一種親水型非規(guī)整多層減反射膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太陽(yáng)光伏電池【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種親水型非規(guī)整多層減反射膜及其制備方法，該減反射膜在基體層表面設(shè)有由TiO2膜層和SiO2膜層交替組成的多層膜結(jié)構(gòu)，且靠近基體表面的第一層為TiO2膜層，靠近空氣界面的最外層為SiO2膜層；所述多層膜結(jié)構(gòu)的厚度為300nm-350nm。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)鍍膜制備該減反射膜。該減反射膜針對(duì)現(xiàn)有TiO2系減反射膜透過率不高和親水性的不足，將TiO2和SiO2兩種薄膜交替沉積形成成多層非規(guī)整型減反膜，該多層減反射膜可實(shí)現(xiàn)光的高透過和親水性。
【專利說明】一種親水型非規(guī)整多層減反射膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)光伏電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及太陽(yáng)光伏玻璃自清潔的親水型非規(guī)整多層減反射膜減反膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiO2薄膜是一種對(duì)可見光和近紅外光高透、對(duì)紫外光強(qiáng)烈吸收的光學(xué)薄膜，其透明波段為0.36 μ m?9 μ m，它折射率較高并可隨制備工藝變化，化學(xué)、機(jī)械性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的耐空間輻照特性，已成為應(yīng)用最廣的減反射膜材之一，不論是在傳統(tǒng)分層介質(zhì)減反膜體系中，還是在新型漸變折射率薄膜結(jié)構(gòu)中，它都有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。TiO2薄膜還具備很好的光催化性與光致親水性，能有效實(shí)現(xiàn)自潔凈與殺菌功能，因此TiO2薄膜是一種極具應(yīng)用前景的功能性薄膜，將它與其它光學(xué)膜材匹配在一起，通過合理設(shè)計(jì)構(gòu)建成為減反膜系，不僅可以實(shí)現(xiàn)較好的光學(xué)性能，還有利于改善薄膜的自清潔功能，這對(duì)于提高光學(xué)器件的光效利用率和服役壽命都具有很大意義。
[0003]不過，TiO2本身具有多元晶格結(jié)構(gòu)，隨制備工藝的不同以及后期熱處理?xiàng)l件的差異，它可能會(huì)呈現(xiàn)銳鈦礦(折射率n=2.56)、板鈦礦(2.58〈n〈2.70)或金紅石(n=2.77)結(jié)構(gòu)，容易造成薄膜折射率不穩(wěn)定，膜層散射損耗增加，出現(xiàn)淡藍(lán)色或白色的霧狀缺陷等問題。因此選擇合適的制備及后處理工藝以得到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜是很重要的。根據(jù)光學(xué)減反射原理可知，對(duì)于高折射率的TiO2材料而言，它并不適合單獨(dú)作為減反膜使用，通常將它與其它低折射率膜材設(shè)計(jì)組合在一起，形成雙層、三層以及多層TiO2系光學(xué)減反膜體系，才能充分體現(xiàn)其優(yōu)異的光學(xué)特性。SiO2薄膜透光率高、散射吸收小、折射率穩(wěn)定(n=l.46)，且硬度高、耐磨性好、膜層牢固，是最常用的低折射率材料之一。SiO2本身還是一種很好的蓄水材料，它能有效吸附水，形成的羥基非常穩(wěn)定，而且它能幫助穩(wěn)定TiO2表面的Ti3+— OH結(jié)構(gòu)，使氧置換化學(xué)吸附水的過程變慢，這樣即使在黑暗中也能維持較長(zhǎng)時(shí)間的親水特性，有利于制備自清潔光學(xué)減反膜。而且它與TiO2的應(yīng)力類型正好相反，這兩種材料組合在一起有利于降低體系的內(nèi)應(yīng)力，獲得穩(wěn)定的膜系結(jié)構(gòu)。例如，萬(wàn)剛、葉得軍等人設(shè)計(jì)的硅太陽(yáng)電池雙層減反膜Si0x/Ti02的有效反射率約為5%，電池短路電流增益達(dá)45%，轉(zhuǎn)換效率增益達(dá)47% (萬(wàn)剛，葉得軍，崔容強(qiáng).硅太陽(yáng)電池減反射膜的優(yōu)化設(shè)計(jì).上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，32(12):21-23)。譚宇、梁宏軍等人利用Ti02、SiO2和MgF2三種材料在K9玻璃表面成功設(shè)計(jì)并制備了 8層的0.4 μ m?1.1 μ m超寬帶減反膜(譚宇，梁宏軍，劉永強(qiáng)等.