ARIZA FLORES AUGUSTO DAVID (MX)
PEREZ HUERTA JOSÉ SAMUEL (MX)
KUMAR YOGESH (MX)
| REIVINDICACIONES 1. Una estructura multicapa antireflejante cuasi-omnidireccional basada en multicapas dieléctricas de silicio poroso que absorbe la luz en toda la región visible y parte del ultravioleta e infrarrojo cercana, consiste en un sistema de múltiples capas dieléctricas apiladas, cuyos índices de refracción varían gradualmente. La propiedad de cuasi- omnidireccionalidad de dicha invención consiste en la absorción de la luz incidente sobre su estructura, para un rango amplio de ángulos de incidencia. El dispositivo en cuestión se caracteriza por poseer una geometría adecuada que le confiere la propiedad antirreflejante omnidireccionalidad desde los 200 hasta 2000 nm, lo cual incluye parte del rango ultravioleta, todo el rango visible y el rango infrarrojo cercano, con un valor de reflectancia por debajo del 4 %. Su estructura de multicapas con variación gradual de porosidad, el número de capas, el espesor constante de cada capa, el espesor total de la estructura, la porosidad de cada capa y el material de fabricación, le confieren la baja reflectividad para cualquier ángulo de incidencia. Se diseñó con 51 capas de silicio poroso cuyos índices de refracción fueron incrementados gradualmente desde 1.1 hasta 2.5, por medio de una función envolvente de la corresponde al valor óptimo que genera la mínima reflexión omnidireccional en el rango espectral mencionado. Este valor del parámetro k se encuentra por medio de hallar la integral mínima de la reflectancia respecto la longitud de onda en el intervalo de interés. Los espesores de cada capa se mantuvieron constantes con un valor de 10 nm cada uno. La estructura diseñada se caracteriza por poseer una fuerte absorción de luz, para un gran rango de ángulos de incidencia. 2. Un método de fabricación económico, fácil y rápido de una estructura antireflejante dieléctrica omnidireccional mencionada en la reivindicación 1 , se caracteriza por haberse realizado por anodización electroquímica. Para la realización o fabricación de la estructura multicapa, se llevó a cabo el anodizado electroquímico de obleas de silicio con orientación (100), a temperatura ambiente (25 °C) con una solución electrolítica de ácido fluorhídrico (HF) al 48 % en peso, y etanol al 99.9 % en peso, en proporción de 1 : 1 v/v. El proceso electroquímico se realizó de forma galvanostática suministrando corriente constante en el anodizado de cada capa, a través de un circuito electrónico controlado por computadora, variando la densidad de corriente desde 74 hasta 1 mA/cm2, para obtener las porosidades de 92 y 38 %, respectivamente. |
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al diseño y fabricación de una estructura antireflejante omnidireccional, que se obtiene a partir de un sistema de multicapas dieléctricas de silicio poroso. Dicha multicapa tiene la capacidad antireflejante en una banda cuasi- omnidireccional que va desde 200 hasta 2000 nm en longitud de onda, por abajo del 4% de reflectividad para un rango angular de 0-80° de incidencia, abarcando todo el rango visible y parte del ultravioleta e infrarrojo cercano. Este sistema está basado en una estructura de capas con porosidad gradual, cuyos índices de refracción se incrementan por medio de una función envolvente tipo potencia, dependientes de la profundidad de la estructura.
Asimismo presenta una alta absorción para el intervalo omnidireccional y es de fácil y rápida fabricación a un bajo costo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las capas antireflejantes atenúan parcial o totalmente la reflexión de luz en algún intervalo de longitudes de onda [1 ,2]. Algunos grupos de investigación han diseñado estructuras antireflejantes de manera teórica [3] y las han fabricado a base de estructuras dieléctricas multicapa en diferentes regiones del espectro electromagnético (EM), debido a su versatilidad y a la variedad de aplicaciones [4-10], principalmente enfocadas a mejorar la eficiencia de las celdas solares [8-17]. Por ejemplo, L. L. Ma et. al. fabricaron una estructura de multicapas de silicio usando la técnica de anodización electroquímica y lograron obtener reflexiones tan bajas como el 5% [4]. Sin embargo, las capas antireflejantes elaboradas mediante silicio poroso han sido diseñadas principalmente en la región visible [4-7] o con espesores físicos grandes (mayores a 4000 nm) y poco se ha investigado en cuanto a la dependencia angular de la baja reflectancia. La necesidad de implementarlas en celdas solares requiere una absorción que esté dentro del rango del espectro de radiación solar, el cual abarca desde los 250 hasta los 2500 nm aproximadamente y una estructura con el menor espesor físico posible [7]. Recientemente, el trabajo de L. L. Ma, et al. en 2006 muestra un rango amplio de 360 a 3300 nm, con reflectividades por debajo del 5%; sin embargo, el espesor de la estructura fabricada fue de 4100nm [4]. El trabajo de C. C. Striemer, et al en el 2002 tiene el objetivo de comparar entre algunos perfiles simples para el índice de refracción: proponen una dependencia del índice de refracción lineal y son capaces de reducir el espesor de la capa a tan solo l OOnm.
