ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ РАССЕЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ ШЕРОХОВАТОСТЕЙ НА ГРАНИЦЕ СТЕКЛА
ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 535.016
ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ РАССЕЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ ШЕРОХОВАТОСТЕЙ НА ГРАНИЦЕ СТЕКЛА
© 2014 г. В. В. Стаценко, аспирант; В. Д. Петриков
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург
Е-mail: v.statcenko@gmail.com
Проведены исследование и сравнение оптических свойств шероховатых поверхностей стекла, полученных различными методами. Показано, что при создании шероховатой поверхности с помощью шлифовальных порошков размером зерна от 10 до 40 мкм ширина диаграммы рассеяния увеличивается до 35°, но при этом за счет внутренних отражений снижается количество пропускаемого излучения. Отмечено, что создание шероховатой поверхности с помощью травления обеспечивает более узкие диаграммы рассеяния, но снижает потери прошедшего излучения.
Ключевые слова: диаграмма рассеяния, шлифовка.
Коды OCIS: 290.5880
Поступила в редакцию 04.10.2013
Введение
Проблема формирования диаграммы рассеяния светового излучения существует достаточно давно. Формирование так называемой Ламбертовской диаграммы легко обеспечивается средами с объемными рассеивателями (молочные стекла). Однако во многих случаях, в частности, при изготовлении фоточувствительных элементов солнечной энергетики и для повышения эффективности использования мощных светодиодов возникает задача формирования заданной диаграммы рассеяния [1, 2]. В случае фоточувствительных элементов оптимизация светорассеяния на границе стекло – аморфный (или поликристаллический) кремний позволяет увеличить долю светового излучения, поглощаемого в тонком слое светочувствительного полупроводника (в случае аморфного кремния – приблизительно 0,2 мкм), и повысить коэффициент полезного действия элемента [3].
В качестве одного из подходов к формированию требуемой диаграммы светорассеяния сейчас рассматривается использование шероховатой границы стекло – полупроводник [3]. Для получения шероховатостей высотой порядка 0,2–0,5 мкм было предложено использовать
различные типы структурирования поверхности стекла, на которую наносятся прозрачный электрод и слой полупроводника [4–6]. Альтернативой структурированию поверхности стекла является структурирование поверхности прозрачного электрода из оксида цинка [7].
В настоящей работе представлены результаты исследования рассеяния света на поверхности стекла с различной шероховатостью.
1. Экспериментальная часть
В качестве экспериментальных образцов в работе были использованы стекла фирмы Oerlikon, которые применяются при производстве тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного и микрокристалического кремния [8]. Шероховатость поверхности образцов обеспечивалась длительной шлифовкой с использованием стандартных шлифовальных порошков и химическим травлением, образцы сравнивались со стандартно используемыми в солнечных элементах стеклами со структурированной пленкой оксида цинка [7]. Сводка исследованных образцов представлена в таблице.
Подготовленные образцы исследовались методами атомно-силовой микроскопии (АСМ)
68 “Оптический журнал”, 81, 4, 2014
(AFM Solver Pro), абсорбционной спектроскопии (спектрофотометр Specord 50), также измерялась диаграмма рассеяния прошедшего через образцы излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 0,63 мкм при падении света со стороны гладкой поверхности стекла (для калибровки измерительной установки использовалась измеренная Ламбертовская диаграмма рассеяния молочного стекла). Результаты измерений представлены на рис. 1–4.
2. Обсуждение результатов
На основе измерений методом АСМ были определены характерные параметры шерохова-
тости исследованных образцов (таблица). Как и следовало ожидать, переход от шлифовки мелким порошком к шлифовке более крупным порошком ведет к увеличению средней высоты шероховатости поверхности образцов с 0,5 до 2,5 мкм (рис. 1). Также при увеличении размера зерна порошка падает измеряемое спектрофотометром прямое пропускание (см. рис. 2). В то же время результаты измерений полного пропускания, полученные с интегрирующей сферой (см. рис. 3), свидетельствуют о том, что внутреннее поглощение образцов отличается несущественно, и на образцах, шлифованных порошками с более крупным зерном, увеличивается светорассеяние.
