Introduction
Наша современное общество не выживет без перемещения значительную часть потребления энергии возобновляемых источников энергии. Для того, чтобы это произошло, мы должны найти способ, чтобы урожай возобновляемых источников энергии по стоимости ниже, чем на нефтяной основе источников энергии в ближайшем будущем. Солнечная энергия является наиболее распространенным возобновляемых источников энергии на Земле. Несмотря на то что много продвижений были сделаны в солнечной сбора энергии, это все еще очень сложно конкурировать с нефтяной основе источников энергии. Повышение эффективности солнечных батарей является одним из наиболее эффективных способов снизить стоимость системы сбора солнечной энергии.
Оптические линзы и отражатели блюдо, как правило, используется в наиболее концентрированной фотоэлектрических (КНД) системы 1, чтобы достичь высокой концентрации падения солнечной энергии на солнечных батареях малой площади, так что это экономически выгодно эксплуатировать дорого тандем мульти-распределительные солнечных батарей 2 в Системы КНД и поддерживать разумныйСтоимость в то же время. Тем не менее, для большинства не-концентрированных фотоэлектрических систем, которые, как правило, требуют большой площади взнос солнечных батарей, то высокой стоимости тандем солнечные элементы не могут быть включены, хотя они, как правило, имеют более широкий отклик солнечного спектра и более высокий общий КПД преобразования, чем одного перехода солнечные батареи 3.
В последнее время с помощью параллельных спектр расщепления оптики (т.е. дисперсионная элемента), параллельно спектр расщепления фотоэлектрических технологий 4 стало возможным, что аналогичные или лучше освещение спектра и эффективность преобразования может быть достигнуто без использования дорогой тандем солнечных батарей. Солнечный спектр может быть разделен на несколько полос, и каждая группа может быть поглощен и преобразуется в электроэнергию с помощью специализированных одного стыка солнечных батарей. Таким образом, дорогой тандемные солнечные элементы в КНД системы могут быть заменены параллельном расположении одного перехода солнечной батареис без компромисса по производительности.
Дисперсионные элемент, который был разработан в настоящем докладе могут быть применены в отражающей системе КПВ (который основан на блюдо отражатели), чтобы понять, параллельный расщепление спектра для повышения эффективности преобразования солнечной электроэнергии и снижение стоимости. Многослойные высокого контраста решетки (HCG) 5 используется в качестве диспергирующего элемента в проектировании каждый слой HCG работать в качестве оптического диапазона отражателя. Структуры и параметры дисперсионного элемента численно оптимизированы. Кроме того, изготовление решеток с высокой контрастностью для дисперсионного элемента с помощью диэлектрика (TiO 2) распыление, нанопечатная литография 6 и реактивное ионное травление изучается и продемонстрировал.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовьте пустой Полидиметилсилоксан (PDMS) Субстрат для наноимпринтинга Mold
- Процесс кремниевых пластин Лечение
- Очистить 4 дюйма кремниевой пластины промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
- Удар высохнуть, используя пистолет азота.
- Очистить его с помощью пираньи решение (3: 1 смеси серной кислоты с 30% перекиси водорода) путем замачивания в течение 15 мин.
- Промывать деионизированной водой. Сушить, используя пистолет азота.
- Поместите пластину в стеклянной эксикаторе. Добавить каплю (20 капель = 1 мл) разделительным составом (трихлорсилана) в эксикаторе.
- Откачка эксикаторе до манометр не читает -762 Торр и ждать в течение 5 часов.
- Возьмем пластины выход, который был обработан с разделительным составом.
- Подготовка PDMS фильм (Используется как плесень в наноимпринтинга)
- Взвешивают 10 г силиконового эластомера базы и 1 г отвердителя.
- Добавьте их в том же стеклянном стакане.
- StiR и смешать стеклянной палочкой в течение 5 мин.
- Положите смесь в вакуум-эксикаторе до манометр не читает -762 Торр откачивать все захваченные пузырьки воздуха.
- Распространение их равномерно на обрабатываемую 4-дюймовым кремниевой пластины.
- Выпекать пластины с PDMS на первое место в вакуумной печи в течение 7 ч при 80 ° С для отверждения пленки PDMS.
