CN103872148B - 表面镀膜结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种表面镀膜结构及其制造方法，适用于太阳热电***。此表面镀膜结构包含基板、缓冲中介层、吸收层及抗反射层。基板由耐高温、高导热系数材质所构成，再使用化学气相沉积法或物理气相沉积法于基板上接续沉积缓冲中介层、吸收层及抗反射层。缓冲中介层为松弛基板与吸收层的间热膨胀应力；吸收层为吸收及捕陷太阳光的膜层，具有陷光效果的立体多孔状陷光结构；抗反射层则为降低太阳光反射率，增加吸收层吸收光线比例及进一步提升陷光效果。
Description
技术领域
本发明是关于一种表面镀膜结构及其制造方法，特别是一种适用于太阳能热电***的表面镀膜结构及其制造方法。
背景技术
目前，国际能源价格逐渐高涨，各国均致力于太阳能的研究及应用，以获得便宜且无环境污染的能源。太阳能的应用主要分为太阳能电池及太阳能热电两类。太阳能电池能将接受到的阳光直接转换成电能，适用阳光充足的地区。大部分的太阳能电池只能将10~20%的阳光转换成电能，其它大部分阳光则无法利用而转换为热能或辐射回归大气。
太阳能热电可将太阳光吸收转换为热能，以加热吸收体内的工作液体产生动能，从而推动发电机发电，其发电效率可达30%，但仍然需要进一步提升太阳光吸收效率及热能转换成电能的效率。
发明内容
鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的就是提供一种表面镀膜结构及其制造方法，以增强太阳能热电***吸收太阳能的效率。进一步地，本发明更可通过湿式蚀刻法或干式蚀刻法形成表面镀膜的立体多孔陷光结构，使射入表面镀膜结构的太阳光不致轻易反射脱离，以增强本发明的表面镀膜结构的太阳光吸收机率。
根据本发明的目的，提出一种表面镀膜结构，包含基板、缓冲中介层、吸收层及抗反射层。缓冲中介层覆盖于基板之上，吸收层覆盖于缓冲中介层上，吸收层用以吸收并转换太阳光成为热能，缓冲中介层用以缓冲因吸收热能引起的基板与吸收层的热膨胀。抗反射层覆盖于吸收层上，用以降低太阳光反射率，增加吸收层吸收光线比例及进一步提升陷光效果。
进一步地，基板的热传导系数为30(W/m.K)至430(W/m.K)。
进一步地，缓冲中介层的材质为多孔硅(porousSi)、金属氧化物、金属硅化物或是多孔性金属。
进一步地，吸收层是一立体多孔状陷光结构。进一步地，吸收层的材质可为奈米晶硅(nanocrystallinesilicon,nc-Si)、多晶硅(polycrystallinesilicon,poly-Si)、微晶硅(microcrystallinesilicon,μc-Si)、奈米、多晶或微晶硅基材料、奈米晶锗(nanocrystallinegermanium,nc-Ge)、多晶锗(polycrystallinegermanium,poly-Ge)或微晶锗(microcrystallinegermanium,μc-Ge)，但不以此为限。
进一步地，抗反射层的折射率需要小于吸收层。
其中，抗反射层为单一折射率的均质层。
其中，抗反射层为折射率渐变的材质层，其改变方式为由与空气接触面至与吸收层贴合面逐渐增加，但不以此为限。
其中，抗反射层包含至少两相异折射率的均质内层，且抗反射层的太阳光吸收频带为所有均质内层的太阳光吸收频带的总和。
根据本发明的再一目的，提出一种表面镀膜结构的制造方法，此表面镀膜结构的制造方法包含下列步骤：提供一基板；形成一缓冲中介层覆盖在基板上；形成一吸收层覆盖在缓冲中介层上，吸收层用以吸收并转换太阳光成为热能，缓冲中介层用以缓冲已吸收热能引起的基板与吸收层的热膨胀；形成一抗反射层，覆盖于吸收层上。
进一步地，形成吸收层的方法包括下列步骤：利用电浆增强化学气相沉积(plasma-enhancedchemicalvapordeposition,PECVD)法或物理气相沉积(physicalvapordeposition,PVD)法在缓冲中介层上长出一硅基材质层或一锗基材质层，例如非晶硅(a-Si)层；进行一退火程序，将硅基材质层或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层；以湿式蚀刻法或干式蚀刻法处理吸收层表面，以形成立体多孔状陷光结构。
