Introduction
Es hat eine langjährige Forderung für die Anwendung von funktionellen Nanostrukturen in einer breiten Palette von technologischen Bereich. Einer der Erwartungen für diesen Trend ist die neue Design der Gerätearchitekturen was zu einer verbesserten oder innovative Leistungen zu öffnen. Auf dem Gebiet der Solarzellen, zum Beispiel die Verwendung von Metall-Nanostrukturen wurde aktiv durch ihre faszinierende optische (dh Plasmonen) Eigenschaften 1 potenziell vorteilhaft für effektive Lichtfangsysteme konstruieren, erforscht. 2,3 Tat einige theoretische Studien 4 -6 haben vorgeschlagen, dass solche plasmonischer Lichteinfang könnte, die größer als die herkömmliche Strahlenoptik (Texturierung) -basierte Lichtgrenze Trapping. 7 Als Ergebnis zu erzielen, die Entwicklung von Strategien, um die gewünschte Metallnanostrukturen mit Solarzellen integriert zunehmend an Bedeutung, um diese zu realisieren theoretischen Vorhersagen.
Eine Reihe von Strategienvorgeschlagen worden, um dieser Herausforderung zu begegnen. 8-24 Dazu gehören beispielsweise einfache (Low-Cost) Tempern der Metallfolien 8,9 oder Dispersion vorsynthetisierten Metall-Nanopartikel, 10,11 die beide führten zu erfolgreichen Demonstrationen Plasmonen Lichteinfang. Es sollte jedoch darauf hin, dass die Metall-Nanostrukturen durch diese Ansätze hergestellt sind üblicherweise schwierig zu den theoretischen Modellen übereinstimmt hingewiesen. Demgegenüber sind die traditionellen nanofabrication Techniken in der Halbleiterindustrie, wie beispielsweise Fotolithographie und Elektronenstrahllithographie, 12,13 Strukturen können auch unter der Sub-100 nm-Ebene zu kontrollieren, sondern sie sind oft zu teuer und zeitaufwendig, um Solarzellen anwenden, denen ein großflächiger Fähigkeit mit niedrigen Kosten wesentlich. Um die kostengünstigen, mit hohem Durchsatz und Flächenbedarf mit nanoskaligen Steuerbarkeit Methoden wie Nanoimprintlithografie 14-16 Weichlithographie, 17,18 erfüllen 19-21 und Lochmaske kolloidale Lithographie 22-24 wäre vielversprechend. Unter diesen Entscheidungen haben wir einen weichen lithographischen, fortschrittliche Übertragungsdrucktechnik entwickelt. 25 Mit einer nanostrukturierten Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) Briefmarken und Blockcopolymer-basierten Haftschichten, könnte Musterung bestellt Metallnanostrukturen leicht auf eine Reihe von technologisch erreicht werden relevanten Materialien, einschließlich derjenigen für Solarzellen.
Der Schwerpunkt dieses Artikels ist es, die Einzelheiten des Verfahrens der Transferdruck Ansatz zu beschreiben, um wirksam Lichteinfang plasmonischer Nanostrukturen in bestehenden Solarzellenstrukturen zu integrieren. Als demonstrativen Fall Ag Nanoscheiben und Dünnschicht hydriertem mikrokristallinem Si (& mgr; c-Si: H) Solarzellen wurden in diese Studie ausgewählt (Abbildung 1), 26, obwohl auch andere Arten von Metallen und Solarzellen mit diesem Ansatz vereinbar sind. Zusammen mit seinen ProzessEinfachheit, würde der Ansatz von Interesse für diverse Forscher als ein praktisches Tool, um funktionelle Metallnanostrukturen mit Geräten zu integrieren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Herstellung von PDMS-Stempeln
- Legen Sie einen nanohole Form (nanoimprinted Cyclo Olefin-Polymer Kunststoff-Folie, Größe: 50 mm x 50 mm) in einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Container.
- Wiegen Vinylmethylsiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymer (0,76 g der 50 mm × 50 mm Form) in einem Einweg-Glasflasche und mischt sie mit der Pt-Divinyltetramethyldisiloxan-Komplex (6 & mgr; l unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) und 2,4, 6,8-tetramethyltetra-Vinylcyclotetrasiloxan (24 & mgr; l, unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze).