Исследованные образцы
Обработка образца
М10
Методика получения
Шлифовка порошком с размером зерна 10 мкм
Среднее значение неоднородности, мкм
0,5–0,8
М28 Шлифовка порошком с размером зерна 28 мкм
1,5–2
М40 Шлифовка порошком с размером зерна 40 мкм
2,5–3
HF Травление в 30% растворе HF в течение
10 мин
0,1–0,7
ZnO
Химическое осаждение диэтилцинка
0,07–0,1
Высота шероховатости, мкм
(а) мкм
25
20
мкм 2,0
1,0
(б)
0,5
15 0
10 –1,0
5
–0,5
0 0
5
10 15
20 25 мкм
0
–0,5 0
5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
Высота шероховатости, мкм
Высота шероховатости, мкм
(в)
1,0
0,5 0
–0,5
(г)
3,0 2,5 2,0 1,5
1,0
0,5
0 5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
0 5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
Рис. 1. АСМ-изображения поверхности образца М10 (а) и полученные методом АСМ профили поверхности образцов М10 (б), М28 (в) и М40 (г).
“Оптический журнал”, 81, 4, 2014
69
Пропускание, %
40
1 30 2
3
20
10
0 300 450
600 750 900 1050
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр прямого пропускания света образцами с обработкой М10 (1), М28 (2) и М40 (3).
Пропускание, %
100 1
80 2 3
60
40 5
4
20
0 400
600
Длина волны, нм
800
Рис. 3. Полное пропускание света образцами, обработанными HF (1), М10 (2), М28 (3), М40 (4)
и ZnO (5), измеренное с интегрирующей сферой.
Интенсивность, о.е.
(а)
1,5
1,0
0,5
1 2 3
Интенсивность, о.е.
(б)
4
3
2
1
3 2 1
0,0 –60
–30 0 Угол, град
30
60
0 –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20
Угол, град
Рис. 4. Диаграммы рассеяния образцов шлифованного порошами М10 (1), М28 (2) и М40 (3) (а) стекла и сравнение диаграммы образца М10 (1) с диаграммами образцов, обработанных HF (2) и ZnO (3) (б).
Результаты измерений диаграммы рассеяния, т.е. зависимости интенсивности рассеянного света от угла (рис. 4а), показывают, что шлифовка стекол использованными в экспериментах порошками обеспечивает практически совпадающие угловые зависимости интенсивности рассеянного света, но общая интенсивность прошедшего света выше для образцов, обработанных порошком с меньшим размером зерна. На основе этого можно сделать вывод о том, что образцы, шлифованные более крупным порошком, характеризуются более высоким рассеянием в полусферу, обращенную назад по отношению к направлению луча лазера. Совпадение диаграмм рассеяния образцов 1–3 (таблица) позволяет предположить, что ответственные за рассеяние “вперед” элементы профиля рассеивателей, образовывающиеся на поверхности
стекла при шлифовке порошками М10, М28 и М40, имеют близкую форму, и при шлифовке более мелкими порошками удельная доля этих элементов увеличивается.
Сравнение углового распределения рассеянного света промышленного образца с пленкой оксида цинка, образца, обработанного в плавиковой кислоте, и образца, шлифованного порошком М10, представленное на рис. 4б, иллюстрирует возможности изменения диаграммы рассеяния.
Выводы
Шлифовка стекол позволяет получить диаграммы рассеяния, отличающиеся от Ламбертовской, но в то же время достаточно широкие (до 35°). При этом размер зерна порошка,
70 “Оптический журнал”, 81, 4, 2014
используемого для шлифовки стекла при его варьировании в диапазоне от 10 до 40 мкм практически не влияет на ширину диаграммы рассеяния несмотря на отличие средней высоты шероховатости поверхности. От размера зерна шлифовального порошка зависит только полная интенсивность прохождения и внутреннее отражение. Использованный режим химического травления образцов стекла обеспечивает расширение диаграммы рассеяния
тральные измерения, спектр пропускания таких образцов практически идентичен спектру пропускания чистого стекла. Таким образом, представляется перспективным поиск режимов травления и травителей, которые позволили бы получить более широкую диаграмму рассеяния при меньших потерях на рассеяние назад и внутреннее поглощение по сравнению со шлифованными образцами.