其中，形成吸收层的方法又包括下列步骤：利用电浆增强化学气相沉积法或物理气相沉积法在缓冲中介层上长出一硅基材质层或一锗基材质层，例如非晶硅(a-Si)层；以湿式蚀刻或干式蚀刻处理吸收层表面，以形成立体多孔状陷光结构；进行一退火程序，将硅基材质层或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层。
进一步地，形成抗反射层的方法包含下列步骤：利用电浆增强化学气相沉积或是物理气相沉积在吸收层上长出一非晶形材质层，以使吸收层与贴合其上的非晶形材质层共同构成立体多孔状陷光结构；进行一退火程序，将非晶形材质层转换为对应的多晶材质层或微晶材质层。
进一步地，前述形成吸收层的方法或形成抗反射层的方法中的退火程序为固相结晶法、雷射结晶法或金属诱发结晶法。固相结晶法是将沉积于基板上的非晶硅薄膜置于数百度温度中，进行数小时的回火，以增大晶粒尺寸并降低晶界数。雷射结晶法利用雷射光源，入射至非晶硅薄膜中，使其达到熔融温度而进行成核与结晶，并转变为单晶硅或多晶硅。金属诱发结晶法是以金属如金、银、铝或镍等作为结晶的诱发材料，使非晶硅转为多晶硅的温度降低。其方法是在非晶硅薄膜的下面，先沉积一层金属层，让金属通过热能，使非晶硅诱发为多晶硅。
承上所述，依本发明的表面镀膜结构，其可具有一或多个下述优点：
(1)本发明的表面镀膜结构具有抗反射层，以降低入射的太阳光由吸收层直接反射脱离，增加吸收层吸收光线比例。
(2)本发明的表面镀膜结构具有立体多孔状陷光结构，使射入立体多孔陷光结构表面的太阳光易于在一或多次反射后为吸收层所吸收。
(3)本发明的表面镀膜结构的制造方法包含一退火程序，将吸收层及抗反射层转变为多晶或微晶材质，可以进一步降低吸收层及抗反射层的平均反射率。
附图说明
图1为本发明的表面镀膜结构的第一较佳实施例的示意图。
图2为本发明的表面镀膜结构的第二较佳实施例的示意图。
图3为本发明的表面镀膜结构的第三较佳实施例的示意图。
图4为本发明的表面镀膜结构的复数均质内层抗反射层的太阳光吸收频谱示意图。
图5为本发明的表面镀膜结构的制造流程示意图。
图6为本发明的表面镀膜结构的吸收层的第一种制造流程示意图。
图7为本发明的表面镀膜结构的吸收层的第二种制造流程示意图。
图8为本发明的表面镀膜结构的抗反射层的制造流程示意图。
图9为本发明的表面镀膜结构的立体多孔状陷光结构的电子显微镜扫描图。
图10为太阳光入射本发明的表面镀膜结构的立体多孔状陷光结构的示意图。
图11为太阳光入射本发明的表面镀膜结构的蚀刻前后反射率对波长关系示意图。
主要组件符号说明如下：
10：表面镀膜结构
100：基板
200：缓冲中介层
300：吸收层
400：抗反射层
410：抗反射层
420：抗反射层
430：第一均质内层
440：第二均质内层
500：立体多孔状陷光结构
L1：第一路径
L2：第二路径
L3：第三路径
S100~S400、S310~S330：步骤
S350~S370、S410~S430：步骤
具体实施方式
本发明配合附图，并以较佳实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围，合先叙明。
本发明是揭露一种表面镀膜结构及其制造方法，适用于太阳能热电***。此表面镀膜结构包含基板、缓冲中介层、吸收层及抗反射层。本发明的表面镀膜结构对于太阳光有低反射及高吸收率，且适用于高温下操作，并可用于任何形状的吸收体的表面镀膜。
请参阅图1，其为本发明的表面镀膜结构的第一较佳实施例的示意图，用以显示表面镀膜结构的组成。图1中，表面镀膜结构10包含基板100、缓冲中介层200、吸收层300及抗反射层400。缓冲中介层200覆盖于基板100上，吸收层300覆盖于缓冲中介层200上，吸收层300用以吸收并转换太阳光成为热能，缓冲中介层200用以缓冲因吸收热能引起的基板100与吸收层300的热膨胀。抗反射层400覆盖于吸收层300上，用以降低太阳光反射率，增加吸收层吸收光线比例及进一步提升陷光效果。
进一步地，基板100的热传导系数为30(W/m.K)至430(W/m.K)。
进一步地，缓冲中介层200的材质为多孔硅、金属氧化物、金属硅化物或是多孔性金属。
进一步地，吸收层300是一立体多孔状陷光结构500。进一步地，吸收层300的材质可为奈米晶硅、多晶硅、微晶硅、奈米、多晶或微晶硅基材料、奈米晶锗、多晶锗或微晶锗。
进一步地，抗反射层400的折射率需小于吸收层。
进一步地，抗反射层400为单一折射率的均质层。
