一種抗反射結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抗反射結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑方法，尤其涉及到一種類半球形抗反射結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]最理想的全向抗反射結(jié)構(gòu)是使基底表面對(duì)來自各個(gè)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(cè)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(dòng)，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(duì)于提高材料對(duì)光能的利用率非常重要。
[0003]材料表面構(gòu)筑抗反射微納結(jié)構(gòu)在降低光反射方面發(fā)揮了重要作用。如在硅晶體表面構(gòu)筑類金字塔抗反射結(jié)構(gòu)、蜂窩絨面抗反射結(jié)構(gòu)等。1967年，Bernhard課題組報(bào)道飛蛾復(fù)眼的表面凸起結(jié)構(gòu)具有很好的抗反射性能，它的凸起結(jié)構(gòu)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(xué)曝光一與干涉刻蝕結(jié)合的方法第一次構(gòu)筑了人工飛蛾復(fù)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(gòu)筑抗反射微/納結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。如形成類金字塔、錐形、倒錐形、圓柱形或納米線陣列結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的原理是凸起的微結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)折射系數(shù)呈梯度變化的介質(zhì)層，使得原本在界面處發(fā)生的折射系數(shù)突變實(shí)現(xiàn)連續(xù)性變化，利用光的衍射和干涉現(xiàn)象，進(jìn)行相干光波疊加，實(shí)現(xiàn)反射光和透過光強(qiáng)度的重新分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面反射光強(qiáng)度的降低。雖然這些微結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)多角度的抗反射。有鑒于此，目前仍需要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)同時(shí)解決寬波段和多角度抗反射作用這兩個(gè)問題，進(jìn)而提高太陽能電池、光學(xué)傳感器性能等問題。
[0004]就制作方法而言，目前人們構(gòu)筑抗反射結(jié)構(gòu)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(diǎn)，但是由于儀器價(jià)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(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕方法則存在對(duì)材料要求高，價(jià)格昂貴，技術(shù)工藝復(fù)雜，效率相對(duì)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(gòu)筑抗反射結(jié)構(gòu)，然而這些技術(shù)需要的儀器以及納米壓印所需的模板仍然很昂貴使其應(yīng)用受到了限制。因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便實(shí)用的構(gòu)筑抗反射結(jié)構(gòu)的方法是一個(gè)亟待解決的問題。
[0005]近年來，隨著自組裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使其得到了極大的發(fā)展。自組裝技術(shù)為構(gòu)筑抗反射結(jié)構(gòu)提供了一條方便可行的的路線。該技術(shù)因不需要昂貴的儀器，且具有操作簡(jiǎn)單、快速等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注和發(fā)展。【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在30?80度入射角和400?1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有良好抗反射性能的抗反射結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種該抗反射結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法。
[0008]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案:
[0009]—種抗反射結(jié)構(gòu)，其特征在于包括亞微米或微米電介質(zhì)微球沉積在基底表面而成的單層自組裝結(jié)構(gòu)以及涂覆在所述自組裝結(jié)構(gòu)表面的折射率匹配的電介質(zhì)納米材料多層膜。
[0010]本發(fā)明中的電介質(zhì)微球?yàn)橥腹饴蚀笥?5%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(zhì)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(zhì)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(diǎn)差別的，這和膜的厚度等有關(guān)。因?yàn)槌赡ず竽?nèi)會(huì)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(gòu)筑上述的抗反射結(jié)構(gòu)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(duì)流自組裝法在基底表面沉積亞微米或微米電介質(zhì)微球單層自組裝結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)表面層疊涂覆成納米材料多層膜，形成抗反射結(jié)構(gòu)；
[0019]d、對(duì)步驟c的抗反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理使得溶劑揮發(fā)和結(jié)構(gòu)致密化即可。
[0020]本發(fā)明中，對(duì)流自組裝法沉積單層自組裝結(jié)構(gòu)的條件為:沉積板與基底之間的契角為20?45度，電介質(zhì)微球的懸浮液質(zhì)量百分比濃度為4?20%，懸浮液溶劑是水或乙醇，電介質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)。
[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?xiàng)l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(dāng)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(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025]本發(fā)明將對(duì)流自組裝技術(shù)與旋涂技術(shù)相結(jié)合，采用對(duì)流自組裝技術(shù)制備大面積單層亞微/微米自組裝結(jié)構(gòu)，然后采用旋涂法在自組裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。
[0026]本發(fā)明利用亞微/微米半球形結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)不同入射角度光的調(diào)控，利用折射率遞變的多層膜實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)構(gòu)內(nèi)部，實(shí)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在30?80度入射角和400?1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有良好抗反射結(jié)構(gòu)，且隨著入射光角度的增加，抗反射能力增強(qiáng)。
[0027]本發(fā)明抗反射結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑方法工藝簡(jiǎn)單，效率高，可控性好，重復(fù)性好，成本低，可實(shí)現(xiàn)大面積制作，可以廣泛的應(yīng)用于太陽能電池和光電器件等方面，適用于工