專利名稱：全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及薄膜及其制備方法，尤其涉及一種全角度寬波長范圍使用的減 反射薄膜及其制備方法。
背景技術：
隨著全球經濟的飛速發展，對于能源的需求越來越迫切，但是地球上化石 類的能源如石油、煤、天然氣數量有限，會在一定的時間內被消耗殆盡，必然 引發能源危機。對于太陽能的研究與開發就逐漸受到重視，產業規模巨大，其 中太陽能電池、太陽能集熱器等器件多用單晶硅、多晶硅以及玻璃作為襯底材 料。由于硅、玻璃等材料具有一定的折射率(可見光到近紅外區域硅的折射率在
3.4-5之間，普通硅酸鹽玻璃的折射率在1.4-1.6之間)，所以在空氣-襯底的界面 處不可避免地會存在光的反射，引起一定的能量損失，因而需要在表面制備減 反射薄膜。目前，針對太陽能電池，主要有三類減反射薄膜，第一類是傳統的 低折射率單層膜或1/4波長厚度的多層膜堆，能夠在一定的波長范圍及入射角度 范圍內獲得較低的反射率，如硅太陽能電池表面經常鍍制氮化硅(SiN》薄膜，這 一類減反射薄膜的缺點在于只能在有限的波長范圍及正入射的情況下取得好的 減反射效果。第二類是梯度漸變折射率減反射薄膜，該類薄膜從襯底到空氣方 向折射率逐漸降低，如果設計薄膜在襯底側折射率接近襯底，空氣側折射率盡 可能小，則從理論上可以獲得全角度、寬波長范圍的減反射薄膜，如采用斜蒸 鍍的方法獲得的SiO/n02梯度折射率薄膜，折射率可在1.08-2.0之間通過工藝 調節，這類薄膜的缺點在于工藝復雜，成本較高，不適合大規模生產。第三類 是表面微結構減反射薄膜，最成功的例子是單晶硅太陽能電池表面通過各向異 性刻蝕獲得微金字塔陣列，這樣，從微金字塔反射的光線就有機會再次進入太 陽能電池表面，有效地減少了反射損耗，這樣的表面微結構硅單晶太陽能電池 的轉換效率可以達到創紀錄的24.4%。這類減反射薄膜的缺點在于不能用于多晶 硅及非晶硅太陽能電池，且各向異性刻蝕技術可靠性不高，成本較高。
溶膠凝膠技術能夠通過水解聚合的方法將金屬醇鹽反應成為氧化物，并通 過提拉與甩膠的方法獲得大面積的高質量交聯薄膜，膜層的折射率能夠通過金 屬醇鹽的成分以及工藝調節進行控制。二氧化硅納米顆粒己經能夠產業化生產，
運用自組裝技術能夠在襯底表面獲得規則排列的微結構薄膜，結合上述的第二 類與第三類薄膜的結構與特征，根據硅基與玻璃基太陽能器件及光電顯示器件
3對于工作波長的要求和減反射薄膜的設計要求，在襯底表面依次制備第一溶膠 凝膠交聯薄膜層，二氧化硅納米顆粒層和第二溶膠凝膠交聯薄膜2層，優化設計 各膜層折射率及厚度，使得該結構的薄膜能夠有效地在全角度、寬波長范圍內 達到減反射的效果。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種全角度寬波長范圍使用的 減反射薄膜及其制備方法。
全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜包括襯底、第一溶膠凝膠交聯薄膜層、 二氧化硅納米顆粒層和第二溶膠凝膠交聯薄膜層，在襯底表面上設有第一溶膠 凝膠交聯薄膜層，在第一溶膠凝膠交聯薄膜層表面上設有二氧化硅納米顆粒層， 在第一溶膠凝膠交聯薄膜層和二氧化硅納米顆粒層表面上設有第二溶膠凝膠交 聯薄膜層，第二溶膠凝膠交聯薄膜層厚度小于二氧化硅顆粒層中二氧化硅納米 顆粒的直徑。所述的襯底為玻璃或硅片。
全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜的制備方法包括以下步驟
1) 將摩爾比為l: 1 4: 10 40: 0.01的金屬醇鹽、水，乙醇和鹽酸混合， 攪拌，進行水解聚合反應，陳化5 7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯、鈦酸丁 酯一種或多種；
2) 將陳化后的溶液使用提拉法在襯底的表面涂膜，提拉速率為50 400毫 米/分鐘，薄膜形成后在200 50(TC溫度下進行退火，得到第一溶膠凝膠交聯薄 膜層；
3 )將鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層的襯底浸入聚電解質聚二烯丙基二甲基 氯化銨的水溶液中5 10分鐘，使第一溶膠凝膠交聯薄膜層表面均勻地帶正電 荷，取出后，用去離子水沖洗，以去除多余的聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化 銨，聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨分子量是20 35萬，水溶液的濃度是 4mg/ml，水溶液的PH值為8 11;
