光学组件及其制造方法、光伏器件技术领域
本发明涉及光学材料领域,尤其涉及一种光学组件及其制造方法、光伏
器件。
背景技术
光在传播时,在不同介质的分界面上通常会有一部分改变传播方向而返
回原来介质中。这被称为光的反射。通常,不同介质之间折射率的差异越大,
光在该分界面处的反射将越强。
飞蛾的复眼可以被看作是由六角形纳米结构突起有序排列而成的阵列结
构。这个阵列被认为是角膜表面的同质透明层,每一个纳米结构突起相当于
一个减反射单元。这样的结构使得飞蛾的复眼具有低反光性,使其看起来异
常黑。因此,即使飞蛾在夜间飞行也不易被察觉。这样的效应被称为蛾眼效
应。在光学领域中,基于蛾眼效应的抗反射技术成为本领域技术人员研究的
热点。
下面结合蛾眼结构的不同光学模型,对蛾眼结构抗反射作用的原理进行
说明。
参考图1,示出了一种蛾眼结构模型的等效示意图。根据绕射理论,当蛾
眼结构1的表面具有微突起的结构变化时(即蛾眼结构1中的小台阶高度差接
近或小于光波长时),这种微突起的结构变化将引起材料折射率的微变化,
会形成自空气至蛾眼结构1折射率n1、n2、n3、n4依次增大的趋势,从而减少
光的反射。
参考图2,示出了另一种蛾眼结构模型的等效示意图。当参考图1中的微
突起尺寸进一步减小,微突起密度进一步增多,其结构从总体上看就越来越
接近于蛾眼结构2的连续变化斜面。这将引起于蛾眼结构2的折射率沿深度方
向从n1至n4呈连续变化,从而进一步减小折射率急剧变化所造成的反射现象。
基于所述蛾眼效应,现有技术中发展了各种仿生光学材料,以起到减少
光反射的作用。氧化锌(ZnO)纳米棒为模拟蛾眼效应实现抗反射的光学材料
之一。
参考图3,示出了现有技术具有抗反射膜的玻璃结构的示意图。所述玻璃
结构包括:玻璃板10,形成于玻璃板10上的抗反射膜11,所述抗反射膜11包
括氧化锌纳米棒12阵列。所述氧化锌纳米棒12垂直于所述玻璃板10排列,不
同的氧化锌纳米棒12具有不同的高度。氧化锌纳米棒12之间的高度差d1,氧
化锌纳米棒12在玻璃板10上的高度d2不相同,形成类似于图1所示蛾眼模型的
凸起状微结构,可以起抗反射的作用。
然而,现有技术中所述氧化锌纳米棒阵列形成的抗反射膜抗反射效果不
够良好,如何提高抗反射膜的效果是本领域技术人员亟待解决的技术问题之
一。
发明内容
本发明解决的技术问题是提高抗反射膜的减反效果。
为了解决上述问题,本发明提供一种光学组件,包括:基底;抗反射膜,
覆盖于所述基底上,所述抗反射膜包括多个位于所述基底上的纳米棒,所述
纳米棒与所述基底不相接触的端面形成有台阶结构。
可选地,所述纳米棒为氧化锌纳米棒、二氧化钛纳米棒或氧化铟锡纳米
棒。
可选地,所述端面形成有凹陷,所述台阶结构由所述凹陷形成。
可选地,所述纳米棒为具有六角棱柱晶体结构的氧化锌纳米棒,所述凹
陷由(001)晶面刻蚀而成。
可选地,所述凹陷的深度为形成所述凹陷的纳米棒长度的0.1~0.9倍。
可选地,所述基底的材料为玻璃、金属或塑料。
相应地,本发明还提供一种光伏器件,包括:所述的光学组件,所述光
学组件中的基底为透明基底;太阳能电池,位于所述透明基底未设置抗反射
膜的一侧。
可选地,所述透明基底的材料为有机玻璃或塑料。
相应地,本发明还提供一种光学组件的制造方法,包括:提供基底;在
所述基底上形成多个纳米棒;在所述纳米棒与所述基底不相接触的端面形成
台阶结构。
可选地,在提供基底之后,形成纳米棒之前还包括清洗所述基底。
可选地,所述基底为玻璃,所述清洗所述基底的步骤包括:依次通过丙
酮、异丙醇和去离子水对所述基底进行超声波震荡清洗;通过氢氟酸或硝酸
溶液对所述基底进行粗糙化处理。
可选地,所述纳米棒为氧化锌纳米棒,形成纳米棒的步骤包括:将醋酸
锌和单乙醇胺溶解于乙醇,形成涂膜溶液;将所述涂膜溶液通过旋涂的方式
涂覆在基底上;对所述基底进行加热,使所述涂膜溶液分解,在所述基底上
形成氧化锌晶种;将六水合硝酸锌和环六亚甲基四胺溶液混合,形成生长溶
液;将形成有氧化锌晶种的基底放置于所述生长溶液中,以在所述晶种所在
位置处生长氧化锌纳米棒。
可选地,形成氧化锌晶种的步骤包括:大气压下,对所述基底加热至
300~400℃,以所述温度对基底加热持续0.5~2小时,以使所述涂膜溶液分解。
