一種采用激光直寫(xiě)制備薄膜降反結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種可用于降低表面可見(jiàn)光反射且采用激光直寫(xiě)制備薄膜降反結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光伏器件的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)光收集效率提出越來(lái)越高的要求。為此，人們開(kāi)發(fā)了多種多樣的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)提高光收集效率，其主要技術(shù)路徑集中在減少器件表面反射以及增加光線在器件內(nèi)部材料的吸收兩個(gè)方面。對(duì)光學(xué)器件、太陽(yáng)能電池的表面進(jìn)行處理以降低反射率，一直以來(lái)也在不斷地取得進(jìn)展，成為人們提高光收集效率的重要手段。傳統(tǒng)的方法是采用光學(xué)鍍膜減低反射率，也就是說(shuō)通過(guò)在光學(xué)器件表面制備特定材料和厚度的薄膜。如果精確控制薄膜厚度為入射光波長(zhǎng)的1/4，則經(jīng)過(guò)上下表面反射的光程差達(dá)到λ/2，經(jīng)該薄膜上下表面反射的光線會(huì)產(chǎn)生干涉相消，從而減少反射。實(shí)際中，為了提高反射率，通常需要鍍多層的薄膜。此外，使用表面微結(jié)構(gòu)來(lái)降低器件的反射也隨著微納加工技術(shù)的進(jìn)步而逐步發(fā)展。在這方面應(yīng)用最為廣泛的是在單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能薄膜電池上。
[0003]目前的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)激光直寫(xiě)在Si/PS復(fù)合薄膜表面制備出凸起結(jié)構(gòu)陣列，可以有效地減少光線在表面的反射，使光線更多地進(jìn)入到薄膜的內(nèi)部，Si薄膜的使用能和硅太陽(yáng)能電池材料兼容。這樣的表面結(jié)構(gòu)陣列可以方便的調(diào)控凸起結(jié)構(gòu)的密度和大小，可以對(duì)不同波長(zhǎng)進(jìn)行有效的減反。凸起結(jié)構(gòu)也能起到對(duì)光線的會(huì)聚作用，進(jìn)一步提高光收集的效率。因此可以制備出降低光反射薄膜材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種采用激光直寫(xiě)制備薄膜降反結(jié)構(gòu)的方法從而降低薄膜材料光反射的方法，所使用的材料為硅、聚苯乙烯復(fù)合薄膜材料，制備簡(jiǎn)單方便、無(wú)污染、薄膜厚度均勻、表面平整。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)第一技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種采用激光直寫(xiě)制備薄膜降反結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟:
[0006]步驟1):選取基底，對(duì)其進(jìn)行清洗和干燥處理；
[0007]步驟2):聚苯乙烯薄膜的制備:聚苯乙烯(PS)薄膜的制備需要首先將純凈的聚苯乙烯固體溶解在甲苯溶液中，通過(guò)升溫和磁力攪拌機(jī)加快聚苯乙烯固體的溶解速度并提高聚苯乙烯在甲苯溶液中分布均勻。待聚苯乙烯固體完全溶解后，使用過(guò)濾直徑為0.45 μπι和0.22 μ m的有機(jī)濾器將溶液先后過(guò)濾兩次，以確保獲得干凈的聚苯乙烯甲苯溶液。通過(guò)調(diào)整PS濃度，可以獲得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚苯乙烯甲苯溶液。由于甲苯有著快速揮發(fā)的特性，因此可以采取旋涂的方法獲得平整而均勻的薄膜。在旋涂的過(guò)程中，滴在襯底基片中央的液滴隨著旋轉(zhuǎn)的開(kāi)始快速攤開(kāi)均勻地布滿整個(gè)基片。在此過(guò)程中，甲苯溶劑快速的揮發(fā)而獲得聚苯乙烯薄膜，其厚度可通過(guò)聚苯乙烯的甲苯溶液濃度和甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，對(duì)旋涂好的PS薄膜在80°C的溫度下進(jìn)行烘干1小時(shí)去除殘余的甲苯溶劑分子。