4) 配制二氧化硅納米顆粒的水溶液，其中二氧化硅納米顆粒的直徑為50 納米到3微米，水溶液的濃度為10mg/ml，水溶液的PH值為8 11。
5) 將聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨處理后的鍍有第一溶膠凝膠交聯薄 膜層的襯底浸入二氧化硅納米顆粒的水溶液中，在表面均勻地涂覆一層二氧化 硅納米顆粒，經過350 50(TC熱處理后得到二氧化硅顆粒層；
6) 將摩爾比為1: 1 4: 10 40: 0.01的金屬醇鹽、乙醇、水和鹽酸混合， 攪拌，進行水解聚合反應，陳化5 7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯。
47)將陳化后的溶液使用提拉法在具有第一溶膠凝膠交聯薄膜層，二氧化硅 顆粒層的襯底表面上涂膜，提拉速率為50 400毫米/分，薄膜形成后在200 50(TC溫度下進行退火，得到第二溶膠凝膠交聯薄膜層，第二溶膠凝膠交聯薄膜 層厚度小于二氧化硅顆粒層中二氧化硅納米顆粒的直徑。
本發明與現有技術相比具有的有益效果
1) 在太陽能電池、太陽能集熱器表面制備以上結構的減反射薄膜，可在全 角度、寬波長范圍內達到良好的減反射效果，以充分利用能源，較大幅度提高 太陽能電池及太陽能集熱器的效率；
2) 在光電顯示器表面制備以上結構的減反射薄膜，可以有效地減少顯示器 表面的光反射，提高顯示器的亮度和對比度；
3) 采用溶膠-凝膠法結合納米粒子自組裝的方法制備以上結構的減反射薄 膜，能夠做到工藝簡單，成本低廉以及適合大面積成膜；
4) 在減反射薄膜結構的最外層提拉一層溶膠凝膠交聯薄膜，能夠有效地增 加整個減反射薄膜的機械性能與牢固度。
附圖是全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜結構示意圖。具體實施方式
實施例1
1) 將摩爾比為l: 1: 10: 0.01的金屬醇鹽、水，乙醇和鹽酸混合，攪拌， 進行水解聚合反應，陳化7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯；
2) 將陳化后的溶液使用提拉法在光學玻璃襯底1的表面涂膜，提拉速率為
50毫米/分鐘，薄膜形成后在20(TC溫度下進行退火，得到第一溶膠凝膠交聯薄
膜層2;
3) 將鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2的襯底1浸入聚電解質聚二烯丙基二 甲基氯化銨的水溶液中5分鐘，使第一溶膠凝膠交聯薄膜層2表面均勻地帶正 電荷，取出后，用去離子水沖洗，以去除多余的聚電解質聚二烯丙基二甲基氯 化銨，聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨分子量是20 35萬，水溶液的濃度是 4mg/ml，水溶液的PH值為8;
4) 配制二氧化硅納米顆粒的水溶液，其中二氧化硅納米顆粒的直徑為50 納米，水溶液的濃度為10mg/ml，水溶液的PH值為8。
5 )將聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨處理后的鍍有第一溶膠凝膠交聯薄 膜層2的襯底1浸入二氧化硅納米顆粒的水溶液中，在表面均勻地涂覆一層二
5氧化硅納米顆粒，經過350。C熱處理后得到二氧化硅顆粒層3;
6) 將摩爾比為l: 1: 10: 0.01的金屬醇鹽、乙醇、水和鹽酸混合，攪拌， 進行水解聚合反應，陳化7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯。
7) 將陳化后的溶液使用提拉法在具有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2， 二氧化 硅顆粒層3的襯底1表面上涂膜，提拉速率為50毫米/分，薄膜形成后在200°C 溫度下進行退火，得到第二溶膠凝膠交聯薄膜層4，第二溶膠凝膠交聯薄膜層4 厚度小于二氧化硅顆粒層3中二氧化硅納米顆粒的直徑。
實施例2
1) 將摩爾比為l: 4: 40: 0.01的金屬醇鹽、水，乙醇和鹽酸混合，攪拌， 進行水解聚合反應，陳化5天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯和鈦酸丁酯和混合 溶液，摩爾比為1: 1;