- In Methylhydrogensiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymer (0,24 ml, unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) in der Glasflasche und mischen Sie es schnell mit einem Einweg-Glaspipette. Nachdem die Oberfläche der Form in der PTFE-Behälter gesetzt wird durch N 2 geblasen wird, gießen Sie die resultierende Mischung ("harte" PDMS-Präpolymer) auf der Form und starten Spin-Manteling bei 1.000 UpM für 40 sec, die Schichtdicke von ~ 40 & mgr; m zu erzielen.
- Den Spin-beschichtete Probe in einem Heißkammer bei 65 ° C für 30 min kurz vernetzen die harten PDMS vorerhitzt.
- Während der Erwärmung, wiegen Silicon (6 g) und mischen Sie es mit dem Katalysator (0,6 g) in einem Einweg-Glasflasche. Legen Sie die Glasflasche in einem Vakuumexsikkator und gelten Vakuum (~ 133 Pa) für 15 Minuten, um die Luft in der Silikonmischung ("weiche" PDMS-Präpolymer) gefangen zu entfernen.
- Nehmen Sie die Form und weichen PDMS-Präpolymer aus der Wärmekammer und Vakuumtrockenschrank, bzw., und die weichen PDMS schnell gießen Prepolymer auf die erhitzte Form. Die Dicke der weichen PDMS-Schicht ist ~ 3 mm.
- Platzieren der resultierenden Probe im Vakuumexsikkator wieder zur weiteren Entgasung bei ~ 133 Pa mindestens 1 Stunde.
- Übertragen der entgasten Probe zur Heizkammer und Anheizen allmählich bis auf 80 ° C (Aufheizrate ~ 3 ° C / min). Halten Sie diese Temperatur für 5 Stundenzu vernetzen die harten und weichen PDMS vollständig.
- Nach dem Abkühlen der Probe bis auf RT, ziehen Sie die PDMS-Stempel vorsichtig aus der Form. Wiederverwendung der Form, um die zweite (oder mehr) Briefmarken vorzubereiten, falls erforderlich. Anmerkung: Die gleiche Form kann mindestens fünfmal ohne Abbau des Stempels Qualität eingesetzt werden.
- Schneiden Sie die resultierende nanopillar Tempel (doppelschichtigen hart / weich PDMS Composite) 27 in Stücke der gewünschten Größe (in der Regel 7 mm x 7 mm für unsere Solarzellen) mit einem Messer und bewahren Sie sie an der Luft bis zur Verwendung.
2. Herstellung von Blockcopolymer-Lösungen
- Wiegen Sie das Pulver aus Polystyrol- Block poly-2-vinylpyridin (PS- b -P2VP) in einer Glasflasche und mischen Sie es mit o-Xylol in einem Verhältnis von 3 mg / ml (PS- b -P2VP / o-Xylol) .
- Das Gemisch wird unter Verwendung eines PTFE-beschichteten Magnetrührstab bei 70 ° C für 1 Stunde.
- Halten Sie die resultierende Lösung für mehr als 24 Stunden bei Raumtemperatur, ohne AufsehenRings um die Bildung von selbstorganisierten Mizellen abzuschließen. Dicht verschließen Sie die Lösung und speichern Sie sie unter Umgebungsbedingungen. Anmerkung: Die Qualität der Lösung ist auch ein Jahr nach der Herstellung unverändert.
3. Herstellung von μ c-Si: H Substrate
- F (bezeichnen Glas / SnO 2: F, bezeichnet) Wash Gläser mit SnO 2 bedeckt mit H 2 O (500 ml), Reinigungsmittel (500 ml) und H 2 O (500 ml) unter Verwendung eines Ultraschallbades bei RT (15 min für jeden). Trocknen Sie sie durch Einblasen von N 2.
- Laden des gereinigten Glas / SnO 2: F Substrate in einem Substrathalter und Einlagen ZnO: Ga (20 nm) unter Verwendung eines Gleichstrom (DC) Sputter-System mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
- Laden der Glas / SnO 2: F / ZnO: Ga Substrate in einem anderen Substrathalter und Einlagen μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm), und n (40 nm) Schichten mit einem plasmaunterstützten chemischen vapor Abscheidung (PECVD) System mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
- Bewahren Sie die resultierende μ c-Si: H (Glas / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) Substrate unter Vakuum oder N 2, bis die Transferdruckschritt.