Авторы благодарят доктора физ.-мат. наук
по сравнению с образцами, на которые нанесен оксид цинка. При этом, как показали спек-
Е.И. Терукова за предоставленные образцы стекол фирмы Оerlikon.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Асланов Э., Досколович Л.Л. Тонкий коллиматор для светодиодов // Компьютерная оптика. 2012. Т. 36. № 1. С. 96–101.
2. Arvind Shah. Thin-film silicon solar cells. Italy: EPFL Press, 2010. 430 p.
3. Krc J., Zeman M., Kluth O.,Smole F., Topic M. Effect of surface roughness of ZnO:Al films on light scattering in hydrogenated amorphous silicon solar cells // Thin Solar Films. 2003. V. 426. P. 296–304.
4. Ren J., Ganapathysubramanian B., Sundararajan S. Experimental analysis of the surface roughness evolution of etched glass for micro/nanofluidic devices // J. Micromech. and Microeng. 2011. V. 21. № 2. 025012. 7 pp.
5. Pápa Z. Budai J., Farkas B., Toth Z. Investigation of surface roughness on etched glass surfaces // Thin Solar films. 2011. V. 519. P. 2903–2906.
6. Fouckhardt H., Hein E., Fox D., Jaax M. Multitude of glass surface roughness morphologies as a tool box for dosed optical scattering // Appl. Opt. 2010. V. 49. № 8. P. 1364–1372.
7. Kurdzesau F.V. Preparation of ZnO:B films with different optical haze and their influence on a-Si:H / µc-Si:H layers formation and light trapping in thin film silicon solar cells // Problems of Physics, Mathematics and Technics. 2011. № 4 (9). P. 45–50.
8. http://www.oerlikon.com
“Оптический журнал”, 81, 4, 2014
71
УДК 535.016
ФОРМИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ РАССЕЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ ШЕРОХОВАТОСТЕЙ НА ГРАНИЦЕ СТЕКЛА
© 2014 г. В. В. Стаценко, аспирант; В. Д. Петриков
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург
Е-mail: v.statcenko@gmail.com
Проведены исследование и сравнение оптических свойств шероховатых поверхностей стекла, полученных различными методами. Показано, что при создании шероховатой поверхности с помощью шлифовальных порошков размером зерна от 10 до 40 мкм ширина диаграммы рассеяния увеличивается до 35°, но при этом за счет внутренних отражений снижается количество пропускаемого излучения. Отмечено, что создание шероховатой поверхности с помощью травления обеспечивает более узкие диаграммы рассеяния, но снижает потери прошедшего излучения.
Ключевые слова: диаграмма рассеяния, шлифовка.
Коды OCIS: 290.5880
Поступила в редакцию 04.10.2013
Введение
Проблема формирования диаграммы рассеяния светового излучения существует достаточно давно. Формирование так называемой Ламбертовской диаграммы легко обеспечивается средами с объемными рассеивателями (молочные стекла). Однако во многих случаях, в частности, при изготовлении фоточувствительных элементов солнечной энергетики и для повышения эффективности использования мощных светодиодов возникает задача формирования заданной диаграммы рассеяния [1, 2]. В случае фоточувствительных элементов оптимизация светорассеяния на границе стекло – аморфный (или поликристаллический) кремний позволяет увеличить долю светового излучения, поглощаемого в тонком слое светочувствительного полупроводника (в случае аморфного кремния – приблизительно 0,2 мкм), и повысить коэффициент полезного действия элемента [3].
В качестве одного из подходов к формированию требуемой диаграммы светорассеяния сейчас рассматривается использование шероховатой границы стекло – полупроводник [3]. Для получения шероховатостей высотой порядка 0,2–0,5 мкм было предложено использовать
различные типы структурирования поверхности стекла, на которую наносятся прозрачный электрод и слой полупроводника [4–6]. Альтернативой структурированию поверхности стекла является структурирование поверхности прозрачного электрода из оксида цинка [7].
