一种亲水型非规整多层减反射膜及其制备方法
【专利摘要】本发明属于太阳光伏电池【技术领域】，公开了一种亲水型非规整多层减反射膜及其制备方法，该减反射膜在基体层表面设有由TiO2膜层和SiO2膜层交替组成的多层膜结构，且靠近基体表面的第一层为TiO2膜层，靠近空气界面的最外层为SiO2膜层；所述多层膜结构的厚度为300nm-350nm。采用电子束蒸发技术镀膜制备该减反射膜。该减反射膜针对现有TiO2系减反射膜透过率不高和亲水性的不足，将TiO2和SiO2两种薄膜交替沉积形成成多层非规整型减反膜，该多层减反射膜可实现光的高透过和亲水性。
【专利说明】一种亲水型非规整多层减反射膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳光伏电池【技术领域】，具体涉及太阳光伏玻璃自清洁的亲水型非规整多层减反射膜减反膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]TiO2薄膜是一种对可见光和近红外光高透、对紫外光强烈吸收的光学薄膜，其透明波段为0.36 μ m?9 μ m，它折射率较高并可随制备工艺变化，化学、机械性质稳定，具有良好的耐空间辐照特性，已成为应用最广的减反射膜材之一，不论是在传统分层介质减反膜体系中，还是在新型渐变折射率薄膜结构中，它都有着不可替代的优势。TiO2薄膜还具备很好的光催化性与光致亲水性，能有效实现自洁净与杀菌功能，因此TiO2薄膜是一种极具应用前景的功能性薄膜，将它与其它光学膜材匹配在一起，通过合理设计构建成为减反膜系，不仅可以实现较好的光学性能，还有利于改善薄膜的自清洁功能，这对于提高光学器件的光效利用率和服役寿命都具有很大意义。
[0003]不过，TiO2本身具有多元晶格结构，随制备工艺的不同以及后期热处理条件的差异，它可能会呈现锐钛矿(折射率n=2.56)、板钛矿(2.58〈n〈2.70)或金红石(n=2.77)结构，容易造成薄膜折射率不稳定，膜层散射损耗增加，出现淡蓝色或白色的雾状缺陷等问题。因此选择合适的制备及后处理工艺以得到稳定结构的TiO2薄膜是很重要的。根据光学减反射原理可知，对于高折射率的TiO2材料而言，它并不适合单独作为减反膜使用，通常将它与其它低折射率膜材设计组合在一起，形成双层、三层以及多层TiO2系光学减反膜体系，才能充分体现其优异的光学特性。SiO2薄膜透光率高、散射吸收小、折射率稳定(n=l.46)，且硬度高、耐磨性好、膜层牢固，是最常用的低折射率材料之一。SiO2本身还是一种很好的蓄水材料，它能有效吸附水，形成的羟基非常稳定，而且它能帮助稳定TiO2表面的Ti3+— OH结构，使氧置换化学吸附水的过程变慢，这样即使在黑暗中也能维持较长时间的亲水特性，有利于制备自清洁光学减反膜。而且它与TiO2的应力类型正好相反，这两种材料组合在一起有利于降低体系的内应力，获得稳定的膜系结构。例如，万刚、叶得军等人设计的硅太阳电池双层减反膜Si0x/Ti02的有效反射率约为5%，电池短路电流增益达45%，转换效率增益达47% (万刚，叶得军，崔容强.硅太阳电池减反射膜的优化设计.上海交通大学学报，1998，32(12):21-23)。谭宇、梁宏军等人利用Ti02、SiO2和MgF2三种材料在K9玻璃表面成功设计并制备了 8层的0.4 μ m?1.1 μ m超宽带减反膜(谭宇，梁宏军，刘永强等.用二氧化钛、二氧化硅和氟化镁膜料镀制0.4μπι -1.Ιμπι超宽带增透膜.应用光学，2007，28(5):623-626)，各波长位置的剩余反射率均低于1%。同时，近几年来，具备宽带、全方位减反特性的渐变折射率减反膜逐渐受到国内外薄膜工作者的重视，Ti02由于折射率较高且可灵活调控，在渐变薄膜结构中也开始表现出它的独特优势。