可选地,生长氧化锌纳米棒的步骤包括:将形成有氧化锌晶种的基底放
置于温度为80~95℃的所述生长溶液中,持续120~300分钟,以形成氧化锌
纳米棒。
可选地,在形成纳米棒之后,形成台阶结构之前,还包括:通过去离子
水清洗所述纳米棒,以去除残余溶液;清洗之后,将形成有纳米棒的基底晾
干。
可选地,在纳米棒与所述基底不相接触的端面形成台阶结构的步骤包括:
将形成有纳米棒的基底放置在刻蚀溶液中,通过所述刻蚀溶液在所述纳米棒
与基底不相接触的端面上刻蚀出台阶结构。
可选地,所述纳米棒为氧化锌纳米棒;在纳米棒与所述基底不相接触的
端面形成台阶结构的步骤包括:通过酸性或碱性溶液刻蚀氧化锌纳米棒的(001)
晶面,在所述端面形成凹陷,以形成由所述凹陷形成的台阶结构。
可选地,通过酸性或碱性溶液刻蚀纳米棒的(001)晶面的步骤包括:在温
度为20~85℃的条件下,将氧化锌纳米棒放置于盐酸溶液中持续5~60分钟,
所述盐酸的浓度位于0.001~0.1摩尔/升范围内。
可选地,通过酸性或碱性溶液刻蚀纳米棒的(001)晶面的步骤包括:在温
度为20~85℃的条件下,将氧化锌纳米棒放置氢氧化钾溶液中持续5~60分钟,
所述氢氧化钾的浓度位于0.001~0.1摩尔/升范围内。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
光学组件中,所述抗反射膜中纳米棒和基底、纳米棒与纳米棒之间形成
凸起微结构之外,所述纳米棒与所述基底不相接触的端面还形成有台阶结构,
所述台阶结构等效为蛾眼结构的凸起状微结构,可以使抗反射膜从空气至基
底的折射率变化更加缓和,从而可以提高抗反射膜的减反效果。
附图说明
图1是现有技术一种蛾眼结构模型的等效示意图;
图2是现有技术另一种蛾眼结构模型的等效示意图;
图3是现有技术具有抗反射膜的玻璃结构的示意图;
图4是本发明光学组件一实施例的示意图;
图5是图4所示光学组件的放大示意图;
图6是本发明光学组件制造方法一实施方式的流程示意图;
图7是本发明图6所示步骤S2一实施例的流程示意图;
图8至图10是本发明光学组件制造方法一实施例形成的抗反射膜的示意
图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发
明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施
的限制。
其次,本发明利用示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便
于说明,所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。
为了解决现有技术的问题,本发明提供一种抗反射膜,覆盖于基底上,
所述抗反射膜为纳米棒阵列结构,包括多个与所述基底垂直的纳米棒,所述
纳米棒与所述基底不相接触的端面形成有台阶结构。
本发明抗反射膜中纳米棒和基底、纳米棒与纳米棒之间形成凸起微结构
之外,所述纳米棒与所述基底不相接触的端面还形成有台阶结构,所述台阶
结构等效为蛾眼结构的凸起状微结构,所述台阶结构可以使抗反射膜从空气
至基底的折射率变化更加缓和,从而可以提高抗反射膜的减反效果。
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步说明。
参考图4,示出了本发明光学组件一实施例的示意图。所述光学组件包括:
基底100,所述基底的材料可以是玻璃、金属或塑料。
抗反射膜101,覆盖于所述玻璃的上表面,用于减少投射至玻璃上表面的
光的反射。具体地,所述抗反射膜101包括多个位于所述玻璃的氧化锌纳米
棒102。
如图4所示,氧化锌纳米棒102的下表面与所述玻璃相接触,所述氧化
锌纳米棒102的上表面为与基底100不相接触的端面,所述氧化锌纳米棒102
的上表面形成有台阶结构103。
具体地,本实施例中氧化锌纳米棒102的直径在20nm~500nm的范围内,
高度在100nm~1000nm的范围内。需要说明的是,所述氧化锌纳米棒102的
直径越大,那么相同面积基底100上形成的氧化锌纳米棒102的数量越少,
