本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種通過表面結晶改善二氧化硅膜層光學特性的方法，特別涉及一種通過高壓惰性氣氛快速升降溫熱處理促進二氧化硅顆粒表面結晶的工藝。
背景技術：
：太陽能是目前為止最為清潔、可持續(xù)的能源。2015年，全球光伏新增裝機量達36gw，未來幾年將繼續(xù)增加。屆時，光伏發(fā)電將在極大程度上解決世界能源緊缺的問題。對于高效太陽能電池，光吸收過程是光電轉換的關鍵的第一步，直接影響光電轉換的效率，因此，增加光的吸收，減少光反射對提高太陽能電池轉換效率具有重要的意義。一般情況下，當光照射到某一平面樣品表面時，會發(fā)生光的反射，反射率的大小由樣品和外界透明介質的折射率決定。對于普通的拋光硅片，表面反射率高達35％，這意味著，若硅表面不進行任何減反射處理，光從空氣中入射到硅電池表面時，將有1/3的光被浪費。因此，我們在空氣中和硅片之間增加減反層，來提高光的透過率。根據(jù)光的折射定律，當光線從低折射率介質向高折射率介質傳播時，折射角增大。當入射角較大時，則有可能發(fā)生全反射，這樣光線就可以被更長地鎖在低折射率介質內部形成“光池”。因此，若用于制備減反層顆粒的表面的折射率高于顆粒內部，則光線在顆粒內部的停留時間就會延長，光線的利用率得以提高。相比于單層或雙層減反膜，多層減反膜對寬波段的光具有更好的減反效果。在利用多層膜作減反射時，欲達到優(yōu)異的減反射效果，每層膜的折射率會呈現(xiàn)近連續(xù)的變化。由此，人們引入梯度折射率的概念。梯度折射率材料是一種非勻質材料，其組分和結構在材料內部按一定規(guī)律連續(xù)變化，從而使折射率也相應地呈連續(xù)變化。所謂的梯度折射率減反射層，是指由一系列折射率逐漸從入射介質變化到襯底介質的材料所組成的減反射層。2007年，xi.j.q.等利用傾斜氣相沉積技術在si片上制備了5層梯度折射率分布的納米微結構減反射膜層，實現(xiàn)了非常好的梯度折射率寬帶減反射，希望將這種優(yōu)秀的技術在未來能應用于晶si太陽能電池片的減反射，但該技術對設備要求嚴格，成本較高，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此，低成本、高效率的梯度折射率減反層及減反層材料的制備仍需進一步的探索。技術實現(xiàn)要素：：本發(fā)明針對二氧化硅膜層作為太陽能電池梯度折射率減反層的材料，提供一種工藝簡單、成本較低的連續(xù)變折射率的二氧化硅膜層的制備方法，克服了已有技術的缺點，所制得二氧化硅膜層具有良好的均勻性和熱穩(wěn)定性，膜層內顆粒粒度在10-100nm范圍內，且使得非晶顆粒的表面存在納米結晶微區(qū)，使光線在顆粒內部的停留時間得以提高，通過調控表面結晶程度可實現(xiàn)二氧化硅膜層的折射率的連續(xù)變化。本發(fā)明提出的一種通過表面結晶改善二氧化硅光學特性的方法，包含以下步驟：(1)將化學改性后的納米二氧化硅溶膠顆粒均勻涂于硅片上；(2)將步驟(1)中涂有二氧化硅的硅片在爐子中進行高壓惰性氣體熱處理，熱處理溫度為100-1800℃，優(yōu)選1000-1200℃，氣體壓力為0.1-6mpa，優(yōu)選4mpa，熱處理時間為1-10h，優(yōu)選1-5h，得到顆粒表面結晶的均勻二氧化硅膜層。所述步驟(1)中的二氧化硅溶膠顆粒為非晶態(tài)二氧化硅，平均粒徑為10-100nm，分散性良好，無團聚。所述步驟(1)中采用坩堝承托硅片，所述坩堝為石墨、氧化鋁、氮化硼、碳化硅、石英坩堝中的一種。所述步驟(2)中的惰性氣體為氬氣、氮氣、氦氣中的一種或幾種。所述步驟(2)中的溫度優(yōu)選為100-1500℃。所述步驟(2)中的熱處理時間優(yōu)選為1-5h。所述步驟(2)中的熱處理過程的升溫速率在5-50℃/min之間，降溫速率在5-50℃/min之間。所述步驟(2)中的爐子采用氣壓熱處理爐。本發(fā)明的創(chuàng)新思路在于，采用高壓惰性氣氛的快速升降溫熱處理使納米二氧化硅顆粒表面結晶，防止顆粒間進一步團聚以提高膜層均勻性，同時改善二氧化硅的光學特性。