4. Ag-Beschichtung von PDMS Briefmarken
- Durch Einblasen von N 2 waschen die PDMS-Stempel (hergestellt in Schritt 1) mit EtOH (30 ml) mit einem Ultraschallbad 15 min und trocken.
- Laden die gereinigt PDMS-Stempel auf einem Probenhalter mit doppelseitigem Klebeband und Hinterlegung eines Ag-Films (10-80 nm) mit einem Elektronenstrahl (EB) Verdunstung mit folgenden Bedingungen: Abscheidungsrate = 5-10 Å / sec, Druck = ~ 1,5 × 10 -4 Pa.
- Nehmen Sie die Ag-beschichtete Briefmarken aus der EB-Verdampfungssystem und sofort nutzen sie in der folgenden Transferdruckschritt.
5. Transferdruck von Ag Nanoscheiben auf ThinFilm Si Oberflächen
- Nehmen das Dünnschicht Si-Substraten unter Vakuum oder N 2 und Schleuderbeschichtung mit dem PS- b -P2VP Lösung gelagert (0,3 ml für 50 mm × 50 mm Probe, unter Verwendung einer digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) bei 5.000 rpm für 40 sec.
- Befeuchten Sie die PS- b -P2VP beschichtete Oberfläche mit EtOH unter Verwendung eines digitalen Mikropipette (5 & mgr; m / Zellfläche) und wenden die Ag-beschichtete PDMS-Stempel sanft auf die EtOH-nassen Oberfläche. Drücken Sie nicht die Stempel.
- Legen Sie die Dünnschicht-Si-Substrat mit dem Stempel in einer Vakuumkammer und ein Vakuum (~ 133 Pa).
- Nach 5 min, füllen Sie die Vakuumkammer mit Luft und nehmen Sie die Dünnschicht-Si-Substrat.
- Entfernen Sie den Stempel aus der Dünnschicht-Si-Substrat durch Halten der beiden Seiten der Stempel mit einer Pinzette Ag Nanoscheiben-Druck übertragen. Hinweis: Falls erfolgreich, als grünlichen Fleck sichtbar, ist die Spur von Stempeln.
- Mit einem kontinuierlichen Fluss von Et spülen umgedruckte Dünnfilm Si-SubstratOH für 15 sec (~ 30 ml) und trockne durch Blasen N 2.
- Entfernen Sie den PS-b-P2VP Beschichtung unter Verwendung eines Ar-Plasmasystem.
- Setzen Sie den umgedruckt Dünnschicht-Si-Substrat in der Prozesskammer der Ar-Plasma-System.
- Pumpe aus der Luft in den Prozessraum für ca. 5 min (Druck ~ 20 Pa).
- Öffnen Sie das Ventil von einer Ar-Gasleitung und die Durchflussrate auf 4 sccm manuell einstellen. Warten für ~ 5 min, um den Druck auf 40 Pa zu stabilisieren.
- Generieren Ar-Plasma für 108 sec.
- Schließen Sie das Ventil des Ar-Gasleitung, das Pumpen zu stoppen, und füllen Sie Luft in die Prozesskammer, um so den Plasma gereinigt, umgedruckt Dünnschicht-Si-Substraten.
6. Fertigstellung des Dünnschicht-Si-Solarzellen Fabrication
- Befestigen Metallmasken zu der umgedruckte Dünnfilm Si-Substrate nach der Behandlung mit Argonplasma Polyimidfolien.
- Laden die maskierten Substrate in einem Substrathalter eines DC-Sputtersystems und Deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm) und ZnO: Ga (40 nm) aufeinanderfolgend mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
- Trennen der Metallmasken von den Substraten zu entfernen und die maskierten Dünnschicht Si-Schichten (dh der Bereich, in dem ZnO: Ga und Ag wurden nicht hinterlegt) unter Verwendung eines reaktiven Ionenätzens (RIE) -System.