相应地,相同面积基底100上可形成的台阶结构的数量也会减少。
结合参考图5,示出了图4所示氧化锌纳米棒102的放大示意图。所述氧
化锌纳米棒102的上表面形成有凹陷30,所述台阶结构103由所述凹陷形成。
具体地,所述氧化锌纳米棒102的晶体结构为六角棱柱晶体结构,其上
表面对应于(001)晶面,所述凹陷30由(001)晶面刻蚀(etch)而成。
这是由于氧化锌的六角棱柱晶体结构中(001)晶面的表面能较高,处于
亚稳态活性较强,比较容易和刻蚀溶液发生反应。在将氧化锌纳米棒102浸
入至刻蚀溶液进行刻蚀时,所述刻蚀溶液对所述(001)晶面刻蚀速率远远大
于对其他晶面的刻蚀速率。这样,可以在去除大量(001)晶面材料的同时仅
仅少量去除其他晶面的材料。
具体地说,通过刻蚀部分地去除了(001)晶面对应的材料,而位于(001)
晶面周围的六角棱柱侧面基本未被去除,从而在所述六角棱柱侧面在氧化锌
纳米棒102上表面围成所述凹陷30。
继续参考图4,本实施例中,所述抗反射膜101包括多个长度不同的氧化
锌纳米棒102,其中,氧化锌纳米棒102之间的高度差D1,氧化锌纳米棒102
在玻璃板100上的高度D2,具有不同高度的氧化锌纳米棒102形成蛾眼结构
中凸起状微结构。除此之外,在氧化锌纳米棒102上表面的台阶结构103中,
凹陷30具有一定的深度D3,凹陷的顶部突出于所述凹陷底部,从而也形成
蛾眼结构的凸起状微结构,可以进一步缓和空气和玻璃之间折射率突变的问
题,减小光入射至玻璃上表面时光的反射。
需要说明的是,所述凹陷30的深度D3如果过大,例如凹陷30贯穿所述
氧化锌纳米棒102,会使刻蚀以形成贯穿凹陷的时间过长,并且还会影响减反
效果、影响氧化锌纳米棒102与基底100的结合强度,而如果凹陷30的深度
D3过小,则抗反射的效果不够明显,因此,优选地,所述凹陷30的深度D3
为形成所述凹陷的纳米棒长度的0.1~0.9倍。
还需要说明的是,本实施例中,以氧化锌纳米棒为例进行说明,但是本
发明对此不做限制。在其他实施例中,所述纳米棒还可以是二氧化钛(TiO2)
纳米棒、氧化铟锡(ITO)纳米棒等的金属氧化物纳米棒,类似地,可以在二
氧化钛(TiO2)纳米棒、氧化铟锡(ITO)纳米棒的上表面形成凹陷,以形成
可等效为蛾眼结构的台阶结构。
本发明提供的光学组件由于覆盖有减反效果良好的抗反射膜而具有较高
的光透过率。
相应地,本发明还提供一种光伏器件,包括:
光学组件,所述光学组件中的基底为透明基底;
太阳能电池,设置于所述光学组件未设置抗反射膜的一侧。
其中,所述透明基底为有机玻璃或者塑料(例如,聚甲基丙烯酸甲酯,
PMMA)。所述光学组件与上述实施例中的光学组件相同,在此不再赘述。
具体地,所述太阳能电池为非晶硅太阳能电池或微晶硅太阳能电池。本
发明光伏器件中设置有减反效果良好的抗反射膜,可以使较多的光投射至太
阳能电池,提高了光伏器件的光利用率。
相应地,本发明还提供一种光学组件的制造方法,参考图6,示出了本发
明光学组件的制造方法一实施方式的流程示意图。所述光学组件制造方法大
致包括以下步骤:
步骤S1,提供基底;
步骤S2,在所述基底上形成多个纳米棒;
步骤S3,在所述纳米棒与所述基底不相接触的端面形成台阶结构。
下面结合附图和具体实施例对本发明光学组件的制造方法进行说明,
执行步骤S1,提供基底;本实施例中,所述基底的材料为玻璃。但是本
发明对基底的材料不做限制,在其他实施例中所述基底的材料还可以是金属
板或塑料板,本领域技术人员可以进行相应的替换。
需要说明的是,为了使纳米棒更牢固地形成于所述基底上,需要保证基
底具有良好的清洁度。因此,较佳地,在提供基底之后,形成纳米棒之前还
包括清洗所述基底的步骤。
本实施例中,所述基底的材料为玻璃,清洗所述基底的步骤包括:依次
通过丙酮、异丙醇和去离子水对所述基底进行超声波震荡清洗;通过氢氟酸
或硝酸的溶液对所述基底进行粗糙化处理。
其中,通过丙酮、异丙醇可以去除基底上的油脂等杂质,通过去离子水
清洗基底上残留的丙酮和异丙醇,而通过超声波震荡清洗可以达到良好的清
洗效果。
对所述基底进行粗糙化处理有利于后续形成的纳米棒晶种附着于基底表
面。
