अंतरण मुद्रण द्वारा हाइड्रोजनीकृत माइक्रोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में प्रकाश को फँसाने रजत Nanostructures की एकता
Summary
A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.
Abstract
One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (µc-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated µc-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.
Introduction
तकनीकी क्षेत्र की एक विस्तृत रेंज में कार्यात्मक nanostructures के आवेदन के लिए एक लंबे समय से चली आ रही मांग की गई है। इस प्रवृत्ति के लिए उम्मीदों में से एक सुधार या अभिनव प्रदर्शन के लिए अग्रणी डिवाइस आर्किटेक्चर के नए डिजाइन को खोलने के लिए है। सौर कोशिकाओं के क्षेत्र में, उदाहरण के लिए, धातु nanostructures के उपयोग के लिए सक्रिय रूप से, क्योंकि उनके पेचीदा ऑप्टिकल (यानी, plasmonic) गुण, प्रभावी प्रकाश को फँसाने सिस्टम के निर्माण के लिए एक संभावित लाभदायक का पता लगाया गया है। 2,3 दरअसल, कुछ सैद्धांतिक पढ़ाई 4 -6 ऐसे plasmonic प्रकाश को फँसाने सौर कोशिकाओं के साथ वांछित धातु nanostructures एकीकृत करने के लिए रणनीति विकसित करने, पारंपरिक रे प्रकाशिकी (बनावट) एक परिणाम के रूप में प्रकाश को फँसाने की सीमा। 7 आधारित से अधिक प्रभाव को प्राप्त कर सकता है कि सुझाव दिया है कि इन एहसास करने के क्रम में तेजी से महत्वपूर्ण बन गया है सैद्धांतिक भविष्यवाणियों।
रणनीतियों की एक संख्या हैइस चुनौती का सामना करने के लिए प्रस्तावित किया गया। 8-24 ये, उदाहरण के लिए, सरल (कम लागत) धातु फिल्मों 8,9 या पूर्व संश्लेषित नैनोकणों धातु के फैलाव के थर्मल annealing, के लिए 10,11, जो दोनों के के सफल प्रदर्शनों में हुई शामिल plasmonic प्रकाश को फँसाने। हालांकि, यह इन तरीकों द्वारा गढ़े धातु nanostructures आमतौर पर सैद्धांतिक मॉडल के लिए मैच के लिए चुनौती दे रहे हैं कि बाहर की ओर इशारा किया जाना चाहिए। इसके विपरीत, इस तरह के फोटोलिथोग्राफी और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के रूप में अर्धचालक उद्योगों में पारंपरिक नैनो तकनीक, 12,13 अच्छी तरह से उप-100 एनएम के स्तर से नीचे संरचनाओं नियंत्रित कर सकते हैं, लेकिन वे अक्सर बहुत महंगा है और कर रहे हैं सौर कोशिकाओं को लागू करने के लिए समय लेने वाली है, कम लागत के साथ जहां बड़े क्षेत्र की क्षमता के लिए आवश्यक है। कम लागत, उच्च throughput, और nanoscale controllability साथ बड़े क्षेत्र आवश्यकताओं, ऐसे nanoimprint लिथोग्राफी, 14-16 नरम लिथोग्राफी, 17,18 तरीके के रूप में पूरा करने के लिए </sup> Nanosphere लिथोग्राफी, 19-21 और छेद मुखौटा कोलाइडयन लिथोग्राफी 22-24 का वादा किया जाएगा। इन विकल्पों के अलावा, हम एक नरम पत्थर के छापे, उन्नत अंतरण मुद्रण तकनीक विकसित की है। 25 एक nanostructured पाली (dimethylsiloxane) (PDMS) टिकटों और ब्लॉक copolymer आधारित चिपकने परतों का उपयोग करना, आदेश दिया धातु nanostructures की आकृति आसानी से तकनीकी रूप से एक नंबर पर प्राप्त किया जा सकता है सौर कोशिकाओं के लिए लोगों सहित प्रासंगिक सामग्री,।
इस लेख का ध्यान सौर सेल संरचनाओं मौजूदा में प्रभावी प्रकाश को फँसाने plasmonic nanostructures शामिल करने के लिए हमारे हस्तांतरण मुद्रण दृष्टिकोण की विस्तृत प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए है। धातुओं और सौर कोशिकाओं के अन्य प्रकारों के इस दृष्टिकोण के साथ संगत कर रहे हैं, हालांकि सौर कोशिकाओं इस अध्ययन में चयन किया गया था (चित्रा 1), 26: एक ठोस मामले के रूप में, एजी nanodisks और पतली फिल्म माइक्रोक्रिस्टलाइन सी (एच μc-सी) हाइड्रोजनीकृत। साथ में इसकी प्रक्रिया के साथसादगी, दृष्टिकोण उपकरणों के साथ कार्यात्मक धातु nanostructures एकीकृत करने के लिए एक आसान उपकरण के रूप में विविध शोधकर्ताओं के लिए ब्याज की हो जाएगा।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस अनुच्छेद में, एक डबल स्तरित कठिन / नरम PDMS समग्र स्टाम्प माल के रूप में नियुक्त किया गया था। 27 इस संयोजन ठीक जिसका व्यास एक hexagonally करीब पैक दौर छेद सरणी था जो मिट्टी, में माता-पिता nanostructure को दोहराने के लिए…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) under Ministry of Economy, Trade, and Industry (METI), Japan, for the financial support.