请参阅图2，其为本发明的表面镀膜结构的第二较佳实施例的示意图，用以显示另一种具有折射率渐变抗反射层的表面镀膜结构。第二较佳实施例与第一较佳实施例的差异为第二较佳实施例的抗反射层410为折射率渐变的材质层，其折射率渐变方式为由与空气接触面至与吸收层300的贴合面逐渐增加，但不以此为限。
进一步地，抗反射层410的折射率需小于吸收层。
请参阅图3，其为本发明的表面镀膜结构的第三较佳实施例的示意图，用以显示包含两相异折射率的均质内层的抗反射层结构。第三较佳实施例与第一较佳实施例及第二较佳实施例的差异为第三较佳实施例的抗反射层包含两相异折射率均质内层。如第3图所示，抗反射层420包含第一均质内层430及第二均质内层440，但不以此为限。
进一步地，第一均质内层430及第二均质内层440的折射率均需小于吸收层。
请参阅图4，其为本发明的表面镀膜结构的两均质内层及抗反射层的太阳光吸收频谱示意图。图4中显示抗反射层420、第一均质内层430及第二均质内层440的频谱。其中，抗反射层420的太阳光吸收频带为第一均质内层430及第二均质内层440的总和。
请参阅图5，其为本发明的表面镀膜结构的制造流程示意图。图5的步骤流程为：S100：提供一基板100；S200：形成一缓冲中介层200覆盖在基板100上；S300：形成一吸收层300覆盖在缓冲中介层200上；S400：形成一抗反射层400，覆盖在吸收层300上。
请一并参阅图5及图6，图6为本发明的表面镀膜结构的吸收层的第一种制造流程示意图。图6的步骤流程为：S310：利用电浆增强化学气相沉积法或物理气相沉积法在缓冲中介层200上长出一硅基材质层或一锗基材质层；S320：进行一退火程序，将硅基材质层或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层；S330：以湿式蚀刻法或干式蚀刻法处理吸收层表面，以形成立体多孔状陷光结构500。
请一并参阅图5及图7，图7为本发明的表面镀膜结构的吸收层的第二种制造流程示意图。图7的步骤流程为：S350：利用电浆增强化学气相沉积法或物理气相沉积法在缓冲中介层200上长出一硅基材质层或一锗基材质层；S360：以湿式蚀刻或干式蚀刻处理吸收层300表面，以形成立体多孔状陷光结构500；S370：进行一退火程序，将硅基材质或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层。
请一并参阅图5及图8，图8为本发明的表面镀膜结构的抗反射层的制造流程示意图。图8的步骤流程为：S410：利用电浆增强化学气相沉积或物理气相沉积在吸收层300上长出一非晶形材质层，以使吸收层300与贴合其上的非晶形材质层共同构成立体多孔状陷光结构；S420：进行一退火程序，将非晶形材质层转换为对应的多晶材质层或微晶材质层。
请一并参阅图9及图10，图9为本发明的表面镀膜结构的立体多孔状陷光结构的电子显微镜扫描图，图9显示经过蚀刻的后表面镀膜结构形成高低起伏的表面。图10为太阳光入射本发明的表面镀膜结构的立体多孔状陷光结构的示意图，图10显示不同入射路径光线经过至少一次反射及折射为表面镀膜结构所吸收。
众所周知，光线通过异种介质的间接口时有可能发生折射与反射，而发生折射或反射的条件为光线的入射角及两种介质之间的相对折射系数所决定。
在图10中，当太阳光由第一路径L1射入时，经过一次折射之后进入表面镀膜结构10而被吸收；太阳光由第二路径L2射入时，经过两次反射之后进入表面镀膜结构10而被吸收；太阳光由第三路径L3射入时，在第一次反射后再度入射立体多孔状陷光结构时有部分光线折射进入表面镀膜结构10而被吸收，其余反射的光线也下一次入射时折射进入表面镀膜结构10而被吸收。
请参阅图11，其为太阳光入射本发明的表面镀膜结构的蚀刻前后反射率对波长关系示意图。在图11中，太阳光波长范围为350~800nm，吸收层在进行蚀刻后的太阳光反射率比起蚀刻前大约有35%的差距。当抗反射层已经贴附在蚀刻后的吸收层上，其太阳光反射率可以下降到10%以下。
进一步地，前述吸收层300的制造方法或抗反射层400的制造方法中的退火程序为固相结晶法、雷射结晶法或金属诱发结晶法。固相结晶法是将沉积于基板上的非晶硅薄膜置于数百度温度中，进行数小时的回火，以增大晶粒尺寸并降低晶界数。雷射结晶法利用雷射光源，入射至非晶硅薄膜中，使其达到熔融温度而进行成核与结晶，并转变为单晶硅或多晶硅。金属诱发结晶法是以金属如金、银、铝或镍等做为结晶的诱发材料，使非晶硅转为多晶硅的温度降低。其方法是在非晶硅薄膜的下面，先沉积一层金属层，让金属通过热能，使非晶硅诱发为多晶硅。