2. Подготовьте Почву наноимпринтинга (дублирование из Master Mold)
- Спин двенадцать капель (20 капель = 1 мл) УФ-отверждаемые противостоять (15,2%) на чистую пустой кремниевой пластины в течение 30 сек при 1500 оборотах в минуту.
- Тщательно очистите кусок PDMS пленку с обработанной кремниевой пластины.
- Положите пленку PDMS на УФ излечим противостоять, и пусть он поглощает УФ сопротивляться 5 мин, затем очистить его.
- Повторите 2.1-2.3 по одноименному фильму PDMS за два раза. Поглощенный УФ сопротивляться в течение 3 мин и 1 мин соответственно.
- Поместите фильм PDMS (после трехкратного УФ противостоять поглощению) на мастер-кремния плесени.
- Положите его в камеру с окружающей средой азота.
- Включите УФ-лампы для отверждения образца в течение 5 мин.
- Слезьте пленку PDMS. Отвержденный УФ сопротивление на PDMS будет поддерживать отрицательный образец мастер плесени.
- Использование РФ О 2 плазмы для лечения формы PDMS. (ВЧ-мощность: 30 Вт, рабочее давление: 260 мТорр, время: 1 мин)
- Поместите форму PDMS в вакуумной камере с одной капли (20 капель = 1 мл) освобождения агента в течение 2 ч.
3. наноимпринт шаблон передачи
- Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) ПММА (996k, 3,1%) на подложке будет запечатлен на 50 сек при 3500 оборотах в минуту.
- Испечь его на плите в течение 5 мин при 120 ° С.
- Подождите образец, чтобы остыть.
- Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) УФ излечим противостоять (3,9%) на той же подложке.
- Поместите форму PDMS (полученного на стадии 2) на образец (как с УФ противостоять и ПММА).
- Положите его в камеру с окружающей средой азота.
- Включите УФ-лампы для отверждения в течение 5 мин.
- Пил PDMS формы от образца и образец на форму PDMS будет передан в образце.
4. Cr Лифт-офф Процесс
- Реактивное ионное травление остаточный слой резиста и УФ PMMA
Примечание: СОП ПМС машины можно найти на https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Войти РИТ ПМС машины.
- Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Запустите чистую рецепт в течение 10 мин.
- Возьмите пустой кремниевой пластины из.
- Установите образец на другую чистую кремниевой пластины и загрузить его в машину.
- Запуск УФ сопротивление травления рецепт в течение 2 мин (рецепт можно найти в таблице 1).
- Возьмите образец из. Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Повторно начать процесс очистки рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
- Установите образец на чистую кремниевой пластиныи загрузить его в машину.
- Запуск травления рецепт ПММА (можно найти в таблице 1) в течение 2 мин.
Примечание: В настоящее время остаточный резист был травлению подложки и подвергается.
- Cr Е-лучевого испарения
- Вход в электронно-лучевой испаритель.
- Загрузите источник Cr металла и пробы в камеру.
- Установите толщину (20 нм) и скорость осаждения (0.03 нм / сек).
- Насос камеру до требуемого вакуума (10 -7 Торр) достигается.
- Начать процесс осаждения.
- Возьмите образец после отделки осаждения.
- CR отрыва Порядок
- Погрузить образец в ацетоне с ультразвуковым перемешиванием в течение 5 мин.
- Очистить образец промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
Примечание: Cr выпаривают на сопротивляются будут сняты с и маска для Cr подложки травлением формируется.
5. TiO 2 Вылетosition
- Загрузите образец.
- Установите параметры для постоянного тока магнетронного распыления машины
- Используйте давление в камере 1,5 мторр, Ar поток 100 SCCM и распыления мощностью 130 Вт
- Использование температуре 27 ° С и скорость вращения ступени 20 оборотов в минуту.
- Начать процесс распылением и остановиться на нужной толщины.
- Возьмем образец, и отжиг пленки TiO 2 в среде кислорода при 300 ° С в течение 3 ч.
6. Высокая контрастность Решетки травление
- Войти в индуктивно связанной плазме (ICP) реактивное ионное травление (РИТ) машины.
- TiO 2 травления
- Загрузите пустой 4-х дюймовых кремниевых пластин.