- Die Proben werden in der Prozesskammer des RIE-System.
- Auspumpen der Luft in der Behandlungskammer unter Befolgung der Herstelleranweisungen.
- Stellen Sie die Prozessbedingungen wie folgt nach den Anweisungen des Herstellers: SF 6 / O 2 Durchflussrate = 100/20 sccm, Druck = 20 Pa, Leistung 100 W, Zeit = 1 min 20 sec.
- Öffnen die SF 6 und O 2 Gasleitungen Stabilisierung des Drucks und erzeugen Plasma.
- Schließen Sie das Ventil der SF 6 und O 2 Gasleitung, das Pumpen zu stoppen, und füllen N 2 in die Prozesskammer, um so den Proben.
- Lege dasProben in einem Vakuum-Glühkammer und starten Erhitzen allmählich bis zu 175 ° C unter Vakuum (~ 133 Pa). Halten Sie diese Temperatur für 2 Stunden, und lassen auf RT abkühlen. Füllen Sie Luft in der Kammer und nehmen Sie Proben, die Zellen können nun aufgerufen werden.
- Lötmittel Sn-Zn-basierte Legierung, die auf der transparenten Vorderelektrode (Glas / SnO 2: F / ZnO: Ga, der belichtete Teil durch das RIE-Behandlung) unter Verwendung einer Ultraschall-Lötvorrichtung.
7. Messung der externe Quanteneffizienz (EQE)
- Bringen Sie einen Lichtschutzmaske zu einer fabrizierten Zelle unter Verwendung von Polyimid-Band und den maskierten Zelle in einem Zellenhalter. Verbinden Sonden zur Vorderseite gelötet Elektrode (+) und zurück Ag / ZnO: Ga-Elektrode (-).
- Messen EQE-Spektren unter Verwendung eines EEP-Messsystem den Anleitungen des Herstellers mit einem Wellenlängenbereich und der 300-1,100 nm und 5 nm.
8. Messung der Photovoltaik-Strom-Spannungs- (JV) Zeichenschaften
- Kalibrieren der Lichtstärke einer JV Kennzahlmesssystem unter Verwendung eines amorphen Si-Referenzzelle.
- Stellen Sie die amorphe Si-Referenzzelle auf einen Zellenhalter des JV Eigenschaften Messsystem und beleuchten das Licht.
- Lesen Sie das Licht erzeugten Strom unter Verwendung eines digitalen Multimeter in der JV Eigenschaften Messsystem ausgestattet. Passen Sie die Lichtintensität, bis das Licht erzeugten Strom zeigt den richtigen Wert für die Referenzzelle (8,34 mA / cm 2).
- Bringen Sie einen Lichtschutzmaske in eine Zelle und stellen Sie die maskierte Zelle in einem Zellenhalter. Verbinden Sonden zur Vorderseite gelötet Elektrode (+) und zurück Ag / ZnO: Ga-Elektrode (-).
- Beleuchten die kalibriert Licht (100 mW / cm 2, 1 Sonnen) auf der Zelle zu messen und durch Licht erzeugten Ströme mit dem JV Eigenschaften Messsystem nach Herstellerangaben mit einer Spannung von 0,02 V. Schritt
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Abbildung 2 wird das allgemeine Verfahren zur Umdrucken Ag Nanoscheiben auf der Oberfläche des & mgr; c-Si: H (n-Schicht). Kurz gesagt, ein Ag-Film (Dicke: 10-80 nm) wird zuerst auf der Oberfläche eines PDMS-Stempels nanopillar durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden. Parallel dazu wird eine PS- b -P2VP Lösung auf die Oberfläche einer frisch hergestellten uc-Si aufgeschleudert: H n-Schicht. Anschließend wird ein Tropfen der EtOH auf der PS- b -P2VP beschichtete Oberfläche gelegt und die Ag-abgeschieden PDMS-Stempel ist auf der EtOH-naß PS- b -P2VP Oberfläche platziert. Kein Drücken notwendig ist, um den Stempel, da ein inniger Kontakt zwischen dem Stempel und dem Substrat bildet spontan aufgrund der Oberflächenspannung aus dem Verdampfen des EtOH abgeleitet. Nachdem das EtOH wird abgedampft entfernt (unter Verwendung einer Vakuum) wird der Stempel vom Substrat freigegeben wird, um die Übertragung der Ag auf dem erhöhten Bereich des nanopillar PDMS-Stempels abgeschieden abzuschließen. Schließlich ist einAr Plasmabehandlung wird durchgeführt, um die PS-b -P2VP Beschichtung zu entfernen.
