玻璃紋理化的製作方法
2023-06-26 01:24:11
專利名稱：玻璃紋理化的製作方法
技術領域：
本發明廣泛地涉及一種對玻璃表面進行紋理化的方法、一種製造光電設備的方法、和一種有紋理的(textured)玻璃表面和一種光電設備。
背景技術：
有紋理的玻璃表面對大量應用都很有用，這些應用包括光電設備或需要散射光線使得透過玻璃觀察物體時不再清晰可見的應用。
在光電設備中，在設備的活性區域內使用光陷阱來捕獲光。設備中捕獲的光越多，光產生的光電流越大，從而設備的能量轉換效率就越高。因此，當試圖提高光電設備的轉換效率時，光陷阱是一個重要的問題，並且光陷阱在薄膜設備中特別重要。因為大多數光電設備具有玻璃片(glass pane)，在這些設備中可以通過對玻璃片紋理化來獲得光陷阱。
在傳統工藝中，使用化學紋理化或噴砂處理來對玻璃片進行紋理化。近來已經揭示了一些另外的用於製造有紋理的玻璃表面的方法。那些方法中的一種將金屬晶體沉積在玻璃表面形成非常細的晶體，從而造成玻璃紋理效果。另一種方法使用含有SiO2球的液體表面塗料(「溶膠-凝膠」)，在稠化之後，產生有紋理的玻璃表面。
然而，這些方法對光電設備應用有特殊的缺點。化學紋理化和噴砂處理都會在玻璃表面引起裂紋和不均勻的特徵尺寸，所述裂紋和不均勻的特徵尺寸會對光電設備的製造和/或性能產生不利的影響(例如通過在設備中引起電分流(shunts))。另一方面，使用細金屬晶體製造有紋理的玻璃表面看來是一種非常昂貴的方法。最後，看來很難將所述溶膠-凝膠法按比例放大到光電板所要求的非常大的尺寸(～1平方米)。
因此，需要提供一種對玻璃表面進行紋理化的替代方法，來解決一個或多個這些缺點。
發明內容
根據本發明的第一個方面，提供了一種對玻璃表面進行紋理化的方法，該方法包括以下步驟用材料膜包覆玻璃表面，在玻璃和材料膜之間的界面激發反應，從而在界面上生成反應產物，然後將材料膜和反應產物從玻璃表面除去。
在一個實施方式中，激發界面上的反應的步驟包括加溫退火工序。該加溫退火工序可包括一系列不同溫度下的退火步驟。該加溫退火工序可在受控的環境氣氛下進行。
所述材料膜可包含單一材料或複合材料。
所述玻璃表面起初可以是實質上平整的。
在一個實施方式中，材料膜含有鋁。反應產物可包含氧化鋁。
上述除去材料膜和反應產物的步驟可包括一個或多個蝕刻步驟。該蝕刻步驟可包括化學蝕刻。
所述玻璃可包括石英、浮法玻璃或非浮法玻璃。
根據本發明的第二個方面提供了一種製造光電設備的方法，該方法包括下列步驟使用第一個方面中定義的方法對玻璃表面進行紋理化，然後在有紋理的玻璃表面沉積半導體膜，由此半導體膜朝向玻璃一邊的表面表現出基本上與玻璃表面相同程度的紋理。
在一個實施方式中，所述半導體膜以一種方法進行沉積，使得在有紋理的玻璃表面和半導體膜之間基本上不存在裂縫或空隙。
該方法還可以包括在玻璃表面和半導體之間形成介電隔離層。可在沉積半導體膜之前在有紋理的玻璃表面上形成這種介電層。這種介電隔離層可含有氧化矽或氮化矽。
所述的半導體膜可包括晶態和/或無定形半導體材料。該半導體材料可含有矽。
根據本發明的第三個方面，提供了一種使用第一個方面中定義的方法形成的有紋理的玻璃表面。
根據本發明的第四個方面，提供了一種使用第二個方面中定義的方法製造的光電設備。
根據本發明的第四個方面提供了一種光電設備，該光電設備包括有紋理的表面的玻璃片，在玻璃片有紋理的表面上形成半導體膜，而且半導體膜對600到1200納米波長範圍的光子的內吸收率大於大約0.5。
附圖簡要說明下文將會參照附圖和實施例對本發明優選的實施方式進行描述，在附圖中
圖1-4為用於說明本發明中對玻璃片表面進行紋理化的方法示意圖。
圖5表示本發明中被矽塗布有紋理的玻璃片頂面的FIB(聚焦離子束)顯微照片。
圖6表示圖5中樣品不同區域的聚焦離子束顯微照片。
圖7表示對圖5中樣品測得的光陷阱性質與已有技術相比較。
詳細描述和最佳方式本實施方式描述了一種對適用於薄膜半導體光電設備製造的玻璃表面進行進行紋理化的方法。
圖1-4為用來說明本發明中對玻璃片10的表面進行紋理化的方法的示意圖。圖1表示玻璃片10，該玻璃片10的上表面非常平滑，在一實施方式中該玻璃片為硼矽酸鹽玻璃。
在本實施方式中，如圖2所示的第一個步驟通過在大約10-5託下進行熱真空蒸發而在玻璃片10上塗布了一層鋁膜。在本實施方式中，初始的鋁塗層11厚度為大約500納米。
接下來，在高溫下對所述塗布了鋁的玻璃片進行加溫退火，在本實施方式中加溫退火是一個兩步的過程，首先在大約500℃處理大約120分鐘，然後在氮氣氣氛下在大約620℃處理約360分鐘。
在另一個實施方式中可採用三步過程，首先在大約500℃下處理約120分鐘，然後在大約560℃下處理約180分鐘，最後在氮氣氣氛下在大約630℃處理約180分鐘。