[0008]步驟3):在PS薄膜上制備多晶硅薄膜:通過(guò)物理氣相沉積工藝，生長(zhǎng)一層多晶硅薄膜；優(yōu)先例中采用靶材和磁控濺射設(shè)備在真空環(huán)境下進(jìn)行硅薄膜沉積，可以通過(guò)調(diào)節(jié)沉積時(shí)的參數(shù)，如沉積功率、沉積壓強(qiáng)和沉積時(shí)間等在PS薄膜上獲得厚度均勻，厚度可控的硅薄膜。
[0009]步驟4):利用激光在該薄膜上制備微凸起陣列:利用激光直寫(xiě)設(shè)備，選擇適當(dāng)能量密度(范圍0.l-2J/cm2)的激光照射到樣品表面。薄膜經(jīng)過(guò)激光照射后，會(huì)發(fā)生光熱轉(zhuǎn)換，使復(fù)合薄膜的溫度上升，聚苯乙烯受熱膨脹，硅薄膜向上隆起形成微結(jié)構(gòu)陣列。
[0010]在第一技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步包括如下附屬技術(shù)方案:
[0011]所述基底為玻璃材質(zhì)基片、單晶基片或聞分子聚合物基片，可以是硬基片，也可以是柔性基片。
[0012]所述玻璃材質(zhì)基片包括普通蓋玻片、載玻片或石英玻璃；所述單晶基片包括單晶Si片、神化嫁基片、氣化嫁基片；
[0013]所述高分子聚合物基底為絕緣材質(zhì)的柔性基片，其包括PMMA，PC基片。
[0014]所述步驟2)中的物理氣相沉積工藝為直流磁控濺射、或射頻磁控濺射、或離子濺射、或激光脈沖沉積、或電子束沉積。所述薄膜的厚度優(yōu)選為20nm-500nm。
[0015]本發(fā)明的目的是通過(guò)第二技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種采用激光直寫(xiě)制備薄膜降反結(jié)構(gòu)，其包括:基底、對(duì)基底旋涂聚苯乙烯甲苯溶液并干燥獲得的聚苯乙烯薄膜、以及在聚苯乙烯薄膜上采用物理氣相沉積工藝鍍制的多晶硅薄膜，其中多晶硅薄膜經(jīng)過(guò)激光照射刻寫(xiě)并形成有微凸起結(jié)構(gòu)陣列。
[0016]在第二技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步包括如下附屬技術(shù)方案:
[0017]所述基底為玻璃材質(zhì)基片、單晶基片或聞分子聚合物基片，可以是硬基片，也可以是柔性基片。
[0018]所述玻璃材質(zhì)基片包括普通蓋玻片、載玻片或石英玻璃；所述單晶基片包括單晶Si片、神化嫁基片、氣化嫁基片；
[0019]所述高分子聚合物基底為絕緣材質(zhì)的柔性基片，其包括PMMA，PC基片。
[0020]所述步驟2)中的物理氣相沉積工藝為直流磁控濺射、或射頻磁控濺射、或離子濺射、或激光脈沖沉積、或電子束沉積。所述薄膜的厚度優(yōu)選為20nm-500nm。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1)采用工業(yè)化生產(chǎn)中常用的物理氣相沉積的方法來(lái)制備薄膜。具有制備簡(jiǎn)單方便、無(wú)污染、薄膜厚度均勻、表面光滑等優(yōu)點(diǎn)。在薄膜厚度為50納米時(shí)，表面粗糙度約5納米。
[0023]2)整個(gè)制備工藝中不需要進(jìn)行曝光、蝕刻等復(fù)雜步驟。通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整工藝參數(shù)即可制備面積、厚度、尺寸可控的減反射微結(jié)構(gòu)陣列，可用于降低光反射的太陽(yáng)能電池、光學(xué)器件等。
[0024]3)該發(fā)明方法生產(chǎn)流程周期短，成本低，產(chǎn)率高，工藝簡(jiǎn)單可控，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。所得產(chǎn)品的減反射微結(jié)構(gòu)陣列能在太陽(yáng)能電池、光學(xué)器件、光敏傳感器等領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0025]以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中:
[0026]圖1為本發(fā)明激光照射前的工作示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明激光照射后的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1制備的聚苯乙烯薄膜和聚苯乙烯\硅復(fù)合薄膜的X射線衍射(XRD)圖像；
[0029]圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1激光照射制備的六方密排微結(jié)構(gòu)陣列反射率光學(xué)顯微鏡圖；
