Introduction
現代社会は、再生可能なエネルギー源へのエネルギー消費量のかなりの部分を移動させずに生存しないであろう。これを実現するために、我々は近い将来、石油系エネルギー源よりも低コストで再生可能エネルギーを収穫する方法を見つける必要があります。太陽エネルギーは地球上で最も豊富な再生可能エネルギーです。進歩の多くは太陽エネルギーハーベスティングで行われていることにもかかわらず、石油系エネルギー源と競合することは非常に困難です。太陽電池の効率を改善することは、太陽エネルギーハーベスティングのシステムコストを低減するための最も効率的な方法の一つです。
それに高価なタンデム多接合太陽電池セル2を利用することが経済的に実行可能であるように光学レンズ及びディッシュ反射器は、通常、小面積の太陽電池に太陽光発電入射高濃度を達成するために最も集中太陽光発電（CPV）システム1で使用されていますCPVシステム、及び妥当性を維持します同時にコスト。それらは通常、より広い太陽スペクトル応答よりも高い全体的な変換効率を有するものの、通常、太陽電池の大面積の設置を必要とするほとんどの非濃縮太陽光発電システムのための、高コストのタンデム太陽電池は、組み込むことができません単接合太陽電池3。
近年、並列スペクトル分割光学系（ すなわち、分散素子）を利用して、並列スペクトル分割太陽光発電技術4により、類似またはより良好なスペクトル範囲と変換効率が高価タンデム型太陽電池を使用することなく達成できることになりました。太陽スペクトルの異なる帯域に分割することができ、それぞれのバンドが吸収され、特殊な単接合太陽電池によって電気に変換することができます。このように、CPVシステムで高価なタンデム型太陽電池は、単接合太陽電池の並列分布に置き換えることができますパフォーマンスに妥協することなく複数。
この報告書に設計された分散素子は、改善された太陽光電力変換効率およびコスト削減のための並列スペクトル分割を実現するために（ディッシュ反射に基づいて）反射CPVシステムに適用することができます。多層高コントラスト回折格子（HCG）5は、光バンドリフレクタとして機能するようにHCGの各層を設計することにより、分散素子として使用されます。分散素子の構造やパラメータが数値的に最適化されています。また、（TiO 2の）誘電スパッタリング、ナノインプリントリソグラフィ6と反応性イオンエッチングを使用して、分散素子のための高コントラスト回折格子の製造を検討し、実証されています。
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Protocol
1.ナノインプリントモールド用のブランクポリジメチルシロキサン（PDMS）基板を準備します
- シリコンウェーハ処理プロセス
- アセトン、メタノール、イソプロパノールですすぐことによって、4インチのシリコンウエハを清掃してください。
- それは窒素ガンを用いてブロー乾燥。
- 15分間の内部に浸漬することにより：（30％過酸化水素水と硫酸の1混合物3）ピラニア溶液を使用して清掃してください。
- DI水でそれを洗浄します。窒素ガンを用いたドライ吹きます。
- ガラスデシケーター中でウエハを配置します。デシケーター中に薬剤（トリクロロシラン）を放出するドロップ（20滴= 1ミリリットル）を追加します。
- ゲージは-762トルを読み取るまでデシケーターをポンプダウンし、5時間を待ちます。
- 離型剤で処理されたウェハアウトを取ります。
- PDMSフィルムの作製（ナノインプリントにおけるモールドとして使用されます）
- シリコーンエラストマーベース10gと硬化剤1gを秤量します。
- 同一のガラスビーカーにそれらを追加します。
- STI5分間、ガラス棒でrと混ぜます。
- ゲージはすべて捕捉された気泡を送り出すために-762トルを読み取るまで、真空デシケーターに混合物を入れてください。
- 処理した4インチのシリコンウェーハ上に均等に広げます。
- PDMS膜を硬化させるために80℃で7時間、真空オーブン中で上にPDMSを有するウェーハを焼きます。
2.ナノインプリントモールド（マスターモールドから複製）を準備
- 1,500rpmで30秒間清浄なブランクシリコンウェハ上に硬化性レジストをUVの12滴（20滴= 1ml）中（15.2％）をスピン。
- 慎重に処理されたシリコンウェハオフPDMS膜の一部を剥離。
- 硬化性レジストUV上にPDMSフィルムを入れて、それが紫外線を5分間耐えることをはがし吸収しましょう。