10-100nm的納米級sio2顆粒具有很高的表面能，團聚的結合強度很大，一旦團聚，就很難再次被分散。經(jīng)化學改性后的二氧化硅顆粒在常溫下具有良好的分散性，但熱穩(wěn)定性較差。特別是在處于較高的溫度下時，與顆粒結合的表面活性劑中的有機成分揮發(fā)，顆粒間發(fā)生劇烈團聚，分散性急劇惡化，形成二氧化硅的膜層均勻性很差。本發(fā)明在高壓惰性氣氛下對二氧化硅進行熱處理，一方面高壓惰性氣氛和較快的升降溫速率可以抑制表面活性劑的揮發(fā)，防止顆粒間的團聚；另一方面，熱處理也降低了顆粒表面能，甚至使表面部分結晶，可徹底解決團聚問題，提高膜層的均勻性。二氧化硅的折射率介于硅(n＝3.2)和空氣(n＝1)之間，是太陽能電池減反層的理想材料，高壓惰性氣氛的快速升降溫熱處理也可改善二氧化硅的光學性能。其一，由于二氧化硅顆粒非晶內部的折射率較低，而結晶表面的折射率較高，光線可更多停留在顆粒內部形成“光池”，從而光線的逗留時間也得到延長，提高光線的利用率。其二，由于晶體二氧化硅比非晶的二氧化硅具有更高的折射率，通過調控熱處理參數(shù)可改變納米二氧化硅顆粒表面的結晶程度，可得到折射率連續(xù)變化的二氧化硅膜層，從而可以作為太陽能電池梯度折射率減反層的理想材料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：(1)采用表面活性劑對納米二氧化硅進行化學改性，可以使二氧化硅在室溫下保持良好的分散性，在后續(xù)高壓惰性氣氛下快速升降溫熱處理的過程中，表面活性劑具有較慢的揮發(fā)速度，抑制了二氧化硅顆粒之間的團聚趨勢，提高了膜層的均勻性。(2)使用10-100nm單分散的納米二氧化硅溶膠顆粒為原料。一方面，常溫下的二氧化硅具有良好的分散性，為后續(xù)制得具有良好熱穩(wěn)定性和均勻性、表面結晶的二氧化硅膜層提供了前提。(3)在高壓惰性氣氛中對二氧化硅進行熱處理，可以抑制表面活性劑揮發(fā)速度，防止二氧化硅顆粒間團聚。(4)采用快速升降溫的方式對二氧化硅進行熱處理，可以在表面活性劑完全揮發(fā)之前達到二氧化硅結晶溫度，并迅速實現(xiàn)二氧化硅的表面結晶，防止顆粒整體完全結晶。(5)本方法生產(chǎn)周期較短，工藝簡單，操作方便，且生產(chǎn)成本較低。(6)按本發(fā)明制備的顆粒表面結晶的二氧化硅膜層，具有良好的均勻性和熱穩(wěn)定性。(7)表面結晶的二氧化硅顆粒形成“光池”，使光線利用率提高；二氧化硅膜層的光學折射率也可以通過調節(jié)熱處理參數(shù)實現(xiàn)連續(xù)變化，故可以滿足太陽能電池梯度折射率減反層的應用要求。附圖說明圖1：熱處理前二氧化硅溶膠顆粒的形貌照片；圖2：熱處理前二氧化硅膜層的x射線衍射圖譜；圖3：實施例2中熱處理后二氧化硅膜層的x射線衍射圖譜；圖4：實施例2中熱處理后二氧化硅膜層內顆粒的透射電鏡照片。具體實施方式實施例1用聚乙二醇對納米二氧化硅溶膠顆粒進行化學改性，并將溶膠均勻涂于硅片上。將涂有二氧化硅顆粒的硅片置于坩堝中，在爐子中進行熱處理，熱處理溫度為1200℃，爐內氣氛為氬氣，氣體壓力為4mpa，熱處理時間為5h，熱處理的升溫速率為10℃/min，降溫速率為10℃/min，得到顆粒表面結晶的均勻二氧化硅膜層。實施例2用聚乙二醇對納米二氧化硅溶膠顆粒進行化學改性，并將溶膠均勻涂于硅片上。將涂有二氧化硅顆粒的硅片置于坩堝中，在爐子中進行熱處理，熱處理溫度為1200℃，爐內氣氛為氬氣，氣體壓力為4mpa，熱處理時間為1h，熱處理的升溫速率為10℃/min，降溫速率為10℃/min，得到顆粒表面結晶的均勻二氧化硅膜層。對熱處理前后的二氧化硅膜層進行折射率測試，測量結果列于表1。表1高壓惰性氣氛快速升降溫熱處理前后二氧化硅膜層的折射率熱處理前實施例1實施例2折射率(n)1.221.401.49上述實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，熟悉本
技術領域：
的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護的范圍。當前第1頁12