研究發現通過使用Al與玻璃片進行空間不均一的反應，形成了氧化鋁和矽混合物形式(圖3中的12)的反應產物。隨後除去Al膜11和反應產物12而形成了如圖4中所示的有紋理的玻璃表面。在該實施方式中使用2步化學蝕刻來除去反應產物12和鋁膜11，所述的2步化學蝕刻首先在約110℃在85％磷酸溶液中處理約10分鐘，然後在室溫下在1∶1的HF/HNO3溶液中處理約20-45秒。
在另一個實施方式中，採用的兩步化學蝕刻是首先在大約110℃的磷酸中處理約10分鐘，然後在室溫下的HF/HNO3溶液中進行第二次蝕刻，其中HF/HNO3比例為大約1∶1-1∶20。根據所用的比例，可在第二次蝕刻處理之後使用短超聲波水浴處理來完全除去所有的反應產物。
在此應注意，根據所用的去除技術的類型(例如蝕刻溶液的類型)，如果需要，也可除去一定量的未與塗層反應的玻璃。
通過除去Al/玻璃反應產物12在玻璃片上產生了凹痕(圖4中的13)。可通過例如選擇合適的加溫退火曲線和/或合適的對Al/玻璃反應產物12的去除技術來在很寬的範圍內調節所述凹痕的平均大小(從小於1微米到10微米)。這樣的凹痕大小很適合薄膜光電應用，這是由於在那些設備中半導體膜的厚度通常為0.5-3微米。
在本實施方式中對玻璃進行紋理化的方法要使得不存在「外伸的」區域，即當使用平行光從上面照射圖4中的有紋理的玻璃片10時，在表面紋理的凹痕中不存在陰影區。該特性有益於設備應用，例如如果隨後形成的半導體膜需要與玻璃處處緊密接觸(即在玻璃和半導體膜之間必須不存在裂縫或空隙)。
本發明中有紋理的玻璃樣品另一個有益的特性是，所述的紋理僅僅很少地減小了它們對光的透射。
圖5顯示了使用本發明的方法製造的塗布矽的有紋理玻璃片頂面50的聚焦離子束顯微照片。該矽膜為多晶型，厚度約為1.5微米(即與所述紋理形貌的尺寸近似)。是通過對等離子增強的化學氣相沉積法(PECVD)沉積得到的無定形矽膜進行加溫退火(「固相結晶化」)而製得的。矽塗布玻璃片的表面50的形貌是玻璃片的花菜狀，這是由有花紋的玻璃表面造成的[注意如果在無紋理的(即平坦的)玻璃片上製造，所得的矽膜頂面平坦而光滑]。矽膜的這種花菜狀頂面50是一個優秀光陷阱性質的指標。
圖6顯示了相同樣品不同區域的聚焦離子束顯微照片，通過在樣品表面上另外磨出漕溝來顯示有紋理的玻璃表面52與隨後在有紋理的玻璃表面52上形成的多晶矽膜54的截面性質。圖6中的橫向標誌56代表2微米。可以發現多矽膜54與有紋理的玻璃片52表面處處緊密接觸，在玻璃片52與多矽膜54之間不存在裂縫或空隙。由於半導體與玻璃之間的粘合、設備的長期穩定性等方面的問題，這有利於許多設備應用。
從圖6中觀察到的另一個對薄膜光電設備中的優秀光陷阱有利的特徵是，在該樣品的大部分區域中，多矽膜54的「頂」面50和「底」面58互相之間很不平行，由於全內反射現象而造成了光陷阱。然而，應注意即使表面50和58充分平行，即所述多矽膜54面向玻璃的表面上的紋理被「直接轉印」，從而在背向玻璃52的表面50上形成相應的紋理，也仍然可以有有用的光陷阱性質。
在實際的設備中還可以通過結合近紅外光子的背面反射器(BSR)(圖中未顯示)來進一步改進光陷阱。例如，該背面反射器可以是銀膜或鋁膜。該背面反射器沉積在半導體膜上(如果陽光通過玻璃進入半導體)或沉積在無紋理的玻璃表面(如果玻璃被半導體塗布的有紋理的一面朝向太陽)。
圖7顯示，在根據所述實施方式進行紋理化的玻璃片上形成的薄(～1.5微米)多晶矽膜中獲得了優秀的光陷阱。標有「鋁紋理化玻璃」的曲線70是在圖5中的樣品上測量的。圖中給出的參數為內吸收率(IAE)，內吸收率描述了進入矽膜的各個波長的光子被矽膜吸收的分數。內吸收率越高，光陷阱越好。
出於對比的目的，圖中還顯示了對平滑玻璃片表面上(曲線74)和噴砂玻璃表面上(曲線72)的1.5微米厚的多矽膜測得的內吸收率。很明顯，在此三種研究的結構中，鋁紋理化的玻璃具有遠勝於其餘二者的最好的光陷阱。注意由於在進行這些光學測量時上述樣品並沒有背面反射器(BSR)，因此可以通過添加合適的背面反射器來進一步改進實際設備(例如薄膜光電儀器)的內吸收率。
還應注意根據所述實施方式進行紋理化的玻璃片能夠有效地散射通過玻璃片的光線，這使得它們除了用於光電設備之外還能用於其它用途。例如用作散射窗或屏幕的玻璃片就是一種這樣的用途。
本領域的技術人員將會意識到，能夠在本發明廣泛描述的精神或範圍的基礎上，對實施方式中所示的本發明進行大量的修改和/或變化。因此，本實施方式完全是為了說明而不是為了限制。
例如，可以理解本發明並不會僅限於實施方式描述的尺寸和/或薄膜沉積技術和/或反應產物去除技術。