举例而言，本发明的表面镀膜结构适用于常温至1400°C的太阳能热电***，对于波长为300~800nm的太阳光，本发明的表面镀膜结构可达到92.5~97.5%的吸收率。
总言之，本发明的表面镀膜结构在太阳光入射至表面的抗反射层时，通过表面镀膜结构的立体多孔陷光结构及配合抗反射层的材质，以捕捉并引导入射太阳光由吸收层进行吸收并转换成为热能。经过退火程序的抗反射层及吸收层相互配合，对于太阳光具有很高的吸收率。缓冲中介层可以松弛基板与吸收层由于吸收热能所造成不同热膨胀衍生的应力，使本发明的表面镀膜结构适用于操作于常温至高温的太阳能热电***，并适用于任何形状的吸收体的表面。
以上所述的较佳实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的权利要求范围，即凡是依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (14)
1.一种表面镀膜结构，适用于太阳热能发电的高温热能吸收，其特征在于，该表面镀膜结构依次包括：
一基板；
一缓冲中介层，覆盖在该基板上；
一吸收层，覆盖在该缓冲中介层上，该吸收层是一立体多孔状陷光结构，该吸收层吸收并转换太阳光成为一热能，其中该缓冲中介层缓冲该热能引起的该基板与该吸收层的热膨胀；以及
一抗反射层，覆盖在该吸收层上。
2.如权利要求1所述的表面镀膜结构，其特征在于，该基板的热传导系数为30W/m.K至430W/m.K。
3.如权利要求1所述的表面镀膜结构，其特征在于，该缓冲中介层的材质为多孔硅、金属氧化物、金属硅化物或是多孔性金属。
4.如权利要求1所述的表面镀膜结构，其特征在于，该吸收层的材质为奈米晶硅、多晶硅、微晶硅、奈米、多晶或微晶硅基材料、奈米晶锗、多晶锗或微晶锗。
5.如权利要求1所述的表面镀膜结构，其特征在于，该抗反射层的折射率小于该吸收层。
6.如权利要求5所述的表面镀膜结构，其特征在于，该抗反射层为单一折射率的均质层。
7.如权利要求5所述的表面镀膜结构，其特征在于，该抗反射层为一折射率渐变的材质层。
8.如权利要求5所述的表面镀膜结构，其特征在于，该抗反射层包含至少相异折射率的两均质内层。
9.如权利要求8所述的表面镀膜结构，其特征在于，该抗反射层的太阳光吸收频带为该两均质内层的太阳光吸收频带的总和。
10.一种表面镀膜结构的制造方法，其特征在于，其包括下列步骤：
提供一基板；
形成一缓冲中介层覆盖在该基板上；
形成一立体多孔状陷光结构的吸收层覆盖在该缓冲中介层上，该吸收层吸收并转换太阳光成为一热能，其中该缓冲中介层缓冲该热能引起的该基板与该吸收层的热膨胀；以及
形成一抗反射层，覆盖在该吸收层上。
11.如权利要求10所述的表面镀膜结构的制造方法，其特征在于，形成该吸收层的方法包括下列步骤：
利用电浆增强化学气相沉积法或物理气相沉积法在该缓冲中介层上长出一硅基材质层或一锗基材质层；
进行一退火程序，将该硅基材质层或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层；以及
以一湿式蚀刻法或一干式蚀刻法处理该吸收层表面，以形成所述立体多孔状陷光结构。
12.如权利要求10所述的表面镀膜结构的制造方法，其特征在于，形成该吸收层的方法包括下列步骤：
利用电浆增强化学气相沉积法或物理气相沉积法在该缓冲中介层上长出一硅基材质层或一锗基材质层；
以一湿式蚀刻或一干式蚀刻处理该吸收层表面，以形成所述立体多孔状陷光结构；以及
进行一退火程序，将该硅基材质层或锗基材质层转换为多晶硅层、微晶硅层、多晶锗层或微晶锗层。
13.如权利要求10所述的表面镀膜结构的制造方法，其特征在于，形成该抗反射层的方法包含下列步骤：
利用电浆增强化学气相沉积或物理气相沉积在该吸收层上长出一非晶形材质层，其中该吸收层与贴合其上的该非晶形材质层共同构成一立体多孔状陷光结构；以及
进行一退火程序，将该非晶形材质层转换为对应的一多晶材质层或微晶材质层。
14.如权利要求11、12或13所述的表面镀膜结构的制造方法，其特征在于，该退火程序为固相结晶法、雷射结晶法或金属诱发结晶法。
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