- Запуск и запустить чистую рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
- Выгрузка загрузить пустой пластины и загрузить образец с Cr маски.
- Установите время травления. Начните TiO 2 травления рецепт. Процесс травления воля автоавтоматическое выключение.
- Выгрузка образца.
- SiO 2 травление
- Повторите шаг 5.2 за исключением использования травления рецепт SiO 2.
7. Измерение отражения
- Войдите и включите систему измерения.
- Поместите отражения стандартного зеркала на держателе образца и выравнивания оптического пути.
- Калибровка системы для 100% отражения.
- Снимите стандартного зеркала отражения и поместите HCG.
- Измерьте коэффициент отражения HCG.
- Сохраните данные и выйдите из системы измерения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 1 показывает реализацию дисперсионного элемента (многослойная высокая контрастность решетки (HCG)) в концентрированной фотоэлектрической системы. Солнечный свет сначала отражается первичного зеркала и попадает на отражающий дисперсионного элемента, где луч отражается и расщепляется на разных диапазонах разных длинах волн. Каждая полоса будет падать на определенном месте на панели солнечных батарей для лучшего поглощения и преобразования в электроэнергию. Ключ к этой системе проектирование и внедрение диспергирующего элемента, который состоит из нескольких слоев HCG.
Рисунок 2 показывает численный результат оптимизации для каждого слоя в дисперсионного элемента. Результаты рассчитывали методом конечных разностей во временной области (FDTD) 7 на основе программного обеспечения коммерческой моделирование "Lumerical" и далее по утвержденной тщательного анализа связанных волн (RCWA) 8. Преломленияиз TiO 2 был в интернет-базе данных SOPRA 9. Оптимизированный шестислойный дисперсионного элемента может обеспечить полное отражение более чем на 90% в течение всего солнечного спектра 10,11.
Чтобы продемонстрировать широкополосного отражения HCG экспериментально, один из шести слоев в структуре дисперсионной элемент HCG изготавливается с использованием наноимпринтинга изготовление. Как показано на рисунке 3, каждый блок решетки состоит из двух частей. Материал верхней решетки является TiO 2 и материал суб решетки является плавленый кварц. Шаг в 2D ХГЧ 453 нм. Ширина линии каждого решетки 220 нм. Высота верхней и югу решетки 340 нм. Материал подложки так же, как суб решетки.
TiO 2 была нанесена на плавленого кварца в HP Labs с использованием постоянного тока магнетронного распыления машину. Давление в камере составило 1,5 мТорр с потоком аргона примерно 100 кубических сантиметров в минуту. Мощность распылениябыл 130 Вт и скорость была 4 нм / мин. Две партии TiO 2 пленки напылением при различных температурах, 27 ° C и 270 ° C соответственно. Чтобы обеспечить равномерное нанесение пленки, вращение стадии субстрат был включен (20 оборотов в минуту) во время распыления. Обе партии TiO 2 фильмов отжигали при 300 ° С в течение 3 ч после распыления для улучшения качества пленки. После осаждения, как партии TiO 2 фильмов были рассмотрены с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) (рисунок 4). Показатели преломления TiO 2 фильмов также были измерены (рисунок 5). Измеренные показатели преломления были на 10% ниже, чем стандартной базе данных, поскольку пленка была пористой, которые можно наблюдать на Фиг.4. Более высокая температура распыления может увеличить показатель преломления, однако шероховатость пленки была намного выше. Для достижения хорошего баланса между показателями преломления и шероховатости пленки, пленки TiO 2, который был тыр, введенных при 27 ° С была выбрана в качестве материала решетки.
Основные шаги для изготовления наноимпринт схематически показано на фиг.6. Во-первых, форму с определенным образцам прижимается УФ-отверждаемые противостоять на подложке. Затем УФ-свет применяется для лечения сопротивляться. После отверждения форма может быть отделена от подложки и форма сопротивления является полной противоположностью формы. Запечатлел модель может быть использована в качестве маски для травления остаточного сопротивления, депозит металл, поднимите и, наконец, травить в подложку. Таким образом, форма формы практически получает переданы в подложку.