Gezeigt in Figur 3 sind rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen der resultierenden Ag nanodisk Array auf (in) uc-Si: h. Flächen (Zellen) 26 3A und 3B sind die oberen und gekippt Ansichten eines gleichen Probe. Der quadratische Mittelwert Rauhigkeit (R rms) des zugrunde liegenden mgr; c-Si: H-Oberfläche betrug 6,6 nm; dennoch fast vollständige Übertragung des Ag Nanoscheiben, deren Durchmesser, Mitte-zu-Mitte-Abstand und die Dicke der Ag-Nanoscheiben waren 200, 460 und 40 nm, erreicht. 3C ist die Schnittansicht von eine abgeschlossene uc-Si: H-Zellenstruktur, dh nach dem Aufbringen (Sputtern) des ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga-Schichten auf der Oberseite der in 3A und 3B gezeigt Ag nanodisk Array. Der eingebettete Ag Nanoscheiben direkt auf dem photovoltaischen uc-Si: H
Die EQE Spektren der hergestellten Zellen sind in 4 gezeigt Vergleich zu einer Referenzzelle 26 (a uc-Si: H-Zelle gleichzeitig mit Überspringen der Transferdruckverfahren hergestellt)., Die EQE Spektrum des Ag nanodisk (Dicke: 40 nm) eingebaut Zelle zeigten höhere Signale im langen Wellenlängenbereich (650-1,100 nm). Solche Wellenlängen-selektiven Verbesserungs eindeutig die bevorzugte Wirkung der plasmonically aktiven Ag Nanoscheiben für die Solarzelle; nämlich plasmonischer Lichteinfang. Quantifizierung des Grads der Lichtfallen in der in Figur 3 beobachtet 650-1,100 nm-Bereich wurde durch Summieren der EQE-Werte jeder Zelle und aus dem Verhältnis davon (Ag-nanodisk eingebaut Zelle / Referenzzelle) durchgeführt. Der Wert betrug 1,60; daher wurde 60% EEP Erhöhung durch die Ag nanodisk vermittelte plasmonischer Lichteinfang erreicht.
ent "> Tabelle 1 fasst die photovoltaischen Eigenschaften der Ag nanodisk-integriert und Referenzzellen. 26. Es wurde bestätigt, wie erwartet, daß der Kurzschlußstromdichte (J sc) der Ag nanodisk-einge Zelle erhöht derjenigen gegen die Referenzzelle (11,4 bis 12,4 mA / cm 2) wegen der oben beschrieben ist. Wie für die Leerlaufspannung (V oc) EQE Verbesserung und des Füllfaktors (FF), die der beiden Zellen waren fast die gleichen (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Als Folge wird die Lichtwandlungseffizienz (η) der Ag-nanodisk eingebaut Zelle verbessert (4,5% bis 5,0%).