[0030]圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2激光照射制備的四方密排微結(jié)構(gòu)陣列反射率掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
[0031]圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3激光照射制備的四方密排微結(jié)構(gòu)陣列原子力顯微鏡(AFM)圖；
[0032]圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例5激光照射制備的六方密排微結(jié)構(gòu)陣列反射率測(cè)量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制備方法做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]如圖1-2所述，本發(fā)明提供一種具備減反射特性微結(jié)構(gòu)薄膜制備方法，其包括如下步驟:
[0035]步驟1):選取基底，對(duì)其進(jìn)行清洗和干燥處理；
[0036]步驟2):聚苯乙烯薄膜的制備:聚苯乙烯(PS)薄膜的制備需要首先將純凈的PS固體溶解在甲苯溶液中，通過(guò)升溫和磁力攪拌機(jī)加快PS固體的溶解速度并提高PS在甲苯溶液中分布均勻。待PS固體完全溶解后，使用過(guò)濾直徑為0.45 μ m和0.22 μ m的有機(jī)濾器將溶液先后過(guò)濾兩次，以確保獲得干凈的PS甲苯溶液。通過(guò)調(diào)整PS濃度，可以獲得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PS甲苯溶液。由于甲苯有著快速揮發(fā)的特性，因此可以采取旋涂的方法獲得平整而均勻的薄膜。在旋涂的過(guò)程中，滴在襯底基片中央的液滴隨著旋轉(zhuǎn)的開(kāi)始快速攤開(kāi)均勻地布滿整個(gè)基片。在此過(guò)程中，甲苯溶劑快速的揮發(fā)而獲得PS薄膜，其厚度可通過(guò)PS的甲苯溶液濃度和甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，對(duì)旋涂好的PS薄膜在80°C的溫度下進(jìn)行烘干1小時(shí)去除殘余的甲苯溶劑分子。
[0037]步驟3):在PS薄膜上制備多晶硅薄膜:通過(guò)物理氣相沉積工藝，生長(zhǎng)一層多晶硅薄膜，可以通過(guò)調(diào)節(jié)沉積時(shí)的參數(shù)，如沉積功率、沉積壓強(qiáng)和沉積時(shí)間來(lái)獲得厚度均勻，厚度可控的硅薄膜，所述多晶硅薄膜的厚度為20nm-500nm，聚苯乙烯薄膜的厚度為100nm-2μ m。
[0038]步驟4):利用激光在該薄膜上制備微凸起陣列:利用激光直寫(xiě)設(shè)備，選擇適當(dāng)能量密度(范圍為0.l-2J/cm2)的激光照射到樣品表面。薄膜經(jīng)過(guò)激光照射后，會(huì)發(fā)生光熱轉(zhuǎn)換，使復(fù)合薄膜的溫度上升，聚苯乙烯受熱膨脹，硅薄膜向上隆起形成微結(jié)構(gòu)陣列。該微結(jié)構(gòu)陣列可以使照射在表面上的光線發(fā)生折射，改變光線路徑，進(jìn)而降低反射率。
[0039]為更進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明還提供如下具體實(shí)施例:
[0040]實(shí)施例1:
[0041]步驟1):選取蓋玻片作為基底，采用常規(guī)的半導(dǎo)體清洗工藝將該襯底清洗干凈，清洗干凈后使用干燥氣體吹干，在真空烤箱中以120°C -200°C溫度下干燥、冷卻至室溫后取出；
[0042]步驟2):在如上處理過(guò)的蓋玻片基底上采用甩膠機(jī)旋涂5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚苯乙烯甲苯溶液，甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)每分鐘，旋涂1分鐘。對(duì)旋涂好的PS薄膜在80°C的溫度下進(jìn)行烘干1小時(shí)去除殘余的甲苯溶劑分子，測(cè)得PS薄膜厚度為300nm ；
[0043]步驟3):在聚苯乙烯薄膜上繼續(xù)采用射頻磁控濺射沉積多晶硅薄膜，沉積條件:背景壓強(qiáng)1 X 10 5Pa，濺射功率50W，Ar流量為25sCCm，沉積壓強(qiáng)0.1Pa，基底溫度為室溫，沉積時(shí)間900s，得到多晶硅薄膜厚度為20nm。該復(fù)合薄膜的材料由聚苯乙烯和多晶硅薄膜組成，其X射線衍射(XRD)數(shù)據(jù)如圖3所示。
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