В настоящей работе представлены результаты исследования рассеяния света на поверхности стекла с различной шероховатостью.
1. Экспериментальная часть
В качестве экспериментальных образцов в работе были использованы стекла фирмы Oerlikon, которые применяются при производстве тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного и микрокристалического кремния [8]. Шероховатость поверхности образцов обеспечивалась длительной шлифовкой с использованием стандартных шлифовальных порошков и химическим травлением, образцы сравнивались со стандартно используемыми в солнечных элементах стеклами со структурированной пленкой оксида цинка [7]. Сводка исследованных образцов представлена в таблице.
Подготовленные образцы исследовались методами атомно-силовой микроскопии (АСМ)
68 “Оптический журнал”, 81, 4, 2014
(AFM Solver Pro), абсорбционной спектроскопии (спектрофотометр Specord 50), также измерялась диаграмма рассеяния прошедшего через образцы излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 0,63 мкм при падении света со стороны гладкой поверхности стекла (для калибровки измерительной установки использовалась измеренная Ламбертовская диаграмма рассеяния молочного стекла). Результаты измерений представлены на рис. 1–4.
2. Обсуждение результатов
На основе измерений методом АСМ были определены характерные параметры шерохова-
тости исследованных образцов (таблица). Как и следовало ожидать, переход от шлифовки мелким порошком к шлифовке более крупным порошком ведет к увеличению средней высоты шероховатости поверхности образцов с 0,5 до 2,5 мкм (рис. 1). Также при увеличении размера зерна порошка падает измеряемое спектрофотометром прямое пропускание (см. рис. 2). В то же время результаты измерений полного пропускания, полученные с интегрирующей сферой (см. рис. 3), свидетельствуют о том, что внутреннее поглощение образцов отличается несущественно, и на образцах, шлифованных порошками с более крупным зерном, увеличивается светорассеяние.
Исследованные образцы
Обработка образца
М10
Методика получения
Шлифовка порошком с размером зерна 10 мкм
Среднее значение неоднородности, мкм
0,5–0,8
М28 Шлифовка порошком с размером зерна 28 мкм
1,5–2
М40 Шлифовка порошком с размером зерна 40 мкм
2,5–3
HF Травление в 30% растворе HF в течение
10 мин
0,1–0,7
ZnO
Химическое осаждение диэтилцинка
0,07–0,1
Высота шероховатости, мкм
(а) мкм
25
20
мкм 2,0
1,0
(б)
0,5
15 0
10 –1,0
5
–0,5
0 0
5
10 15
20 25 мкм
0
–0,5 0
5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
Высота шероховатости, мкм
Высота шероховатости, мкм
(в)
1,0
0,5 0
–0,5
(г)
3,0 2,5 2,0 1,5
1,0
0,5
0 5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
0 5 10 15 20 25 30 Длина исследуемой области, мкм
Рис. 1. АСМ-изображения поверхности образца М10 (а) и полученные методом АСМ профили поверхности образцов М10 (б), М28 (в) и М40 (г).
“Оптический журнал”, 81, 4, 2014
69
Пропускание, %
40
1 30 2
3
20
10
0 300 450
600 750 900 1050
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектр прямого пропускания света образцами с обработкой М10 (1), М28 (2) и М40 (3).
Пропускание, %
100 1
80 2 3
60
40 5
4
20
0 400
600
Длина волны, нм
800
Рис. 3. Полное пропускание света образцами, обработанными HF (1), М10 (2), М28 (3), М40 (4)
и ZnO (5), измеренное с интегрирующей сферой.
Интенсивность, о.е.
(а)
1,5
1,0
0,5
1 2 3
Интенсивность, о.е.
(б)
4
3
2
1
3 2 1
0,0 –60
–30 0 Угол, град
30
60
0 –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20
Угол, град
Рис. 4. Диаграммы рассеяния образцов шлифованного порошами М10 (1), М28 (2) и М40 (3) (а) стекла и сравнение диаграммы образца М10 (1) с диаграммами образцов, обработанных HF (2) и ZnO (3) (б).
