[发明专利]折射率逐渐变化的多层硅无反射膜及其制备方法以及具有该多层硅无反射膜的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于光学过滤器等各种光学元件及半导体发光元件或者太阳能电池等光半导体元件的无反射膜及其制备方法，更详细地涉及利用倾斜地蒸镀的方法将硅的折射率降低至非常低的水平，并且从光元件及光学元件物质的折射率到对空气的折射率，折射率逐渐变化的多层硅无反射膜及其制备方法，以及具有该多层硅无反射膜的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

通常，根据折射率差异越大，在折射率互不相同的物质的边界所产生的光的反射就会变大的菲涅耳(Fresnel)定律，在包含具有高折射率的半导体物质的光半导体元件中，由于与空气之间的折射率的差异，在边界面所产生的光的反射，与元件的性能有直接的关系，因此使光的反射最小化的工作是为了具有良好的性能而必须解决的重要问题，目前正在对利用简单的制备方法、短的工期及低费用来将在光元件和空气之间产生的光的反射最小化进行技术开发。

例如，在太阳能电池、光检测器、发光二极管等光半导体元件中，为了以减少光的反射来提高效率，并提高元件的性能而使用的具有代表性的反射防止方法包括表面纹理(Surface Texturing)方法和无反射膜涂敷方法。

上述表面纹理方法是指，利用物理或化学方法来在半导体表面形成规则或不规则的结构或弯曲，从而减少在半导体表面产生的光的反射的方式。

为了这种表面纹理而使用的物理方法包括等离子蚀刻(Plasma Etching)及机械刻图(Mechanical Scribing)等。这些方法虽然由于不会因半导体基板的结晶方向使得蚀刻速度不均匀，因而具有能够抑制各向异性结构的形成，并能够对结构的形态及大小容易进行调节的优点，但由于工序复杂、工期长，因而不仅很难大量生产，而且由于具有需要高价的真空装备及追加设备等的缺点，因而存在不适合用于商业的局限性。

并且，上述表面纹理所使用的化学方法包括光刻(Photolithography)及湿法蚀刻(Wet Etching)等。由于这些方法具有对光源的波长敏感或根据半导体基板的结晶方向、结构元素的种类、组合比及掺杂，很难对各个表面形态及蚀刻速度进行调节，并且很难制备足够微细的结构的缺点，因而无法被广泛地利用。

最近，与表面纹理方法相比，正在活跃地进行对制备不仅在宽波长区域中能够得到非常低的反射率，而且具有在宽入射角范围也显示低反射率的光波长以下的周期的纳米结构(SWS、Subwavelength Structure、亚波长结构)的研究。

用于制备具有光波长以下的周期的纳米结构的现有的方法包括利用电子束光刻、全息光刻或纳米印记方法等在基板形成光波长以下的周期性或非周期性图案，并利用上述周期性或非周期性图案来进行物理蚀刻或化学蚀刻的方法等。但是，这些现有的方式具有需要利用高价的装备，并且工序复杂、生产率低、工期长等的非经济性的局限性。

另一方面，上述无反射膜涂敷以通过将折射率比半导体物质低的物质蒸镀到半导体上部，来减少在半导体物质与空气之间产生的急剧的折射率变化，进而减少光的反射的方式来使用。

这种无反射膜涂敷方法，虽然具有能够通过调节涂敷物质的折射率及光学厚度来在特定波长区域得到最小反射率的优点，但由于只用一层很难在宽区域具有低反射率，因而需要多层结构，且应使用两种以上的物质。并且，通过混合两种物质并蒸镀，来使得折射率连续变化的无反射膜，具有在蒸镀过程中很难对物质的混合比进行调节的缺点。

最近，为了改善无反射膜涂敷的问题，提出了通过以使折射率逐渐变化的结构，在蒸镀装备中对基板的角度进行调节来使折射率变化的方法。在倾斜角变大的情况下，通过阴影效果膜的多孔性将增加，膜的有效折射率将下降。

但是，由于在上述方法中所使用的物质为二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氟化镁(MgF₂)等的氧化物及氟化物，因而很难产生宽范围的折射率变化，在过于倾斜的情况下，膜的结构不够稠密，并且由于这种氧化物及氟化物具有低的传热系数，因而具有妨碍光半导体元件的散热特性的缺点。

发明内容

技术问题

本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种通过将作为半导体物质的硅倾斜地进行蒸镀来涂敷折射率逐渐被调节的无反射膜，并且结构稠密，与现有的无反射膜相比，具有基于相对高的传热系数的出色的散热效率的无反射膜及其制备方法以及具有该无反射膜的太阳能电池及其制备方法。

解决问题的手段