Для изготовления 2D HCG, формы дублируется из 1D периодической решетки мастера кремния, который был изготовлен помех литографии 12. Затем тот же пресс-формы используют, чтобы отпечатать два раза в ортогональных направлениях на одной кремниевой подложке с узором массива 2D отверстие (рис 7). Гибридный наноимпринт <SUP> 13 процесс может сделать образцы большой площади с высоким разрешением и маленьких дефектов. В запечатленные результаты (2D кремния массив массив отверстий) показан на рисунке 8. Шероховатость краям может быть уменьшено с помощью краевых сглаживания технологий 14.
После наноимпринт рисунка и Cr маска массив завершена, машина ПМС РИТ используется для травления образца. Два различных рецептов травления были разработаны для TiO 2 и плавленого кварца, соответственно, что показано в таблице 1. Изготовленных структура показана на фиг.9.
Коэффициент отражения (от нормального падения) 2D-ХГЧ была измерена с помощью двух различных спектрометров с различными типами датчиков, нормального детектора и детектора интеграции сфера. В отличие от детектора интеграции сферы, нормальный детектор имеет относительно небольшой угол приема и, следовательно, не будут получать рассеянного лIGHT. Как показано на фиг.10, разница в кривых отражательной способности, двумя датчиками означает, что свет рассеивается в HCG из-за структуры неровностей. Разница между измерения интеграции сферы и данных моделирования, в основном, из-за потери материальных и производственных ошибок. Кривые отражения может продемонстрировать, что изготовлены устройство может работать как группы отражателя в один слой в дисперсионном элементе. В связи с высоким контрастом показателя между решеткой и подложки, ХГЧ имеет хороший угол независимость. Кривая отражения не изменится, когда угол падения меньше, чем 15 °.
Рисунок 1: реализация дисперсионного элемента (мультиплеер HCG) в концентрированной фотоэлектрических (КНД) системы.
Рисунок 2: Численно оптимизирован отражения кривые дисперсионного элемента дизайна (шестислойной сложены ХГЧ), который может покрыть большую часть солнечного спектра.
Рисунок 3: оптимизирован структура HCG для демонстрации наноимпринт изготовления.
Рисунок 4: Изображения SEM (поперечное сечение) распыленных TiO 2 фильмов на () 27 ° С и (б) 270 ° С. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы смотреть большеВерсия этой фигуры.
Рисунок 5: Измеренные и стандарт рефракционной (база данных SOPRA) индексы распыленных TiO 2 фильмов.
Рисунок 6:. Процесс изготовления наноимпринт Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7: СЭМ изображение 2D массив мастер отверстие кремния (вид сверху вниз).
Рисунок 8: фото 2D массива отверстий мастера кремния, изготовленного PDMS основе наноимпринтинга.
Рисунок 9: СЭМ-изображение (вид в разрезе), изготовленной из 2D HCG.
Рисунок 10: Один имитация кривой отражения и два измеренные кривые отражения с использованием детектора интеграции сфера и нормальное детектор соответственно.
Рисунок 11: (а) Эффект преломленияна ХГЧ отражения; (Б) Влияние угла боковой на ХГЧ отражения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| ПМС питания | Вперед питания | SF 6 Расход | C 4 F 8 Расход | О 2 потока | Давление | Скорость травления | |
| TiO 2 | 0 Вт | 25 Вт | 25 SCCM | 10 SCCM | 10 SCCм | 10 мторр | 43 нм / мин |
| Плавленый кварц | 0 Вт | 100 Вт | 0 СТД | 15 SCCM | 15 SCCM | 10 мторр | 20 нм / мин |
| Сопротивляться | 0 Вт | 25 Вт | 25 SCCM | 15 SCCM | 0 | 10 мторр | 22 нм / мин |
| ПММА | 0 Вт | 30 Вт | 0 | 0 | 30 SCCM | 2 мторр | 55 нм / мин |
| Чистый | 1000 Вт | 200 Вт | 0 | 0 | 50 SCCM | 50 мторр | Не Доступно |
Таблица 1: травление рецепты TiO 2, плавленый кварц, УФ сопротивляться, ПММА и чистый.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Во-первых, качество фильма TiO 2 очень важно для выполнения HCG. Пик отражения будет выше, если фильм TiO 2 имеет меньше потерь и шероховатость поверхности. Фильм TiO 2 с высоким показателем преломления также благоприятно, потому что режим удержания оптического будет повышена за счет более высокой контрастностью в индексе, который может привести к более пологой и широкий диапазон отражения в HCG.