2) 將陳化后的溶液使用提拉法在硅單晶襯底1的表面涂膜，提拉速率為400 毫米/分鐘，薄膜形成后在50(TC溫度下進行退火，得到第一溶膠凝膠交聯薄膜 層2;
3) 將鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2的襯底1浸入聚電解質聚二烯丙基二 甲基氯化銨的水溶液中5分鐘，使第一溶膠凝膠交聯薄膜層2表面均勻地帶正 電荷，取出后，用去離子水沖洗，以去除多余的聚電解質聚二烯丙基二甲基氯 化銨，聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨分子量是20 35萬，水溶液的濃度是 4mg/ml，水溶液的PH值為11;
4) 配制二氧化硅納米顆粒的水溶液，其中二氧化硅納米顆粒的直徑為3微 米，水溶液的濃度為10mg/ml，水溶液的PH值為ll。
5) 將聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨處理后的鍍有第一溶膠凝膠交聯薄 膜層2的襯底1浸入二氧化硅納米顆粒的水溶液中，在表面均勻地涂覆一層二 氧化硅納米顆粒，經過500'C熱處理后得到二氧化硅顆粒層3;
6) 將摩爾比為l: 4: 40: 0.01的金屬醇鹽、乙醇、水和鹽酸混合，攪拌， 進行水解聚合反應，陳化7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯。
7) 將陳化后的溶液使用提拉法在具有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2， 二氧化 硅顆粒層3的襯底1表面上涂膜，提拉速率為400毫米/分，薄膜形成后在500°C 溫度下進行退火，得到第二溶膠凝膠交聯薄膜層4，第二溶膠凝膠交聯薄膜層4 厚度小于二氧化硅顆粒層3中二氧化硅納米顆粒的直徑。
實施例3
1)將摩爾比為l: 2: 37: 0.01的金屬醇鹽、水，乙醇和鹽酸混合，攪拌，進行水解聚合反應，陳化7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯；
2) 將陳化后的溶液使用提拉法在光學玻璃襯底1的表面涂膜，提拉速率為 300毫米/分鐘，薄膜形成后在50(TC溫度下進行退火，得到第一溶膠凝膠交聯薄 膜層2;
3) 將鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2的襯底1浸入聚電解質聚二烯丙基二 甲基氯化銨的水溶液中5分鐘，使第一溶膠凝膠交聯薄膜層2表面均勻地帶正 電荷，取出后，用去離子水沖洗，以去除多余的聚電解質聚二烯丙基二甲基氯 化銨，聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨分子量是20 35萬，水溶液的濃度是 4mg/ml，水溶液的PH值為10;
4) 配制二氧化硅納米顆粒的水溶液，其中二氧化硅納米顆粒的直徑為100 納米，水溶液的濃度為10mg/ml，水溶液的PH值為IO。
5) 將聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨處理后的鍍有第一溶膠凝膠交聯薄 膜層2的襯底1浸入二氧化硅納米顆粒的水溶液中，在表面均勻地涂覆一層二 氧化硅納米顆粒，經過350'C熱處理后得到二氧化硅顆粒層3;
6) 將摩爾比為1: 2: 37: 0.01的金屬醇鹽、乙醇、水和鹽酸混合，攪拌， 進行水解聚合反應，陳化7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯。
7) 將陳化后的溶液使用提拉法在具有第一溶膠凝膠交聯薄膜層2， 二氧化 硅顆粒層3的襯底1表面上涂膜，提拉速率為100毫米/分，薄膜形成后在50CTC 溫度下進行退火，得到第二溶膠凝膠交聯薄膜層4，第二溶膠凝膠交聯薄膜層4 厚度小于二氧化硅顆粒層3中二氧化硅納米顆粒的直徑。
權利要求