Sin embargo la multicapa presenta reflectancias menores del 5% solamente para un rango muy pequeño de longitudes de onda (aproximadamente 100 nm) alrededor de los 550 nm, y mayores al 5% fuera de ese rango [18]. Por otro lado, en el trabajo de A. Mahdjoub, et al.se diseña el perfil de índice de refracción teniendo en cuenta parámetros tales como la eficiencia del material colocado por debajo de la capa y proponen modelar la variación en el índice mediante una función tipo 'Fermi', obteniendo reflectancias menores al 5% en un rango que va de 400 a lOOOnm, el cual no cubre ni el utravioleta ni el rango de infrarojo cercano [19]. Aunque existen varias propuesta para el diseño teórico de las capas antireflejantes, la fabricación de dichas estructuras no es trivial debido a la dependencia entre el espesor físico y la reflectividad, es decir, para una menor reflectividad se requiere un mayor espesor físico. Para solucionar este obstáculo se requiere fabricar un número suficiente de multicapas con variaciones pequeñas en el índice de refacción para reducir la reflectividad, cuyas variaciones estén moduladas por una función envolvente específica la cual genera la menor reflectancia posible en la estructura tal y como se propone en este documento.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La estructura antireflejante consta de 51 capas porosas, cuyas porosidades van desde 92 hasta 38 % (índices de refracción de 1.1 y 2.5, respectivamente) y es obtenida a partir de la anodización electroquímica de obleas de silicio cristalino con orientación (100) de resistividad 0.002-0.005 Ω-cm. Los espesores de cada capa son constantes de 10 nm cada uno, formando una estructura de 510 nm de espesor físico total. Los índices de refracción fueron incrementados gradualmente de acuerdo a una función envolvente de la forma z es la profundidad de la estructura en nanómetros y L=510nm. El número 1.8 corresponde al valor óptimo para obtener la mínima reflectancia cuasi-omnidireccional. Este valor lo encontramos por medio de hallar la integral minima de la reflectancia respecto del rango de frecuencias que hemos fijado previamente para cada uno de los valores del parámetro k. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1. Espectro de reflectancia experimental, como función de la longitud de onda para (a) 8°, (b) 36° y (c) 50°. La región omnidireccional (desde 200 hasta 2000 nm), fue tomada por debajo del 4% de reflectancia.
Figura 2. Gráfico teórico de contorno para el espectro de reflectancia, como función del parámetro k y la longitud de onda que va desde 200 hasta 2000 nm. La escala de colores representa la reflectancia desde 0% (negro) hasta 20% (amarillo). Abajo se presenta la integral de la reflectancia respecto a la longitud de onda en el rango que se muestra.
Figura 3. Gráfico teórico de contorno para el espectro de reflectancia, como función del ángulo de incidencia y la longitud de onda. La escala de colores representa la reflectancia desde 0 (negro) hasta 10% (amarillo).
Figura 4. Imagen de microscopía electrónica de barrido, de la sección transversal de la estructura antireflejante de multicapas dieléctricas porosas, mostrando el incremento gradual en la porosidad de la estructura.
REALIZACIÓN REFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de los comentarios de las figuras, puede observarse como la estructura antireflejante cuasi-omnidireccional se compone de poros cuyos diámetros van disminuyendo gradualmente conforme aumenta la profundidad de la estructura, para formar una capa antireflejante de 510 nm de espesor, que termina en el sustrato de silicio. Asimismo, el espectro de reflectancia muestra valores por debajo del 4% desde los 200 hasta 2000 nm, para distintos ángulos de incidencia.