用二氧化鈦、二氧化硅和氟化鎂膜料鍍制0.4μπι -1.Ιμπι超寬帶增透膜.應(yīng)用光學(xué)，2007，28(5):623-626)，各波長(zhǎng)位置的剩余反射率均低于1%。同時(shí)，近幾年來，具備寬帶、全方位減反特性的漸變折射率減反膜逐漸受到國(guó)內(nèi)外薄膜工作者的重視，Ti02由于折射率較高且可靈活調(diào)控，在漸變薄膜結(jié)構(gòu)中也開始表現(xiàn)出它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。施蓓蓓等人采用溶膠-凝膠法研究了SiO2-TiO2 化學(xué)成分混合結(jié)構(gòu)薄膜(B.B.Shi,Z.Q.Ma,X.Tang,C.B.Feng.Mult1-layerantireflection coating for silicon solar cells using a sol—gel technique.6thInternational Conference on TIlin Film Physics and Application (TFPA2007)，Sept.25-28,2007 Shanghai, ER.China.Proe.SPIE Vol.6984，69843D)，通過兩種成分比例的不同來調(diào)節(jié)薄膜的折射率，并在單晶硅基體表面制備了單層、雙層和三層減反膜，獲得較好的減反效果。周繼承等發(fā)明了一種疏松層TiO2/致密TiO2/ SiO2鈍化層減反膜，得到比單層TiO2膜更好的減反射效果(周繼承，趙保星等，一種晶硅太陽(yáng)能電池雙層減反射膜及其制備方法，200910303615.0)。但由于TiO2折射率高達(dá)2.5左右，遠(yuǎn)高于玻璃(1.52)，使TiO2系減反膜很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)光的高透過和自清潔功能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有TiO2系減反射膜透過率不高和親水性的不足，將TiO2和SiO2兩種薄膜交替沉積形成成多層非規(guī)整型減反膜及其制備方法，該多層減反射膜可實(shí)現(xiàn)光的高透過和親水性。該制備方法可以精確控制鍍膜厚度。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種親水型非規(guī)整多層減反射膜，包括基體層，在基體層表面設(shè)有由TiO2膜層和SiO2膜層交替組成的多層膜結(jié)構(gòu)，且靠近基體表面的第一層為TiO2膜層，靠近空氣界面的最外層為SiO2膜層；所述多層膜結(jié)構(gòu)的厚度為300nm-350nm。
[0006]所述多層膜結(jié)構(gòu)優(yōu)選為八層膜結(jié)構(gòu)，且各層的厚度均不相同。
[0007]所述親水型非規(guī)整多層減反射膜，從基體層至靠近空氣界面的最外層依次優(yōu)選為:厚度為6nm-7nm的TiO2膜層，厚度為53nm_55nm的SiO2膜層，厚度為53nm_55nm的SiO2膜層，厚度為22nm-24nm的TiO2膜層，厚度為36nm_38nm的SiO2膜層，厚度為37nm_39nm的TiO2膜層，厚度為32nm-34nm的SiO2膜層，厚度為22nm_24nm的TiO2膜層，厚度為95nm_97nm的SiO2膜層。
[0008]從基體層至靠近空氣界面的最外層依次更優(yōu)選為:厚度為5nm的TiO2膜層，厚度為54nm的SiO2膜層，厚度為23nm的TiO2膜層，厚度為37nm的SiO2膜層，厚度為38nm的TiO2膜層，厚度為33nm的SiO2膜層，厚度為23nm的TiO2膜層，厚度為96nm的SiO2膜層。
[0009]所述基體層優(yōu)選為玻璃層。
[0010]一種親水型非規(guī)整多層減反射膜的制備方法，采用電子束蒸發(fā)鍍膜方法，具體步驟如下:
(1)本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入純氬氣，使氣壓達(dá)到(0.9-1.1) X10_2Pa，用600eV/70mA低能離子束轟擊基片表面15_20min，除去基片表面的氧化層和污染物；
(2)清洗結(jié)束后，關(guān)閉氬氣流，再次將真空抽至5X10_4Pa以下，通入純氧氣，調(diào)整工作氣壓至(1.(Tl.5) X 10_2Pa，鍍制第一層的TiO2膜層，鍍膜時(shí)間根據(jù)所需厚度控制；
(3)然后根據(jù)不同的膜料，選擇合適的工作氣體和工作氣壓、電子束蒸發(fā)參數(shù)交替鍍多層SiO2膜層和TiO2膜層；所述SiO2膜層鍍膜的工作氣體為純氬氣，工作氣壓為(8.0-8.5)父10_^1，高壓為6~101^，束流為25~50mA ;所述TiO2膜層鍍膜的工作氣體為純氧氣，工作氣壓為(1.(Tl.5) X l(T2Pa，高壓為6~10kV，束流為150~200mA ;
(4)最后通入純氬氣，調(diào)整工作氣壓至(8.0-8.5) X 10_3Pa，鍍制最外層的SiO2膜層，鍍膜時(shí)間根據(jù)所需厚度控制，鍍膜結(jié)束。
