집중 태양 광 발전 시스템의 스펙트럼 분할 흩어 요소에 대한 고 대비 격자의 제작
Summary
The fabrication of high contrast gratings as the parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system is demonstrated. Fabrication processes including nanoimprint lithography, TiO2 sputtering and reactive ion etching are described. Reflectance measurement results are used to characterize the optical performance.
Abstract
High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve the solar conversion efficiency of a concentrated photovoltaic system. The proposed system will also lower the solar cell cost in the concentrated photovoltaic system by replacing the expensive tandem solar cells with the cost-effective single junction solar cells. The structures and the parameters of high contrast gratings for the dispersive elements were numerically optimized. The large-area fabrication of high contrast gratings was experimentally demonstrated using nanoimprint lithography and dry etching. The quality of grating material and the performance of the fabricated device were both experimentally characterized. By analyzing the measurement results, the possible side effects from the fabrication processes are discussed and several methods that have the potential to improve the fabrication processes are proposed, which can help to increase the optical efficiency of the fabricated devices.
Introduction
현대 사회는 재생 가능한 에너지 원으로 에너지 소비의 상당 부분을 움직이지 않고 생존 할 것이다. 이 일어날 수 있도록하기 위해, 우리는 가까운 미래에 석유 기반 에너지 원보다 낮은 비용으로 신 재생 에너지를 수확 할 수있는 방법을 찾을 수있다. 태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 신 재생 에너지입니다. 진행됨 많은 태양 에너지를 수확하여 이루어진 것을에도 불구하고, 석유 계 에너지 원과 경쟁 여전히 매우 도전적이다. 태양 전지의 효율을 개선하는 것은 태양 에너지 수확의 시스템 비용을 절감 할 수있는 가장 효율적인 방법 중 하나이다.
그것이 고가 탠덤 다중 접합 태양 전지 (2)을 악용 경제성하므로 광학 렌즈 및 접시 반사기는 일반적으로, 작은 면적의 태양 전지에 태양 광이 입사 높은 농도를 달성하기 위해 가장 집중된 광 (CPV) 시스템 (1)에 사용되는 CPV 시스템 및 합리적인 유지동시에 비용. 그들은 일반적으로 더 넓은 태양 스펙트럼 응답 및보다 전반적으로 높은 변환 효율을 갖지만 그러나, 통상 태양 전지의 대 면적 분할을 필요로 가장 비 농축 광전지 시스템의 경우, 고가의 탠덤 태양 전지는, 혼입 될 수 없다 단일 접합 태양 전지 3.
최근 평행 스펙트럼 분할 광학계의 도움 (즉 분산 요소)와, 병렬 스펙트럼 분할 광전지 기술 4 만들었다 그것을 가능한 유사하거나 더 나은 스펙트럼 범위와 변환 효율이 고가의 탠덤 태양 전지를 사용하지 않고 달성 될 수있다. 다른 태양 스펙트럼 대역으로 분할 될 수 있고, 각 대역은 흡수되고 특화된 단일 접합 태양 전지에 의해 전기로 전환시킬 수있다. 이러한 방식으로, CPV 시스템의 비싼 탠덤 태양 전지는 단일 접합 태양 전지의 병렬 분포로 대체 될 수있다성능에 타협하지 않고들.
이 보고서에서 설계된 분산 요소는 개선 된 태양 광 전기 변환 효율 및 비용 절감을위한 병렬 스펙트럼 분리를 실현할 (접시 반사기에 기초하는) 반사 CPV 시스템에 적용될 수있다. 적층 높은 콘트라스트 격자 (HCG)도 5는 광 대역 반사기로 일 HCG의 각 계층을 설계함으로써 분산 요소로서 사용된다. 구조와 분산 요소의 매개 변수가 수치 적으로 최적화되어 있습니다. 또한, 유전체를 사용하여 분산 요소에 대한 높은 콘트라스트 격자의 제작 (이산화 티탄), 스퍼터링, 나노 임프린트 리소그래피 (6) 및 반응성 이온 에칭이 연구되고 설명된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우선, 이산화 티탄 막의 품질 HCG 성능에 매우 중요하다. 이산화 티탄 막은 적은 손실 및 표면 거칠기를 갖는 경우, 반사율 피크는 높을 것이다. 광학 모드가 한정 HCG의 평탄한 야기하고 넓은 반사 밴드를 제공 할 수있는 인덱스 높은 콘트라스트에 의해 향상되기 때문에 더 높은 굴절률과 이산화 티탄 막도 바람직하다.
둘째로, 제조 오차 HCG에 상당한 ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 에너지 나노, 수상 번호 DE-SC0001013에서 에너지, 과학의 사무실의 미 교육부에 의해 투자 에너지 프론티어 연구 센터의 센터의 한 부분으로 지원되었다. 우리는 또한 이산화 티탄 박막 스퍼터링 및 굴절률 측정에 그들의 도움 박사 최대 장과 HP 연구소의 박사 지안 후아 양 감사드립니다.
Materials
| 184 SILICONE 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 |
Riferimenti
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