Para la realización o fabricación de la estructura multicapa, se llevó a cabo un proceso de anodizado electroquímico de obleas de silicio (100), a temperatura ambiente (25 °C) con una solución electrolítica de ácido fluorhídrico (HF) al 48 % en peso, y etanol al 99.9 % en peso, en proporción de 1: 1 volumen a volumen (v/v) [20]. El proceso electroquímico se realizó de forma galvanostática suministrando corriente constante en el anodizado de cada capa, a través de un circuito electrónico controlado por computadora, variando la densidad de corriente desde 74 hasta 1 mA/cm 2 , para obtener un rango de porosidades desde 92 hasta 38 %, variadas gradualmente. Los espectros de reflectancia absoluta fueron medidos en un espectrofotómetro Perkin Elmer Lambda 950 UV/VIS, para distintos ángulos entre 8 y 68°. Los valores para los ángulos de incidencia máximo y mínimo estuvieron delimitados por el equipo de medición. Las porosidades fueron obtenidas con la teoría de Bruggeman del medio efectivo [21]. Las simulaciones teóricas de los espectros de reflectancia fueron realizados con el método de la matriz de transferencia [22] y la dependencia de la función dieléctrica del silicio con respecto a la longitud de onda fue tomada del manual de Palik [23].
REFERENCIAS
[I] Eugene Hecht 2000. Óptica, Addison Wesley.
[2] Redfield, D. 1981. Solar Cells, 3-1, 27-33.
[3] Bouhafs, D., Moussi, A., Chikouche, A., and Ruiz, J. M. 1998. Solar Energy Materials and Solar Cells, 52-1, 79-93.
[4] Ma, L. L., Zhou, Y. C, Jiang, N., Lu, X., Shao, J., Lu, W., et. al. and Hou, X. Y. 2006 Applied physics letters 88-17, 171907-171907.
[5] Chang, Y. J., and Chen, Y. T. 201 1. Optics express, 19-104, A875-A887.
[6] Aroutiounian, V. M., Maroutyan, K. R., Zatikyan, A. L., and Touryan, K. J. 2002. Thin
Solid Films, 403, 517-521.
[7] Minemoto, T., Murozono, M., Yamaguchi, Y., Takakura, H., and Hamakawa, Y. (2006). Solar energy materials and solar cells, 90-18, 2995-3000.
[8] Dzhafarov, T. D., Aslanov, S. S., Ragimov, S. H., Sadigov, M. S., and Yuksel, S. A. 2012. Vacuum. Elsevier, 86, 1875el 879.
[9] Drabczyk, K., Panek, P., and Lipinski, M. 2003. Solar energy materials and solar cells, 76-4, 545-551.
[10] Krotkus, A., Grigoras, K., Pacebutas, V., Barsony, I., Vazsonyi, E., Fried, M., and Levy-Clement, C. 1997. Solar Energy Materials and Solar Cells, 45-3, 267-273.
[I I] Adamian, Z. N., Hakhoyan, A. P., Aroutiounian, V. M., Barseghian, R. S., and Touryan, K. 2000. Solar energy materials and solar cells, 64-4, 347-351.
[12] González-Díaz, B., Guerrero-Lemus, R., Borchert, D., Hernández-Rodríguez, C, and Martínez-Duart, J. M. 2007. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 38- 1, 215-218.
[13]Shi, J., Xu, F., Ma, Z., Zhou, P., Zheng, L., Yang, J., and Jiang, Z. 2012. Materials Science in Semiconductor Processing. In press.
[14]Ramizy, A., Hassan, Z., Ornar, ., Al-Douri, Y., and Mahdi, M. A. 2011. Applied Surface Science, 257-14, 6112-61 17.
[15] Osorio, E., Urteaga, R., Acquaroli, L. N., García-Salgado, G., Juárez, H., and
Koropecki, R. R. 201 1. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95-11, 3069-3073.
[16] Bilyalov, R. R., Lüdemann, R., Wettling, W., Stalmans, L., Poortmans, J., Nijs, J., and
Lévy-Clément, C. 2000. Solar energy materials and solar cells, 60-4, 391 -420.
[17] Strehlke, S., Bastide, S., Guillet, J., and Levy-Clement, C. 2000. Materials Science and
Engineering: B, 69, 81-86.
[18] Striemer, C. C, and Fauchet, P. M. 2002. Applied physics letters, 81-16, 2980-2982. [19] Mahdjoub, A., and L. Zighed 2005. Thin Solid Films 478-1, 299-304.
[20] Ariza-Flores A D, Gaggero-Sager L M, and Agarwal V 2012. J. Phys. D: Appl. Phys.
45, 015102.
[21] Stroud D. 1998. Superlattices and Microstructures 23, 567.
[22] Kheraj V A, Panchal C J, Desai M S, and Potbhare V. 2009. Pramana-J. Phys. 72,101 1- 1022.
[23] Edward D. Palik 1985, Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press, Boston USA.