[0011]下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋和說明:
由于SiO2和TiO2兩種材料的性質(zhì)不同，采用電子束蒸發(fā)時(shí)其工藝不同，包括工作氣體、工作氣壓和電子束參數(shù)均不同，而要將SiO2和TiO2交替沉積形成厚度不一致的非規(guī)整多層膜，其薄膜厚度的控制也是困難的。本發(fā)明采用電子束蒸發(fā)技術(shù)鍍膜，玻璃基片經(jīng)初步清洗后裝入真空室，本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入純度為99.99%的高純氬氣，使氣壓達(dá)到1.0X10_2Pa，用600eV/70mA低能離子束轟擊基片表面15min，除去基片表面的氧化層和污染物。清洗結(jié)束后，關(guān)閉氬氣流量，再次將真空抽至5X KT4Pa以下，然后根據(jù)不同的膜料，選擇合適的工作氣體(高純氬氣或高純氧氣)和工作氣壓，根據(jù)膜料的熔點(diǎn)設(shè)定合適的電子束蒸發(fā)參數(shù)進(jìn)行蒸鍍。為了沉積得到較均勻的薄膜，在鍍膜過程中，開啟樣品臺(tái)自轉(zhuǎn)，且采用FCM-1I型膜厚控制儀監(jiān)控沉積速率與膜厚。各種膜料的電子束蒸鍍具體參數(shù)見下表。
【權(quán)利要求】
1.一種親水型非規(guī)整多層減反射膜，包括基體層，其特征是，在基體層表面設(shè)有由TiO2膜層和SiO2膜層交替組成的多層膜結(jié)構(gòu)，且靠近基體表面的第一層為TiO2膜層，靠近空氣界面的最外層為SiO2膜層；所述多層膜結(jié)構(gòu)的厚度為300nm-350nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述親水型非規(guī)整多層減反射膜，其特征是，所述多層膜結(jié)構(gòu)為八層膜結(jié)構(gòu)，且各層的厚度均不相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述親水型非規(guī)整多層減反射膜，其特征是，從基體層至靠近空氣界面的最外層依次為:厚度為6nm-7nm的TiO2膜層，厚度為53nm_55nm的SiO2膜層，厚度為22nm-24nm的TiO2膜層，厚度為36nm_38nm的SiO2膜層，厚度為37nm_39nm的TiO2膜層，厚度為32nm-34nm的SiO2膜層，厚度為22nm_24nm的TiO2膜層，厚度為95nm_97nm的SiO2膜層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述親水型非規(guī)整多層減反射膜，其特征是，從基體層至靠近空氣界面的最外層依次為:厚度為5nm的TiO2膜層，厚度為54nm的SiO2膜層，厚度為23nm的TiO2膜層，厚度為37nm的SiO2膜層，厚度為38nm的TiO2膜層，厚度為33nm的SiO2膜層，厚度為23nm的TiO2膜層，厚度為96nm的SiO2膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述親水型非規(guī)整多層減反射膜，其特征是，所述基體層為玻璃層。
6.權(quán)利要求1-5之一所述親水型非規(guī)整多層減反射膜的制備方法，采用電子束蒸發(fā)鍍膜方法，其特征是:具體步驟如下: (1)本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入純氬氣，使氣壓達(dá)到(0.9-1.1) X10_2Pa，用600eV/70mA低能離子束轟擊基片表面15_20min，除去基片表面的氧化層和污染物； (2)清洗結(jié)束后，關(guān)閉氬氣流，再次將真空抽至5X10_4Pa以下，通入純氧氣，調(diào)整工作氣壓至(1.(Tl.5) X 10_2Pa，鍍制第一層的TiO2膜層，鍍膜時(shí)間根據(jù)所需厚度控制； (3)然后根據(jù)不同的膜料，選擇合適的工作氣體和工作氣壓、電子束蒸發(fā)參數(shù)交替鍍多層SiO2膜層和TiO2膜層；所述SiO2膜層鍍膜的工作氣體為純氬氣，工作氣壓為(8.0-8.5)父10_^1，高壓為6~101^，束流為25~50mA ;所述TiO2膜層鍍膜的工作氣體為純氧氣，工作氣壓為(1.(Tl.5) X l(T2Pa，高壓為6~10kV，束流為150~200mA ; (4)最后通入純氬氣，調(diào)整工作氣壓至(8.0-8.5) X 10_3Pa，鍍制最外層的SiO2膜層，鍍膜時(shí)間根據(jù)所需厚度控制，鍍膜結(jié)束。
【文檔編號(hào)】C23C14/08GK103594531SQ201310615126
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】周靈平, 羅小蘭, 彭坤, 朱家俊, 李德意 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)