Во-вторых, ошибки изготовления будет иметь значительные последствия для HCG и его следует избегать. Шероховатость введен в изготовлении вызовет больше света разбросаны, так что коэффициент отражения будет ниже. Отклонение параметров в HCG изготовления, включая ширины линии, высота и шаг не позволит устройству работать оптимально, как в моделировании. Кроме того, коэффициент отражения HCG сильно зависит от профиля травления, то есть угол боковой стенки. На рисунке 11, эффект углом боковиныс на отражения ХГЧ численно. В углы боковых стенок уменьшается от 90 ° до 84 °, в среднем отражения падает с 90% до менее чем 50%, потому что ХГЧ ведет себя как конусообразный антибликовым покрытием, когда угол боковой стенки мала.
Оптический КПД дисперсионного элемента имеет важное значение для общей эффективности системы КПВ, так отражательная способность каждого слоя HCG должна быть как можно выше. На основании вышеизложенного, в то время как оптическая эффективность для изготовленного слоя составляет примерно 60%, есть несколько возможных улучшений для лучшей отражательной HCG. Распыление состояние TiO 2 можно дополнительно оптимизировать, чтобы генерировать пленку с более высоким индексом, меньше шероховатости поверхности и нижней оптических потерь. Сухие рецепты травления должны быть уточнена для лучшего профиль травления, что делает решетки ровнее, которая может быть достигнута путем регулировки сочетания газов (C 4 F8, SF 6 и O 2), чтобы сбалансировать травление и повторно осаждения процесс. Процесс наноимпринт и отрыва должны быть улучшены, чтобы избежать грубости и изготовления ошибок, так что нет необходимости рассеяния может быть уменьшена, чтобы увеличить общую оптическую эффективность.
По укладки нескольких слоев двумерных HCGs на различной высоте, дисперсионные зеркало может работать в гораздо более широкий спектр. Зеркало может рефлекторно прямой свет в разных углах в соответствии с длинами волн, таким образом, упаковки все HCG слоев впоследствии в различных углов наклона. Кроме того, дисперсионные зеркала могут быть изготовлены с использованием нанопечатная литография (ноль) в большой области и при низкой стоимости. Кроме того, предлагаемая система имеет простой интеграции с существующими концентратор фотоэлектрической (CPV) установки, так что есть потенциал, чтобы быть принято широко в промышленности для улучшения солнечных эффективность преобразования энергии.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано в рамках Центра энергетической нанонауки, в научно-исследовательский центр пограничной энергии, финансируемого Министерством энергетики США, Управление по науке при Award Количество DE-SC0001013. Мы также хотим поблагодарить д-ра Макса Чжан Цзяньхуа и д-р Ян из HP Labs за помощь в TiO 2 фильма распыления и показателями преломления измерения.
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
- Horne, S., et al. A Solid 500 Sun Compound Concentrator PV Design. Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on. , 694-697 (2006).
- Guter, W., et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight. Applied Physics Letters. 94, 223504 (2009).
- Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).
- Green, M. A. Potential for low dimensional structures in photovoltaics. Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).
- Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. Physics of near-wavelength high contrast gratings. Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J.
- Namiki, T. A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).
- Moharam, M. G., Gaylord, T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).
- Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: http://www.sopra-sa.com/ (2015).
- Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Spectrum splitting using multi-layer dielectric meta-surfaces for efficient solar energy harvesting. Appl. Phys. A. 115, 713-719 (2014).
- Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication of high-contrast gratings for a parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system. Journal of Vacuum Science & Technology B. 32, 06FG04-06FG04-6 (2014).
- Solak, H. H., et al. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).
- Li, Z., et al. Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution. Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).
- Yu, Z., Chen, L., Wu, W., Ge, H., Chou, S. Y. Fabrication of nanoscale gratings with reduced line edge roughness using nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 21, 2089-2092 (2003).