施蓓蓓等人采用溶胶-凝胶法研究了SiO2-TiO2 化学成分混合结构薄膜(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)，通过两种成分比例的不同来调节薄膜的折射率，并在单晶硅基体表面制备了单层、双层和三层减反膜，获得较好的减反效果。周继承等发明了一种疏松层TiO2/致密TiO2/ SiO2钝化层减反膜，得到比单层TiO2膜更好的减反射效果(周继承，赵保星等，一种晶硅太阳能电池双层减反射膜及其制备方法，200910303615.0)。但由于TiO2折射率高达2.5左右，远高于玻璃(1.52)，使TiO2系减反膜很难同时实现光的高透过和自清洁功能。
【发明内容】
[0004]针对现有TiO2系减反射膜透过率不高和亲水性的不足，将TiO2和SiO2两种薄膜交替沉积形成成多层非规整型减反膜及其制备方法，该多层减反射膜可实现光的高透过和亲水性。该制备方法可以精确控制镀膜厚度。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案是:
一种亲水型非规整多层减反射膜，包括基体层，在基体层表面设有由TiO2膜层和SiO2膜层交替组成的多层膜结构，且靠近基体表面的第一层为TiO2膜层，靠近空气界面的最外层为SiO2膜层；所述多层膜结构的厚度为300nm-350nm。
[0006]所述多层膜结构优选为八层膜结构，且各层的厚度均不相同。
[0007]所述亲水型非规整多层减反射膜，从基体层至靠近空气界面的最外层依次优选为:厚度为6nm-7nm的TiO2膜层，厚度为53nm_55nm的SiO2膜层，厚度为53nm_55nm的SiO2膜层，厚度为22nm-24nm的TiO2膜层，厚度为36nm_38nm的SiO2膜层，厚度为37nm_39nm的TiO2膜层，厚度为32nm-34nm的SiO2膜层，厚度为22nm_24nm的TiO2膜层，厚度为95nm_97nm的SiO2膜层。
[0008]从基体层至靠近空气界面的最外层依次更优选为:厚度为5nm的TiO2膜层，厚度为54nm的SiO2膜层，厚度为23nm的TiO2膜层，厚度为37nm的SiO2膜层，厚度为38nm的TiO2膜层，厚度为33nm的SiO2膜层，厚度为23nm的TiO2膜层，厚度为96nm的SiO2膜层。
[0009]所述基体层优选为玻璃层。
[0010]一种亲水型非规整多层减反射膜的制备方法，采用电子束蒸发镀膜方法，具体步骤如下:
(1)本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入纯氩气，使气压达到(0.9-1.1) X10_2Pa，用600eV/70mA低能离子束轰击基片表面15_20min，除去基片表面的氧化层和污染物；
(2)清洗结束后，关闭氩气流，再次将真空抽至5X10_4Pa以下，通入纯氧气，调整工作气压至(1.(Tl.5) X 10_2Pa，镀制第一层的TiO2膜层，镀膜时间根据所需厚度控制；
(3)然后根据不同的膜料，选择合适的工作气体和工作气压、电子束蒸发参数交替镀多层SiO2膜层和TiO2膜层；所述SiO2膜层镀膜的工作气体为纯氩气，工作气压为(8.0-8.5)父10_^1，高压为6~101^，束流为25~50mA ;所述TiO2膜层镀膜的工作气体为纯氧气，工作气压为(1.(Tl.5) X l(T2Pa，高压为6~10kV，束流为150~200mA ;
(4)最后通入纯氩气，调整工作气压至(8.0-8.5) X 10_3Pa，镀制最外层的SiO2膜层，镀膜时间根据所需厚度控制，镀膜结束。
[0011]下面对本发明做进一步解释和说明:
由于SiO2和TiO2两种材料的性质不同，采用电子束蒸发时其工艺不同，包括工作气体、工作气压和电子束参数均不同，而要将SiO2和TiO2交替沉积形成厚度不一致的非规整多层膜，其薄膜厚度的控制也是困难的。本发明采用电子束蒸发技术镀膜，玻璃基片经初步清洗后装入真空室，本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入纯度为99.99%的高纯氩气，使气压达到1.0X10_2Pa，用600eV/70mA低能离子束轰击基片表面15min，除去基片表面的氧化层和污染物。清洗结束后，关闭氩气流量，再次将真空抽至5X KT4Pa以下，然后根据不同的膜料，选择合适的工作气体(高纯氩气或高纯氧气)和工作气压，根据膜料的熔点设定合适的电子束蒸发参数进行蒸镀。为了沉积得到较均匀的薄膜，在镀膜过程中，开启样品台自转，且采用FCM-1I型膜厚控制仪监控沉积速率与膜厚。各种膜料的电子束蒸镀具体参数见下表。
【权利要求】
1.一种亲水型非规整多层减反射膜，包括基体层，其特征是，在基体层表面设有由TiO2膜层和SiO2膜层交替组成的多层膜结构，且靠近基体表面的第一层为TiO2膜层，靠近空气界面的最外层为SiO2膜层；所述多层膜结构的厚度为300nm-350nm。
2.根据权利要求1所述亲水型非规整多层减反射膜，其特征是，所述多层膜结构为八层膜结构，且各层的厚度均不相同。
3.根据权利要求1或2所述亲水型非规整多层减反射膜，其特征是，从基体层至靠近空气界面的最外层依次为:厚度为6nm-7nm的TiO2膜层，厚度为53nm_55nm的SiO2膜层，厚度为22nm-24nm的TiO2膜层，厚度为36nm_38nm的SiO2膜层，厚度为37nm_39nm的TiO2膜层，厚度为32nm-34nm的SiO2膜层，厚度为22nm_24nm的TiO2膜层，厚度为95nm_97nm的SiO2膜层。
4.根据权利要求3所述亲水型非规整多层减反射膜，其特征是，从基体层至靠近空气界面的最外层依次为:厚度为5nm的TiO2膜层，厚度为54nm的SiO2膜层，厚度为23nm的TiO2膜层，厚度为37nm的SiO2膜层，厚度为38nm的TiO2膜层，厚度为33nm的SiO2膜层，厚度为23nm的TiO2膜层，厚度为96nm的SiO2膜层。
5.根据权利要求1或2所述亲水型非规整多层减反射膜，其特征是，所述基体层为玻璃层。
6.权利要求1-5之一所述亲水型非规整多层减反射膜的制备方法，采用电子束蒸发镀膜方法，其特征是:具体步骤如下: (1)本底真空抽至5.0X10_4Pa以下，通入纯氩气，使气压达到(0.9-1.1) X10_2Pa，用600eV/70mA低能离子束轰击基片表面15_20min，除去基片表面的氧化层和污染物； (2)清洗结束后，关闭氩气流，再次将真空抽至5X10_4Pa以下，通入纯氧气，调整工作气压至(1.(Tl.5) X 10_2Pa，镀制第一层的TiO2膜层，镀膜时间根据所需厚度控制； (3)然后根据不同的膜料，选择合适的工作气体和工作气压、电子束蒸发参数交替镀多层SiO2膜层和TiO2膜层；所述SiO2膜层镀膜的工作气体为纯氩气，工作气压为(8.0-8.5)父10_^1，高压为6~101^，束流为25~50mA ;所述TiO2膜层镀膜的工作气体为纯氧气，工作气压为(1.(Tl.5) X l(T2Pa，高压为6~10kV，束流为150~200mA ; (4)最后通入纯氩气，调整工作气压至(8.0-8.5) X 10_3Pa，镀制最外层的SiO2膜层，镀膜时间根据所需厚度控制，镀膜结束。
【文档编号】C23C14/08GK103594531SQ201310615126
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】周灵平, 罗小兰, 彭坤, 朱家俊, 李德意 申请人:湖南大学