- 2回同じPDMS膜上に2.1〜2.3を繰り返します。それぞれ3分、1分間耐えるUVを吸収します。
- （3回の紫外線吸収に抵抗した後）は、シリコンマスターモールドにPDMSフィルムを配置します。
- 窒素環境と室内に入れて。
- 5分間のサンプルを硬化させるためにUVランプをオンにします。
- PDMSフィルムをはがし。 UV硬化PDMS上のレジストは、マスター型のネガパターンを維持します。
- PDMSモールドを治療するためのRF O 2プラズマを使用してください。 （RFパワー：30 W、圧力：260トール、時間：1分）
- 2時間離型剤の一滴（20滴= 1ml）で真空チャンバ内のPDMSモールドを配置します。
3.ナノインプリントパターン転写
- 3,500 rpmで50秒間、インプリントされる基板上にPMMA（996k、3.1％）、8滴（20滴= 1 ml）をスピン。
- 120℃で5分間、ホットプレート上で焼きます。
- 試料が冷却するのを待ちます。
- UV硬化性の8滴（20滴= 1 ml）を同一基板上にスピン（3.9％）をレジスト
- サンプル（UVの両方でレジストPMMA）上にPDMSモールド（ステップ2で調製）を配置します。
- 窒素環境と室内に入れて。
- 5分間硬化させるためにUVランプをオンにします。
- ピールサンプルオフPDMSモールドとPDMSモールド上のパターンを試料に転送されます。
4.クロムリフトオフプロセス
- UVの残留層を反応性イオンエッチングレジストおよびPMMA
注：ICPマシンのSOPはhttps://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdfで見つけることができます- RIE、ICPマシンにログインします。
- 空白の4インチのシリコンウェーハをロードします。 10分間きれいなレシピを実行します。
- ブランクシリコンウエハを取り出してください。
- 別の清浄なシリコンウェハ上にサンプルをマウントし、マシンにロードします。
- 2分間のエッチングレシピをレジストUVを実行します（レシピは、表1に見ることができます）。
- サンプルを取り出します。空白の4インチのシリコンウェーハをロードします。再実行しクリーンなレシピを10分間（ 表1を参照のこと）。
- 清浄なシリコンウェハ上にサンプルをマウントしますマシンにロードします。
- 2分間（ 表1に見ることができる）、PMMAのエッチングレシピを実行します。
注：ここでの残留がエッチングされたレジストを基板が露出しています。
- Crの電子ビーム蒸着
- 電子ビーム蒸発器にログインします。
- チャンバー内にCr金属源とサンプルをロードします。
- 厚さ（20 nm）を蒸着速度（0.03 nmの/秒）を設定します。
- 必要な真空（10 -7トル）が到達するまで、チャンバポンプ。
- 堆積プロセスを開始します。
- 成膜終了後の試料を取り出します。
- CRリフトオフ手順
- 5分間の超音波撹拌しながらアセトン中に試料を浸し。
- アセトン、メタノール、イソプロパノールでリンスすることにより、サンプルを清掃してください。
注：Crはレジストのリフトオフされ、基板エッチングのためのCrマスクを形成する上で蒸発させました。
5.のTiO 2発osition
- ロードサンプル。
- 直流マグネトロンスパッタリングマシンのパラメータを設定します
- 1.5ミリトールのチャンバ圧力、100sccmのアルゴンの流れと130 Wのスパッタ電力を使用して
- 27℃の温度および20回転数のステージ回転速度を使用してください。
- スパッタプロセスを開始し、所望の厚さで停止します。
- サンプルを取り出し、3時間300℃の酸素雰囲気中のTiO 2膜をアニール。
6.ハイコントラストグレーティングエッチング
- 誘導結合プラズマ（ICP）反応性イオンエッチング（RIE）マシンにログインします。
- TiO 2のエッチング
- ブランク4インチのシリコンウェーハをロードします。
- 10分間（ 表1に見ることができる）クリーンレシピを起動し、実行します。
- ブランクウエハをロードアンロードし、Crマスクでサンプルをロードします。
- エッチング時間を設定します。 TiO 2のエッチングレシピを開始します。エッチングプロセスが自動matically停止。
- サンプルをアンロードします。
- SiO 2のエッチング