此外，雖然在本實施方式中所述的玻璃紋理化過程對硼矽酸鹽玻璃來說是最優化的，但是應當認識到，對經常用作廉價窗玻璃的鈉鈣玻璃之類的不同玻璃，也可以選擇該方法並對該方法進行最優化。
權利要求
1.一種對玻璃表面進行紋理化的方法，所述方法包括以下步驟用材料膜包覆玻璃表面，在玻璃和材料膜之間的界面處激發反應，導致在界面處形成反應產物，以及從玻璃表面除去材料膜和反應產物。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述在界面上激發反應的步驟包括加溫退火工序。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述加溫退火工序包括一系列不同溫度下的退火步驟。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述加溫退火工序在受控的環境氣氛下進行。
5.如前面權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述材料膜包含單一材料或複合材料。
6.如前面權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述玻璃表面起初實質上是平整的。
7.如前面權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述材料膜含有鋁。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述反應產物含有氧化鋁和/或矽。
9.如前面權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述除去材料膜和反應產物的步驟包括一個或多個蝕刻步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述蝕刻步驟包括化學蝕刻。
11.如前面權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述玻璃包括石英、浮法玻璃或非浮法玻璃。
12.一種製造光電設備的方法，所述方法包括以下步驟使用前面權利要求中的任一項所述的方法對玻璃表面進行紋理化，在有紋理的玻璃表面上沉積半導體膜，由此使得半導體膜面對玻璃的面具有與玻璃表面實質相同的紋理程度。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述半導體膜以這樣的方式沉積使有紋理的玻璃表面與半導體膜之間基本上不存在裂縫或空隙。
14.如權利要求12或13所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在玻璃和半導體之間形成介電隔離層。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述介電層是在沉積半導體膜之前在有紋理的玻璃表面上形成。
16.如權利要求14或15所述的方法，其特徵在於，所述隔離層含有氧化矽或氮化矽。
17.如權利要求12-16中的任一項所述的方法，其特徵在於，所述半導體膜包含結晶的和/或無定形的半導體材料。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述半導體材料含有矽。
19.一種有紋理的玻璃表面，它由權利要求1-11中的任一項所述的方法形成。
20.一種光電設備，它由權利要求12-18中的任一項所述的方法製成。
21.一種光電設備，它包括具有紋理表面的玻璃片；在玻璃片的有紋理表面上形成的半導體膜，該半導體膜對波長約600-1200納米的光子的內吸收率大於約0.5。
22.一種對玻璃表面進行紋理化的方法，基本上以附圖中所示的步驟進行。
23.一種製造光電設備的方法，基本上以附圖中所示的步驟進行。
24.一種有紋理的玻璃表面，基本上如附圖所示。
25.一種光電設備，基本上如附圖所示。
全文摘要
本發明揭示了一種對玻璃表面進行紋理化的方法，該方法包括以下步驟用材料膜包覆玻璃表面，在玻璃和材料膜之間的界面上激發反應，導致在界面上生成反應產物，以及將材料膜和反應產物從玻璃表面除去。在一個優選的實施方式中，通過加熱激發在玻璃上塗布了一層約500納米厚矽酸鋁鋁膜。鋁和矽在500－630℃溫度下反應形成反應產物，然後通過磷酸蝕刻除去反應產物與膜。還使用HF/HNO
文檔編號C03C21/00GK1756723SQ200480005880
公開日2006年4月5日 申請日期2004年3月19日 優先權日2003年4月7日
發明者A·G·阿伯利, P·I·維登伯格, N·川素瓦尼茨 申請人:單檢索有限公司