执行步骤S2,在所述基底上形成多个纳米棒,本实施例中所述纳米棒为
氧化锌纳米棒,氧化锌纳米棒竖直生长在所述基底上。
参考图7,示出了形成氧化锌纳米棒一实施例的流程示意图。形成氧化锌
纳米棒阵列的步骤包括:
执行步骤S21,将醋酸锌和单乙醇胺溶解于乙醇,形成涂膜溶液;所述涂
膜溶液在室温下形成。
执行步骤S22,将所述涂膜溶液通过旋涂的方式涂覆在基底上;通过旋涂
(spin-coating)的方式可以保证在基底上形成均匀的薄膜,以便于后续形成大小
相等的晶种。
执行步骤S23,对所述基底进行加热,使所述涂膜溶液分解,在所述基底
上形成氧化锌晶种;具体地,大气压下,对所述基底加热至300~400℃,以
所述温度对基底加热持续0.5~2小时,以使所述涂膜溶液分解,在基底上形成
氧化锌晶种。
执行步骤S24,将六水合硝酸锌和环六亚甲基四胺溶液混合,形成生长溶
液;本实施例中,所述六水合硝酸锌和环六亚甲基四胺溶液的浓度相同。
如图8所示,执行步骤S25,将形成有氧化锌晶种的基底200放置于所述
生长溶液中,以在所述晶种所在位置处生长氧化锌纳米棒201。具体地,将形
成有氧化锌晶种的基底放置于温度为80~95℃的所述生长溶液中,持续
120~300分钟,以在氧化锌晶种所在位置处形成足够长的氧化锌纳米棒201。
需要说明的是,在形成纳米棒之后,形成台阶结构之前,还包括:
通过去离子水清洗所述纳米棒,以去除残余溶液;所述残余溶液包括涂
膜溶液、生长溶液残留的部分。在清洗之后,将形成有纳米棒的基底在空气
中晾干。
如图9所示,执行步骤S3,将形成有纳米棒的基底200放置在刻蚀溶液
中,通过所述刻蚀溶液在纳米棒与所述基底200不相接触的端面上刻蚀出台
阶结构202。
本实施例中,所述纳米棒为氧化锌纳米棒201,所述氧化锌纳米棒201具
有六角棱柱晶体结构;具体地,通过酸性或碱性溶液刻蚀所述氧化锌纳米棒
201,使所述氧化锌纳米棒的(001)晶面(氧化锌纳米棒201的上表面),在所
述氧化锌纳米棒201(001)晶面形成凹陷20,以形成由所述凹陷20构成的台阶
结构202。
参考图10,示出了图9所示氧化锌纳米棒的放大示意图。如图10所示,
所述氧化锌纳米棒201为六角棱柱晶体结构,其上表面对应于(001)晶面,
由于氧化锌的六角棱柱晶体结构中(001)晶面的表面能较高,处于亚稳态活
性较强,比较容易和刻蚀溶液发生反应。
在将氧化锌纳米棒102浸入至刻蚀溶液进行刻蚀时,所述刻蚀溶液对所
述(001)晶面刻蚀速率远远大于对其他晶面的刻蚀速率。这样,可以在将(001)
晶面材料去除的同时仅仅少量地去除其他晶面的材料,具体地说,六角棱柱
侧面203未被去除,而去除(001)晶面对应的材料,这种各向异性刻蚀的方
法在氧化锌纳米棒102上表面形成凹陷21,所述凹陷21相对于上表面具有一
定的深度,可以形成台阶结构202,所述台阶结构202等效于蛾眼结构中的凸
起微结构,凸起微结构的增加提高了本发明抗反射膜的减反效果。
需要说明的是,为了防止刻蚀溶液对氧化锌纳米棒刻蚀过量,而去除了
氧化锌纳米棒六角棱柱的侧面,通常采用低浓度的酸或低浓度的碱溶液进行
刻蚀。
具体地,通过酸性或碱性溶液刻蚀纳米棒的(001)晶面的步骤包括:在温
度为2~85℃的条件下,将氧化锌纳米棒放置盐酸溶液中持续5~60分钟,所述
盐酸的浓度位于0.001~0.1摩尔/升范围内。或者,在温度为2~85℃的条件下,
将氧化锌纳米棒放置氢氧化钾溶液中持续5~60分钟,所述氢氧化钾的浓度位
于0.001~0.1摩尔/升范围内。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任
何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的
方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱
离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何
简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。