Fabbricazione di Grigliati un forte contrasto per la suddivisione Spectrum Dispersive elemento in un sistema fotovoltaico a concentrazione
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
La nostra società moderna non può sopravvivere senza spostare una parte significativa del consumo di energia alle fonti energetiche rinnovabili. Per ottenere tutto ciò, dobbiamo trovare un modo per raccogliere l'energia rinnovabile ad un costo inferiore rispetto alle fonti energetiche a base di petrolio nel prossimo futuro. L'energia solare è il più abbondante energia rinnovabile sulla terra. Nonostante che molti progressi sono stati fatti nella raccolta di energia solare, è ancora molto difficile competere con le fonti di energia a base di petrolio. Migliorare l'efficienza delle celle solari è uno dei modi più efficaci per abbassare il costo del sistema di raccolta di energia solare.
Lenti ottiche e riflettori per i piatti sono di solito utilizzati in fotovoltaici a più alta concentrazione (CPV) sistemi 1 per ottenere una elevata concentrazione di incidenza dell'energia solare sulle celle solari di piccola zona, quindi è economicamente sostenibile per sfruttare tandem costoso multi-giunzione celle solari 2 a sistemi CPV, e per mantenere un ragionevolecostare allo stesso tempo. Tuttavia, per la maggior parte dei sistemi fotovoltaici non concentrati, che di solito richiedono una grande area rata di celle solari, le celle solari tandem ad alto costo non possono essere incorporati, anche se di solito hanno una più ampia risposta spettro solare e una maggiore efficienza di conversione complessiva del celle solari singola giunzione 3.
Recentemente, con l'aiuto delle ottiche splitting spettro parallele (cioè dispersivo elemento), la divisione dello spettro tecnologia fotovoltaica parallelo 4 ha permesso che la copertura spettro simile o migliore e l'efficienza di conversione può essere realizzato senza utilizzare le celle solari tandem costoso. Lo spettro solare può essere diviso in diverse bande e ogni banda può essere assorbita e convertita in elettricità dalle celle solari a giunzione specializzati. In questo modo, i tandem costoso celle solari in sistemi CPV possono essere sostituiti da una distribuzione parallela di singola giunzione cella solares, senza alcun compromesso sulla performance.
L'elemento dispersivo che è stato progettato in questa relazione può essere applicato in un sistema CPV riflettente (che si basa su riflettori piatto) per realizzare splitting spettro parallelo per il miglioramento solare elettrica efficienza di conversione e costo ridotto. Multistrato grigliati alto contrasto (HCG) 5 viene utilizzato come elemento dispersivo progettando ogni strato di HCG per lavorare come un riflettore banda ottica. Le strutture ei parametri dell'elemento dispersivo sono numericamente ottimizzati. Inoltre, la realizzazione di griglie ad alto contrasto per l'elemento dispersivo utilizzando dielettrico (TiO2) sputtering, nanoimprint litografia 6 e attacco con ioni reattivi si studia e dimostrati.
Protocol
Representative Results
Discussion
In primo luogo, la qualità del film TiO 2 è molto importante per le prestazioni HCG. Il picco riflettanza sarà maggiore se il film TiO 2 ha meno perdita e rugosità superficiale. Il film TiO 2 con un indice di rifrazione superiore è anche favorevole perché la modalità confinamento ottico sarà arricchito da un elevato contrasto di indice, che può dar luogo ad una più piatta e banda riflettanza più ampia HCG.
In secondo luogo, gli errori di fabbricazi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata supportata come parte del Centro per l'Energia Nanoscienze, un Frontier Centro di ricerca energetica finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science sotto Premio Numero DE-SC0001013. Vogliamo anche ringraziare il Dr. Max Zhang e il Dr. Jianhua Yang di HP Labs per il loro aiuto su misura TiO 2 sputtering pellicola e indici di rifrazione.
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).