Abbildung 1 schematischen Querschnitt eines Ag-nanodisk eingebaut mgr; c-Si:. H-Solarzelle Die Ag-Nanoscheiben findet an der Rückseite des & mgr; c-Si: H-Solarzelle.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Allgemeines Verfahren für die Transferdruck von Ag Nanoscheiben. Die Ag-beschichtete nanopillar PDMS-Stempel wird auf das PS- b -P2VP beschichtete Dünnschicht Si-Substrat, dessen Oberfläche nass mit EtOH angewendet. Ar-Plasmabehandlung angewendet wird, um die PS-b-P2VP Beschichtung zu entfernen und die Dünnfilm-Si-Schicht freizulegen. Nach diesem Prozess ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga Schichten müssen auf der Oberseite der umgedruckt Ag Nanoscheiben, die in Abbildung 1 dargestellt gesamte Solarzellenstruktur vervollständigen hinterlegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
Abbildung 3. REM-Aufnahmen von umgedruckt Ag Nanoscheiben (Durchmesser = 200 nm, Dicke = 40 nm) (A) Draufsicht auf umgedruckt Ag Nanoscheiben auf einem pc-Si:. H Oberfläche. (B) geneigt Ansicht umgedruckt Ag Nanoscheiben auf einem uc-Si: H-Oberfläche. (C) Querschnitt von umgedruckt Ag Nanoscheiben (Größe: 200 nm) in einer & mgr; c-Si eingebettet:. H Zelle 26 Urheberrecht 2014 Die Japan Society of Applied Physics. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
Abbildung 4. EQE Spectra aus uc-Si:. H-Zellen (blaue Linie) Ag nanodisk (ND) -incorporated Zelle. (Rot gestrichelte Linie)Referenzzelle. 26 Verbesserte Reaktionen wurden mit der blauen Linie aufgrund der Ag ND-vermittelte Lichteinfang beobachtet. Diese Zahl hat sich von Ref modifiziert. 26 Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Tabelle 1. Zusammenfassung der Photovoltaic JV Merkmale des uc-Si: H-Zellen.
| Zelltyp | J sc (mA / cm 2) | V oc (V) | FF | Η (%) |
| Ag nanodisk-integriert | 12.4 | 0,526 | 0,764 | 5 |
| Nachschlagewerke | 11.4 | 0,521 | 0,763 | 4.5 |
Tabelle 2. Ablagerungsbedingungen.
| Schritte | Abscheidungssystem | Materialien | Bedingungen |
| 3.2 | Sputtern | ZnO: Ga | Ar Fließgeschwindigkeit = 200 sccm, Druck = 0.133 Pa, Gleichstromleistung = 200 W, Probenrotation = 10 Umdrehungen pro Minute, Abscheidungsrate = ~ 3,3 Å / s. |
| 3.3 | CVD | uc-Si: H p | Flussrate von SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm Substrattemperatur = 140 ° C, Druck = 1,5 Torr, Radiofrequenz (RF) Leistungsdichte = 80 mW / cm 2, Ablagerungszeit = 5 min 45 sec (Rate = ~ 0,3 Å / s). |
| uc-Si: H i | Flussrate von SiH 4 / H 2 = 10,5 / 380 sccm Substrattemperatur = 180 ° C, Druck = 200 Pa, RF-Leistungsdichte = 40 mW / cm 2, Ablagerungszeit = 1 Stunde 2 min (rate = ~ 1,3 Å / sec). | ||
| uc-Si: H n | Durchflussrate von SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 sccm Substrattemperatur = 195 ° C, Druck = 40 Pa, HF-Leistungsdichte = 80 mW / cm 2, Ablagerungszeit = 23 min (Geschwindigkeit = ~ 0,3 Å / sec). | ||
| 6.2 | Sputtern | ZnO: Ga | Ar-Strom = 200 sccm, Druck = 0.133 Pa, Gleichstromleistung = 200 W, Probenrotation = 10 Umdrehungen pro Minute, Abscheidungsrate = ~ 3,3 Å / s. |
| Ag | ; "> Ar-Strom = 200 sccm, Druck = 0.133 Pa, Gleichstromleistung = 100 W, Probenrotation = 10 Umdrehungen pro Minute, Abscheidungsrate = ~ 6 Å / s.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In diesem Artikel wurde eine doppellagige hart / weich PDMS Verbund als Stempelmaterialien eingesetzt. 27 Diese Verbindung wurde festgestellt, wesentlich zu sein, um das übergeordnete Nanostruktur in der Form, die eine hexagonal dicht gepackten Rundlochanordnung, deren Durchmesser gerade replizieren von 230 nm, Tiefe von 500 nm, und das Loch Mitte-zu-Mitte-Abstand von 460 nm. Wenn nur weichen PDMS verwendet wurde, die Marke immer in einem schlecht nanostrukturierte Oberfläche führte (beispielsweise keine scharfe Kante in der invertierten Säulenstruktur) aufgrund der niedrigen Elastizitätsmodul; 28 daher, Transferdruck von Ag-Nanoscheiben war nie erreichbar.