1.一種全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜，其特征在于包括襯底(1)、第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)、二氧化硅納米顆粒層(3)和第二溶膠凝膠交聯薄膜層(4)，在襯底(1)表面上設有第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)，在第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)表面上設有二氧化硅納米顆粒層(3)，在第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)和二氧化硅納米顆粒層(3)表面上設有第二溶膠凝膠交聯薄膜層(4)，第二溶膠凝膠交聯薄膜層(4)厚度小于二氧化硅顆粒層(3)中二氧化硅納米顆粒的直徑。
2. 根據權利要求1所述的一種全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜，其特征在于所述的襯底(1)為玻璃或硅片。
3. —種如權利要求1所述全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1) 將摩爾比為l: 1 4: 10 40: 0.01的金屬醇鹽、水，乙醇和鹽酸混合，攪拌，進行水解聚合反應，陳化5 7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯、鈦酸丁酯一種或多種；(2) 將陳化后的溶液使用提拉法在襯底(1)的表面涂膜，提拉速率為50 400毫米/分鐘，薄膜形成后在200 50(TC溫度下進行退火，得到第一溶膠凝膠交聯薄膜層2;(3) 將鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)的襯底(1)浸入聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨的水溶液中5 10分鐘，使第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)表面均勻地帶正電荷，取出后，用去離子水沖洗，以去除多余的聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨，聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨質均分子量是20 35萬，水溶液的濃度是4mg/ml，水溶液的PH值為8 11;(4) 配制二氧化硅納米顆粒的水溶液，其中二氧化硅納米顆粒的直徑為50納米到3微米，水溶液的濃度為10mg/ml，水溶液的PH值為8 11。(5 )將聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨處理后的鍍有第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)的襯底(1)浸入二氧化硅納米顆粒的水溶液中，在表面均勻地涂覆一層二氧化硅納米顆粒，經過350 50(TC熱處理后得到二氧化硅顆粒層(3);(6) 將摩爾比為1: 1 4: 10 40: 0.01 0.02的金屬醇鹽、乙醇、水和鹽酸混合，攪拌，進行水解聚合反應，陳化5 7天，其中金屬醇鹽為正硅酸乙酯。(7) 將陳化后的溶液使用提拉法在具有第一溶膠凝膠交聯薄膜層(2)， 二氧化硅顆粒層(3)的襯底(1)表面上涂膜，提拉速率為50 400毫米/分，薄膜形成后在200 50(TC溫度下進行退火，得到第二溶膠凝膠交聯薄膜層(4)，第二溶膠凝膠交聯薄膜層(4)厚度小于二氧化硅顆粒層(3)中二氧化硅納米顆粒的直徑。
全文摘要
本發明公開了一種全角度寬波長范圍使用的減反射薄膜及其制備方法。它包括襯底、第一溶膠凝膠層、二氧化硅納米顆粒層和第二溶膠凝膠層.其中通過提拉法在襯底上制備第一溶膠凝膠膜層；然后通過分子自組裝技術在膜表面制備二氧化硅顆粒層；最后再通過提拉法在膜層表面制備第二溶膠凝膠薄膜層，其中每層薄膜均經過熱處理。本發明經過優化工藝參數，可使薄膜具備沿襯底到空氣方向上的折射率遞減，厚度匹配，以及表面微結構二維有序的特征，使薄膜實現全角度、寬波長范圍的減反射效果，同時具有大面積成膜的能力，能夠有效增加整個減反射薄膜的機械性能與牢固度，并具有提高太陽能電池以及太陽能集熱管的能量利用率。
文檔編號B32B9/04GK101665014SQ20091015289
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者旭 劉, 輝 葉, 伊 尹, 堅 許 申請人:浙江大學