶膠的折射率和沉降成膜的折射率也是有點差別的，這和膜的厚度等有關。因為成膜后膜內(nèi)會填充空氣，空氣的折射率是1.0。
[0013]本發(fā)明中，納米材料多層膜自下到上的折射率梯度變化，納米材料多層膜的梯度變化折射率可以由不同折射率的溶膠涂覆獲得，或者調(diào)控純納米二氧化硅或純納米二氧化鈦涂覆層的厚度獲得。
[0014]優(yōu)選地，納米材料多層膜自下而上，第一層為純納米二氧化鈦層，最后一層為純納米二氧化娃層，所述納米二氧化娃層的厚度為120?150nm。
[0015]本發(fā)明構筑上述的抗反射結構的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0016]a、將基底置于稀酸溶液中浸泡清洗，再用蒸餾水、乙醇分別沖洗三次，然后在丙酮中超聲洗滌至少20分種，用去離子水沖洗干凈，干燥后冷卻備用；
[0017]b、采用對流自組裝法在基底表面沉積亞微米或微米電介質微球單層自組裝結構，形成一起伏表面于基底表面；
[0018]C、采用旋涂法將不同折射率的納米溶膠在所述自組裝結構表面層疊涂覆成納米材料多層膜，形成抗反射結構；
[0019]d、對步驟c的抗反射結構進行熱處理使得溶劑揮發(fā)和結構致密化即可。
[0020]本發(fā)明中，對流自組裝法沉積單層自組裝結構的條件為:沉積板與基底之間的契角為20?45度，電介質微球的懸浮液質量百分比濃度為4?20%，懸浮液溶劑是水或乙醇，電介質微球的懸浮液用量10?100 μ L，沉積速率為0.02?0.12mm/So本發(fā)明通過控制沉積速率，電介質微球懸浮液濃度、用量和溶劑，微球尺寸等調(diào)控單層自組裝結構。
[0021]本發(fā)明中，步驟c中每層膜的涂膜工藝為:先低速500rps旋涂6s，隨后將速度控制在1000?4000rps旋涂30?60s，旋涂滴液量為I?6mL。
[0022]本發(fā)明步驟c中的熱處理條件為80?200°C條件下加熱10分鐘。
[0023]本發(fā)明中基底的材料可選自單晶硅、非晶硅、多晶硅、玻璃、石英中的一種。當然，太陽能電池板也可，但太陽能電池板無需酸洗步驟，從蒸餾水清洗開始即可。
[0024]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，有以下優(yōu)點:
[0025]本發(fā)明將對流自組裝技術與旋涂技術相結合，采用對流自組裝技術制備大面積單層亞微/微米自組裝結構，然后采用旋涂法在自組裝結構表面涂覆折射率連續(xù)遞變的多層膜，形成類半球形表面結構。
[0026]本發(fā)明利用亞微/微米半球形結構表面實現(xiàn)對不同入射角度光的調(diào)控，利用折射率遞變的多層膜實現(xiàn)對寬波段入射光的調(diào)控，即通過入射光在不同表面和微球間的二次反射和內(nèi)反射將光陷在結構內(nèi)部，實現(xiàn)反射光和透射光的重新分配，從而解決寬波段和多角度抗反射問題，獲得理想的全向抗反射微結構，實現(xiàn)在30?80度入射角和400?1200nm波長范圍內(nèi)具有良好抗反射結構，且隨著入射光角度的增加，抗反射能力增強。
[0027]本發(fā)明抗反射結構的構筑方法工藝簡單，效率高，可控性好，重復性好，成本低，可實現(xiàn)大面積制作，可以廣泛的應用于太陽能電池和光電器件等方面，適用于工