Die Verwendung von Spin-beschichtet Blockcopolymer (PS- b -P2VP) Dünnfilme als verbindlich Schichten ist ein weiterer Schlüssel für erfolgreiche Transferdruck auf der uc-Si: H-Oberflächen, die nicht glatt (R eff = ~ 6,6 nm). Obwohl das Transferdruck von Metallkonstruktionen wurde ursprünglich unter Verwendung von kleinen organischen Molekülen whi entwickeltch bildet selbstorganisierte Monoschichten (SAMs) auf Oberflächen, 29 gefunden, daß die Verwendung von SAMs (3-Mercaptopropyltrimethoxysilan) nicht für die (leicht) texturierte uc-Si arbeiten: H Oberflächen. Darüber hinaus ist die Bildung von SAMs mit guter Qualität erfordert Zeit (~ ein paar Stunden), während unser Prozess erfordert weniger als 1 Minute (40 Sekunden durch Schleuderbeschichtung). Dieser Punkt könnte wichtig für die Materialien, die schnelle Operationen müssen ungünstige Oberflächen Veranstaltungen, wie die Bildung von überschüssigen Oxide oder Verunreinigungen zu vermeiden.
Die Rollen von EtOH in Transferdruck sollte auch betont werden. Die erste Rolle ist, wie bereits beschrieben, um die Bildung des innigen Kontakts zwischen dem Stempel und der Zieloberfläche unter Verwendung der Oberflächenspannung nach dem Verdampfen zu unterstützen. Die zweite Rolle besteht darin, die PS- b -P2VP dünnen Film, der die Erfassung von Metallen (Ag) auf PDMS-Stempel durch die Bildung von Metall-Pyridin-Koordinationsbindungen sichergestellt, rekonstruieren. 25. Wir glauben, dass such dynamischen Veranstaltung im Tempel / Substrat-Schnittstelle ist für den Transferdruck vor allem auf strukturierten Oberflächen.
Wenn der Transferdruck durch obigen Vorgang nicht erfolgreich war, war der Grund meist in Marken eingesetzt. Da konformen Kontakt zwischen einem Stempel und einem Substrat kritisch ist, ist die Flachheit der Stempeloberfläche sehr wichtig. Die Ebenheit wird durch den Status einer ursprünglichen Form bestimmt; Deshalb, sobald Transferdruck ausfällt, würde die Zeit zum Ändern der Form sein. Nach unserer Erfahrung ist die Anzahl, wie oft eine Form kann wieder verwendet werden fünf, jedoch wäre es durch eine geeignete Reinigung und Lagerung der Form erhöht werden. Ebenheit eines Stempel würde auch einen erheblichen Einfluss auf den Bereich, gleichförmig umgedruckt sein kann. In dieser Hinsicht haben wir eine 20 mm × 20 mm-Skala Strukturierung mit einem Stempel aus einer frischen Form hergestellt demonstriert. 25
Wie für den Musterentwurf der Form / Stempel,Rundloch / Säulenstrukturen mit einem Durchmesser von 230/200 nm verwendet wurden (der kleinere Durchmesser der Säule ist durch die sich verjüngende Form des ursprünglichen Loch). Diese Wahl war einfach, weil eine solche Form (nanoimprinted Kunststoffolie) kommerziell erhältlich war, und es war nicht der insbesondere für unser Solarzellenanwendung hergestellt. Dies wiederum bedeutet, dass es viel Platz für Musterentwürfe, die zu viel überlegene Fähigkeit Lichteinfang führen würde, verglichen mit dem hier gezeigten Ergebnis. In dieser Hinsicht würde die Verwendung von optischen Simulation hilfreich sein, um eine bessere Mustern suchen. Obwohl die Herstellung der eigentlichen Formen (wahrscheinlich durch Elektronenstrahllithographie) kann teuer, einmal hergestellt ist, können die entsprechenden Stempeln so oft wie nötig wiederholt werden. Somit kann die Gesamtprozesskosten signifikant unterdrückt werden, was den großen Vorteil, Transferdruck Ansätze ist.