- SiO 2のエッチングレシピを使用する以外は手順を繰り返し5.2。
7.反射率測定
- ログインして、測定システムの電源をオンにします。
- 試料ホルダーに、反射率標準ミラーを配置し、光路の位置を合わせます。
- 100％の反射率のためのシステムのキャリブレーション。
- 反射率標準ミラーを外し、HCGを配置します。
- HCGの反射率を測定します。
- データを保存し、測定システムからログアウトします。
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Representative Results
図1は、濃縮された太陽光発電システムにおける分散素子（回折格子多層高コントラスト（HCG））の実装を示しています。太陽の光は、第1の一次ミラーで反射され、ビームは反射し、異なる波長の異なる帯域に分割され、反射分散素子に入射されます。各バンドは電気への最高の吸収および変換のための太陽電池アレイ上の特定の場所に衝突します。このシステムの鍵は、HCGの複数の層で構成されている分散素子の設計と実装です。
図2は、分散素子の各層の数値最適化の結果を示しています。結果は、有限差分時間領域（FDTD）7基づく市販のシミュレーションソフトウェア「Lumerical」とさらに厳密結合波解析（RCWA）8によって検証することにより算出しました。屈折率TiO 2からSOPRA 9オンラインデータベースからのものでした。最適化された6層の分散素子は、太陽スペクトル全体10,11の上に90％以上の全反射を提供することができます。
実験HCGの広帯域反射率を実証するために、分散素子のHCG構造の6つの層の一つは、ナノインプリント加工を使用して製造されます。 図3に示すように、各格子ブロックは、二つの部分からなります。上部格子の材料は、TiO 2であり、副格子の材料は、溶融シリカれます。 2D HCGのピッチは453 nmです。各格子の線幅は220nmです。両方の上部とサブ格子の高さは340nmです。基板の材料は、サブ格子と同じです。
TiO 2を、直流マグネトロンスパッタ装置を用いてHP Labsの石英ガラス上に堆積させました。チャンバ圧力は、約100sccmのAr流量1.5ミリトールでした。スパッタパワー130 Wであったと速度/分4 nmでした。 TiO 2のフィルムの2つのバッチをそれぞれ異なる温度、27℃と270℃でスパッタリングしました。均一な膜堆積を確実にするために、基板ステージの回転は、スパッタリング中に（20 RPM）で作動させました。 TiO 2のフィルムの両方のバッチは、フィルム品質を改善するために、スパッタリング後3時間、300℃でアニールしました。堆積後、TiO 2のフィルムの両方のバッチは、走査型電子顕微鏡（SEM）（ 図4）を用いて調べました。のTiO 2膜の屈折率は、（ 図5）を測定しました。フィルムは、しかしながら、フィルムの粗さが非常に高く、また、 図4において観察することができる多孔質のより高いスパッタリング温度は、屈折率を増加させる可能性があったため、測定された屈折率は、標準的なデータベースより10％低かったです。屈折率とフィルム粗さとのバランス、SPUTたのTiO 2膜に到達するには27℃での結は、回折格子の材料として選択しました。
ナノインプリント製造のための主要な工程を模式的に図6に示されている。第一に、特定のパターンを有する型がUV硬化性では基板上のレジストに押し付けます。次にUV光をレジストに硬化するために適用されます。硬化後、モールドを基板から分離することができ、レジストの形状は、金型の正反対です。インプリントされたパターンをリフトオフし、最終的に基板にエッチング、残存レジスト預金金属をエッチングするためのマスクとして使用することができます。このように、金型の形状が基板に転写されます。
2D HCGを製造するために、金型は、干渉リソグラフィ12で作製した1D周期格子シリコンマスターから複製されます。その後、同じ型の2次元パターンホールアレイ（ 図7）に同一のシリコン基板上に直交する方向に二回インプリントするために使用されます。ハイブリッドナノインプリント<SUP> 13のプロセスは、高解像度と欠陥の少ない大面積のサンプルを作ることができます。インプリント結果（2Dホールアレイシリコンアレイ）は、図8に示されている。エッジの粗さがさらにエッジスムージング技術14を利用して低減することができます。