Результаты измерений диаграммы рассеяния, т.е. зависимости интенсивности рассеянного света от угла (рис. 4а), показывают, что шлифовка стекол использованными в экспериментах порошками обеспечивает практически совпадающие угловые зависимости интенсивности рассеянного света, но общая интенсивность прошедшего света выше для образцов, обработанных порошком с меньшим размером зерна. На основе этого можно сделать вывод о том, что образцы, шлифованные более крупным порошком, характеризуются более высоким рассеянием в полусферу, обращенную назад по отношению к направлению луча лазера. Совпадение диаграмм рассеяния образцов 1–3 (таблица) позволяет предположить, что ответственные за рассеяние “вперед” элементы профиля рассеивателей, образовывающиеся на поверхности
стекла при шлифовке порошками М10, М28 и М40, имеют близкую форму, и при шлифовке более мелкими порошками удельная доля этих элементов увеличивается.
Сравнение углового распределения рассеянного света промышленного образца с пленкой оксида цинка, образца, обработанного в плавиковой кислоте, и образца, шлифованного порошком М10, представленное на рис. 4б, иллюстрирует возможности изменения диаграммы рассеяния.
Выводы
Шлифовка стекол позволяет получить диаграммы рассеяния, отличающиеся от Ламбертовской, но в то же время достаточно широкие (до 35°). При этом размер зерна порошка,
70 “Оптический журнал”, 81, 4, 2014
используемого для шлифовки стекла при его варьировании в диапазоне от 10 до 40 мкм практически не влияет на ширину диаграммы рассеяния несмотря на отличие средней высоты шероховатости поверхности. От размера зерна шлифовального порошка зависит только полная интенсивность прохождения и внутреннее отражение. Использованный режим химического травления образцов стекла обеспечивает расширение диаграммы рассеяния
тральные измерения, спектр пропускания таких образцов практически идентичен спектру пропускания чистого стекла. Таким образом, представляется перспективным поиск режимов травления и травителей, которые позволили бы получить более широкую диаграмму рассеяния при меньших потерях на рассеяние назад и внутреннее поглощение по сравнению со шлифованными образцами.
Авторы благодарят доктора физ.-мат. наук
по сравнению с образцами, на которые нанесен оксид цинка. При этом, как показали спек-
Е.И. Терукова за предоставленные образцы стекол фирмы Оerlikon.
* * * * *
ЛИТЕРАТУРА
1. Асланов Э., Досколович Л.Л. Тонкий коллиматор для светодиодов // Компьютерная оптика. 2012. Т. 36. № 1. С. 96–101.
2. Arvind Shah. Thin-film silicon solar cells. Italy: EPFL Press, 2010. 430 p.
3. Krc J., Zeman M., Kluth O.,Smole F., Topic M. Effect of surface roughness of ZnO:Al films on light scattering in hydrogenated amorphous silicon solar cells // Thin Solar Films. 2003. V. 426. P. 296–304.
4. Ren J., Ganapathysubramanian B., Sundararajan S. Experimental analysis of the surface roughness evolution of etched glass for micro/nanofluidic devices // J. Micromech. and Microeng. 2011. V. 21. № 2. 025012. 7 pp.
5. Pápa Z. Budai J., Farkas B., Toth Z. Investigation of surface roughness on etched glass surfaces // Thin Solar films. 2011. V. 519. P. 2903–2906.
6. Fouckhardt H., Hein E., Fox D., Jaax M. Multitude of glass surface roughness morphologies as a tool box for dosed optical scattering // Appl. Opt. 2010. V. 49. № 8. P. 1364–1372.
7. Kurdzesau F.V. Preparation of ZnO:B films with different optical haze and their influence on a-Si:H / µc-Si:H layers formation and light trapping in thin film silicon solar cells // Problems of Physics, Mathematics and Technics. 2011. № 4 (9). P. 45–50.
8. http://www.oerlikon.com
“Оптический журнал”, 81, 4, 2014
71