In Bezug auf die Metalle Transfer druckbare durch das Verfahren beschrieben, ihree, Au, Cu und Ni wurden bestätigt anwendbar. Es sollte erwähnt werden, dass keines dieser Metalle bereitgestellt bessere Lichteinschlusseffekte im Vergleich zum Fall des Ag. Ein weiterer Metall getestet wurde Al, der als guter Kandidat für Plasmonen Anwendungen Lichteinfang. 30. Es wurde festgestellt betrachtet wird, ist jedoch, dass Transferdruck von Al erfolgreich ist, möglicherweise aufgrund der starken Affinität mit PDMS. Daher Modifikationen PDMS Flächen 31 kann erforderlich sein, Transferdruck durch Reduzierung der Wechselwirkung zwischen PDMS erleichtern und Al abgeschieden.
Ausgenommen uc-Si: h. Das Verfahren kann mit einer Vielzahl von Materialien, einschließlich sehr grobe (strukturierte) Oberfläche (R eff ≥ 20 nm) 25 In der Tat haben wir bereits die Möglichkeit einer synergistischen Texturierung adressiert / plasmon- verwendet werden vermittelte Lichteinfang durch Herstellen von Zellen, die mit Strukturglas / SnO 2:. F Substrate 17 Zusätzlich wird eine ähnliche Lichtfallen effeCT wurde unter Verwendung von hydriertem amorphem Si Zellen dokumentiert. 32 Andere technologisch wichtigen Materialien wie kristalline Si, GaAs, InP, und Metalloxide sind ebenfalls kompatibel mit dem Verfahren, und damit die weitere Geräteanwendungen (nicht nur für Solarzellen) wäre erwartet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nanohole mold | Scivax | FLH230/500-120 | |
| PTFE container | Eishin | n/a | Custom made |
| Hard-PDMS materials | |||
| Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | VDT-731 | |
| Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex | Gelest | SIP6831.1 | |
| Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | HMS-301 | |
| 2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane | Sigma-Aldrich | 396281 | Additive for hard-PDMS |
| Soft-PDMS materials | Dow Corning | Sylgard-184 | Silicone precursor |
| PS-b-P2VP | Polymer Source | P5742-S2VP | Mn × 103 = 133-b-132 |
| Glass/SnO2:F substrates | Asahi Glass Co. Ltd. | Type VU | Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces |
| Detergent | Fruuchi Chemical Co. http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm |
Semico-clean 56 | Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates |
| ZnO:Ga supputtering target | AGC Ceramics Co. Ltd. | 5.7GZO | |
| Ag supputtering target | Mitsubishi Materials Co. | 4NAg | |
| Double-sided adhesive tape | Nisshin EM Co. | 732 | |
| Polyimide tape | Dupont | Kapton 650S#25 | |
| Sn-Zn-based Solder | Kuroda Techno Co., Ltd. | Cerasolzer AL-200 | |
| Digital micro pipette | Nichiryo | 00-NPX2-20 00-NPX2-200 00-NPX2-1000 |
|
| Heating chamber | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | VOS-201SD | |
| Electron beam evaporator | Canon-Anelva | n/a | Custom made |
| Electron beam evaporator | Arios | n/a | Custom made |
| Sputtering system | Ulvac | SBR-2306 | |
| PECVD system | Shimadzu Emit Co. Ltd. | SLCM-13 | |
| Ar plasma system | Diner Electric Gmbh | Femto | |
| RIE system | Samco Inc. | RIE-10NR | |
| Ultrasonic soldering device | Colby-Eishin Enterprises, Inc. | SUNBONDER | |
| EQE measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | CEP-25BXS | |
| J-V characteristics measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | OTENTOSUN-5S-I/V | |
| Amorphous Si reference cell | Bunkoukeiki Co. Ltd. | WPVS-NPB-S1 | For light intensity calibration |
| Digital multi-meter | Keithley Instruments Inc. | 2400 | |
References
- Murray, W. A., Barns, W. L.
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
- Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
- Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
- Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
- Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
- Yablonovitch, E.
- Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
- Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
- Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
- Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
- Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
- Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
- Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J.
- Na, S. -I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
- Xia, Y., Whitesides, G. M.
- Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
- Hsu, C. -M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
- Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
- Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
- Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
- Fredriksson, H., et al.
- Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
- Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
- Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
- Loo, Y. -L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
- Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
- Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).
