Fabrikation af høj kontrast Riste til Spectrum Splitting spredende element i en koncentreret solcelleanlæg
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
Vores moderne samfund vil ikke overleve uden at flytte en betydelig del af energiforbruget til vedvarende energikilder. For at gøre dette ske, er vi nødt til at finde en måde at høste vedvarende energi til en pris lavere end oliebaserede energikilder i nær fremtid. Solenergi er den mest rigelige vedvarende energi på jorden. Trods at en masse skrider er foretaget i solenergi høst, er det stadig meget udfordrende at konkurrere med oliebaserede energikilder. Forbedring af solceller er en af de mest effektive måder at sænke systemets omkostninger ved solenergi høst.
Optiske linser og parabol reflektorer er normalt anvendes i de fleste koncentrerede fotovoltaiske (CPV) systemer 1 at opnå en høj koncentration af solenergi incidens på mindre områder solceller, så det er økonomisk rentabelt at udnytte dyre tandem multi-junction solceller 2 i CPV-systemer, og for at opretholde en rimeligkoste samtidig. Men for de fleste ikke-koncentrerede fotovoltaiske systemer, som normalt kræver en stor-areal rate af solceller, de høje omkostninger tandem solceller ikke kan integreres, selv om de normalt har et bredere solspektret respons og en højere samlet virkningsgrad end den single junction solceller 3.
For nylig, med hjælp af de parallelle spektrum opdele optik (dvs. spredende element), har den parallelle spektrum opdeling solcelle-teknologi 4 gjort det muligt, at en tilsvarende eller bedre spektrum dækning og omdannelseseffektiviteten kan opnås uden brug af dyre tandem solceller. Solens spektrum kan opdeles i forskellige bands, og hvert bånd kan absorberes og omdannes til elektricitet ved de specialiserede single-junction solceller. På denne måde kan de dyre tandem solceller i CPV-systemer erstattes med en parallel distribution af single-kryds solcelles uden ethvert kompromis på ydeevne.
Den spredende element, der er designet i denne rapport kan anvendes i et reflekterende CPV-system (som er baseret på parabol reflektorer) at realisere parallelle spektrum opdeling for den forbedrede sol-elektricitet konvertering effektivitet og reducerede omkostninger. Flerlags høj kontrast riste (hCG) 5 anvendes som det spredende element ved at designe hvert lag af HCG til at arbejde som et optisk bånd reflektor. Strukturerne og parametre for den spredende element er numerisk optimeres. Desuden er fremstillingen af høj kontrast riste for spredende element ved hjælp af dielektrikum (TiO2) sputtering, nanoimprint litografi 6 og reaktiv ion ætsning undersøgt og demonstreret.
Protocol
Representative Results
Discussion
Første, er meget afgørende for HCG ydeevne kvaliteten af TiO 2 film. Reflektansen peak vil være højere, hvis TiO2 filmen har mindre tab og overfladeruhed. Den TiO2 film med en højere brydningsindeks er også gunstig, fordi den optiske tilstand indespærring vil blive styrket gennem en højere kontrast i indekset, der kan give anledning til en fladere og bredere reflektans band i HCG.
For det andet vil fabrikation fejl få væsentlig indvirkning på HCG o…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet som en del af Center for Energi Nanoscience, en Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of Science under Award nummer DE-SC0001013. Vi vil også gerne takke Dr. Max Zhang og Dr. Jianhua Yang HP Labs for deres hjælp på TiO2 film sputtering og brydningsindeks måling.
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
- 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. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 14, 4129-4133 (1996).
- 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).
- 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).