ナノインプリントパターニングおよびCrマスク配列が完了した後、ICP RIE装置は、試料をエッチングするために使用されます。二つの異なるエッチングレシピは、 表1に示される、それぞれシリカをTiO 2のために開発され、溶融させた。作製した構造は、 図9に示されています。
2D HCGの（垂直入射）からの反射率は、検出器の異なる種類の、通常の検出器及び積分球検出器を有する2つの異なる分光計を用いて測定しました。球統合検出器とは対照的に、通常の検出器は、受け入れの比較的小さな角度を有し、従って散乱Lを受信しませんIGHT。 図10に示すように、両方の検出器によって測定された反射率曲線の差は、光が構造体の凹凸に起因するHCGによって散乱されていることを示します。積分球測定とシミュレーションデータとの間の差は、材料および製造誤差の損失の主な原因です。反射率曲線は、製造されたデバイスは、分散素子内の1つの層としてバンド反射体として働くことができることを実証することができます。による回折格子と基板との間の屈折率の高いコントラストに、HCGは良い角度の独立性を有しています。入射角が15°未満である場合に反射率曲線は、あまり変化しません。
図1：濃縮された太陽光発電（CPV）システムにおける分散素子（マルチHCG）の実施。
図2：太陽スペクトルの大部分をカバーすることができる分散素子設計（HCG積み重ね6層）のための数値的に最適化された反射率曲線。
図3：ナノインプリント製造の実証のためのHCGの最適化構造。
図4：（a）は27°C、および（b）270℃でのスパッタのTiO 2膜のSEM像（断面図）。 拡大表示するにはここをクリックしてください。この図のバージョン。
図5：スパッタされたTiO 2膜の測定し、標準屈折（SOPRAデータベース）のインデックス。
図6：ナノインプリント製造プロセス この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図7：2Dホールアレイシリコンマスター（トップダウンビュー）のSEM像。
図8：PDMSベースのナノインプリントにより作製した2Dホールアレイシリコンマスターの写真。
図9：作製2D HCGのSEM像（断面図）。
図10：Oneシミュレートされた反射率曲線とそれぞれ球統合検出器と、通常の検出器を用いて測定された2つの反射率曲線。
図11：屈折率の（a）の効果HCGの反射率で、 （b）は HCGの反射率の側壁角の影響。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
| ICP電源 | 順方向電力 | SF 6の流れ | C 4 F 8フロー | O 2の流れ | 圧力 | エッチング速度 | |
| のTiO 2 | 0 W | 25 W | 25 SCCM | 10 SCCM | 10 SCCM | 10ミリトール | 43ナノメートル/分 |
| 石英ガラス | 0 W | 100 W | 0 SCCM | 15 SCCM | 15 SCCM | 10ミリトール | 20ナノメートル/分 |
| レジスト | 0 W | 25 W | 25 SCCM | 15 SCCM | 0 | 10ミリトール | 22ナノメートル/分 |
| PMMA | 0 W | 30 W | 0 | 0 | 30 SCCM | 2ミリトール | 55ナノメートル/分 |
| クリーン | 千W | 200 W | 0 | 0 | 50 SCCM | 50ミリトール | NA |
表1：TiO 2を、溶融シリカ、UVレジスト、PMMAとクリーン用エッチングレシピ。
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Discussion
まず、TiO 2の膜の品質は、HCGのパフォーマンスのために非常に重要です。 TiO 2のフィルムが少ない損失と表面粗さを有する場合、反射率ピークが高くなります。光学モードの閉じ込めがHCGで平坦で広い反射バンドを生じさせることができ指数の高いコントラストによって強化されるため、より高い屈折率を有するTiO 2の膜も良好です。
第二に、製造誤差はHCGに大きな影響を持つことになりますし、避けるべきです。製造に導入された粗さは、より多くの光が散乱されることになりますので、反射率が低くなります。線幅、高さ、ピッチなどのHCG製造のパラメータの偏差は、デバイスシミュレーションのように最適に動作することはできません。また、HCGの反射率が強く、側壁の角度、すなわち 、エッチングプロファイルに依存します。 図11、側壁角の影響でHCGの反射率のSは、数値的に計算されます。側壁角は84°、90°から減少するように側壁角度が小さい場合HCGがより円錐形の反射防止コーティングのように振る舞うので、平均反射率は、50％未満90％以上の低下します。
