[发明专利]一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面及其制备方法，该制备方法将纳秒激光辅助水射流近无损伤加工和飞秒激光扫描相结合，通过将纳秒激光辅助水射流近无损伤加工技术和超短脉冲飞秒激光“冷”加工技术相结合，可有效降低单晶硅激光制绒过程中的重铸层现象和热裂纹引起的亚表面损伤；同时通过调整纳秒激光辅助水射流工艺参数和飞秒激光工艺参数可以对微米尺度框架结构和纳米尺度结构分别进行灵活的修改，可以在一个微纳双尺度混合结构中同时实现几何陷光效应和有效介质效应，减少表面反射。

技术领域

本发明属于激光微细加工技术领域，具体涉及一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面及其制备方法，该制备方法具体为采用激光辅助水射流和飞秒激光工艺相结合的方式进行制备。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

单晶硅是应用于硅基太阳能电池和光电探测器的最重要材料之一，在这些应用中，空气-硅界面的高反射会阻碍有效的光收集，并极大地影响性能。而具有微纳双尺度结构的表面可以进行材料表面的光学性能的调控，降低单晶硅表面的反射率。如，当表面结构为大于入射光波长的微米尺度时，入射光会在结构间隙中发生多次反射，使材料吸收大部分入射光，形成陷光效应，如图1所示；当结构的周期为小于入射光波长的纳米级(称为亚波长结构)时，随着粗糙结构层的等效梯度折射率逐渐增大，产生多层渐变介质膜的减反射效果，即有效介质效应，可在较大程度上抑制入射光的反射，如图2所示。

制备减反射绒面的方法有湿法化学刻蚀、纳米压印、电子束刻蚀、等离子刻蚀等，但因其制作工艺复杂或使用化学试剂而具有成本高或环境污染等缺点。激光加工技术具有加工结构的任意性和可控性，可实现程序化和大面积加工，并具有环境友好的优势。然而激光刻蚀后，重铸层、热影响区等加工损伤较为严重，通常需要使用化学刻蚀方法去除加工损伤，不仅增加了工艺流程和成本，并且化学试剂的使用导致环境污染。飞秒激光因脉冲作用时间短，材料热影响区小，可实现材料的低热损伤“冷加工”，但飞秒激光对材料的去除效率较低。

发明内容

本发明的目的是克服传统激光制绒表面重铸层和热裂纹等加工损伤严重和飞秒激光去除效率低的问题，提供一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面及其制备方法，该制备方法将纳秒激光辅助水射流近无损伤加工和飞秒激光扫描相结合，通过将纳秒激光辅助水射流近无损伤加工技术和超短脉冲飞秒激光“冷”加工技术相结合，可有效降低单晶硅激光制绒过程中的重铸层现象和热裂纹引起的亚表面损伤；同时通过调整纳秒激光辅助水射流工艺参数和飞秒激光工艺参数可以对微米尺度框架结构和纳米尺度结构分别进行灵活的修改，可以在一个微纳双尺度混合结构中同时实现几何陷光效应和有效介质效应，减少表面反射。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面的制备方法，包括如下步骤：

利用纳秒激光辅助水射流装置沿单晶硅片纵向扫描，水射流沿扫描速度方向，且后置于纳秒激光，在单晶硅片上制备V型槽阵列；

利用飞秒激光在不同焦平面位置上，依次沿与V型槽阵列垂直或呈设定角度横向扫描，在V型槽阵列的不同位置处加工出不同尺寸或密度的纳米结构，得到微纳米双尺度减反射绒面。

第二方面，本发明提供一种单晶硅微纳双尺度减反射绒面，由所述制备方法制备而成。

上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

水射流沿扫描速度方向，后置于纳秒激光，单晶硅材料待加工区域被纳秒激光加热软化后，在塑性模式下被水射流剪切去除，大大减少了重铸层和热裂纹引起的亚表面损伤，在近无损伤状态下对单晶硅表面进行刻蚀，具有加工损伤小、重铸层和热影响区小的优点。