Materials
| Nanohole mold | Scivax http://www.scivax.com |
FLH230/500-120 | |
| PTFE container | Eishin http://www.colbyeishin.com |
n/a | Custom made |
| Hard-PDMS materials | Gelest http://www.gelest.com/gelest/forms/Home/home.aspx |
VDT-731 | Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer |
| SIP6831.1 | Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex | ||
| HMS-301 | Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer | ||
| 2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane | Sigma-Aldrich http://www.sigmaaldrich.com |
396281 | Additive for hard-PDMS |
| Soft-PDMS materials | Dow Corning http://www.dowcorning.com |
Sylgard-184 | Silicone precursor |
| PS-b-P2VP | Polymer Source http://polymersource.com |
P5742-S2VP | Mn × 103 = 133-b-132 |
| Glass/SnO2:F substrates | Asahi Glass Co. Ltd. http://www.agc.com/english/company |
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. http://www.agcc.jp/2005/en/index.html |
5.7GZO | |
| Ag supputtering target | Mitsubishi Materials Co. http://www.mitsubishicarbide.com/mmc/en/index.html |
4NAg | |
| Double-sided adhesive tape | Nisshin EM Co. http://nisshin-em.co.jp/information/carbontape.html |
732 | |
| Polyimide tape | Dupont http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film.html |
Kapton 650S#25 | |
| Sn-Zn-based Solder | Kuroda Techno Co., Ltd. http://www.kuroda-techno.com/english/index.html |
Cerasolzer AL-200 | |
| Digital micro pipette | Nichiryo http://www.nichiryo.co.jp/en/product/pipette/ex/index.html |
00-NPX2-20 00-NPX2-200 00-NPX2-1000 |
|
| Heating chamber | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. http://www.eyelaworld.com/product_view.php?id=120 |
VOS-201SD | |
| Electron beam evaporator (two types) |
Canon-Anelva https://www.canon-anelva.co.jp/english/index.html |
n/a | Custom made |
| Arios http://arios.com/ |
n/a | Custom made | |
| Sputtering system | Ulvac http://www.ulvac.co.jp/en |
SBR-2306 | |
| PECVD system | Shimadzu Emit Co. Ltd. http://www.shimadzu.co.jp/emit/en/ |
SLCM-13 | |
| Ar plasma system | Diner Electric Gmbh http://www.plasma.de/index.html |
Femto | |
| RIE system | Samco Inc. http://www.samcointl.com |
RIE-10NR | |
| Ultrasonic soldering device | Colby-Eishin Enterprises, Inc. http://www.colbyeishin.com/sub_sunbonder.htm |
SUNBONDER | |
| EQE measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. http://www.bunkoukeiki.co.jp/ |
CEP-25BXS | |
| J-V characteristics measurement system | OTENTOSUN-5S-I/V | ||
| Amorphous Si reference cell | WPVS-NPB-S1 | For light intensity calibration | |
| Digital multi-meter | Keithley Instruments Inc. http://www.keithley.com/ |
2400 |
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