HCGの各層の反射率ができるだけ高くすべきであるので、分散素子の光効率は、CPVシステムの全体的な効率のために重要です。製作層用の光効率は約60％であるが、上記の説明に基づいて、より良いHCG反射率のためのいくつかの可能な改善があります。 TiO 2のスパッタリング条件は、より高い屈折率、より少ない表面粗さと低い光学的損失を有するフィルムを生成するために最適化することができます。ドライエッチングレシピは、さらに、（ガスの組み合わせを調整することによって達成することができる、ストレート格子C 4 Fを製造する、より良いエッチングプロファイルのために調整されるべきです8、SF 6とO 2）をエッチングし、再堆積プロセスのバランスをとります。ナノインプリントやリフトオフプロセスは、不必要な散乱は、全体的な光学効率を増大させるために減少させることができるように、粗さと加工誤差を回避するために、改善されるべきです。
異なるピッチで2次元HCGsの複数の層を積層することにより、分散ミラーは、はるかに広いスペクトルで動作することができます。ミラーは、異なる傾斜角度に続いて、すべてのHCG層をパッケージの方法で、波長に応じて異なる角度に反射的に直接光、することができます。また、分散ミラーは、大面積で、低コストで、ナノインプリントリソグラフィ（NIL）を用いて製造することができます。それは可能性を秘めている太陽エネルギー変換効率を向上させるために業界が広く受け入れられるようになる。また、本システムは、既存集光型太陽光発電（CPV）のセットアップと簡単に統合しています。
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Acknowledgments
この研究は、米国エネルギー省によって資金を供給エネルギーナノサイエンス、エネルギーフロンティア研究センターセンター、受賞番号DE-SC0001013下科学局の一部としてサポートされていました。また、TiO 2の膜スパッタリングおよび屈折率測定への彼らの助けのために博士マックス·チャンとHP研究所の博士建華ヤンに感謝したいと思います。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 184 Silcone elastomer kit | Sylgard | Polydimethylsiloxane (PDMS) | |
| 4 inch silicon wafer | Universitywafer | ||
| 4 inch fused silica wafer | Universitywafer | ||
| Poly(methyl methacrylate) | Sigma-Aldrich | 182265 | |
| UV-curable resist | Nor available on market | ||
| PlasmaLab System 100 | Oxford Instruments | ICP IRE machine | |
| UV curing system for nanoimprint fabrication | Not available on market | ||
| Ocean Optics HR-4000 | Ocean Optics | HR-4000 | Spectrometer with normal detector |
| Lambda 950 UV / VIS | PerkinElmer | spectrometer with hemisphere intergration detector | |
| JSM-7001F-LV | JEOL | Field emission SEM | |
| DC magnetron sputtering machine | Equipment is in HP labs, who helped us to sputter the TiO2 | ||
| Metal e-beam evaporator | Temescal | BJD-1800 |
References
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