Fabricación de rejillas de alto contraste para la División del espectro de dispersión de elementos en un Sistema de Concentración Fotovoltaica
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
Nuestra sociedad moderna no sobrevivirá sin mover una parte significativa del consumo de energía de fuentes de energía renovables. Para que esto suceda, tenemos que encontrar una manera de cosechar la energía renovable a un costo más bajo que las fuentes de energía a base de petróleo en un futuro próximo. La energía solar es la más abundante de las energías renovables en la tierra. A pesar de que muchos de los avances se han hecho en el aprovechamiento de la energía solar, todavía es muy difícil competir con las fuentes de energía a base de petróleo. La mejora de la eficiencia de las células solares es una de las formas más eficaces de reducir el coste del sistema de captación de energía solar.
Lentes ópticas y reflectores plato se utilizan generalmente en fotovoltaicos más concentrada (CPV) sistemas 1 para lograr una alta concentración de incidencia de la energía solar sobre las células solares de área pequeña, por lo que es económicamente viable para explotar en tándem caro células solares multi-unión 2 en sistemas CPV, y para mantener una razonablecostar al mismo tiempo. Sin embargo, para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos no concentradas, que por lo general requieren un tramo de gran superficie de las células solares, las células solares en tándem de alto costo no pueden ser incorporados, a pesar de que generalmente tienen una respuesta de espectro solar más amplia y una mayor eficiencia global de la conversión de la células solares de unión simple 3.
Recientemente, con la ayuda de la óptica de división del espectro paralelas (es decir dispersivo elemento), el paralelo tecnología fotovoltaica división espectro 4 ha hecho posible que un espectro de cobertura similar o mejor eficiencia de conversión y pueden lograrse sin el uso de las células solares en tándem caro. El espectro solar se puede dividir en diferentes bandas y cada banda puede ser absorbida y convertida en electricidad por las células solares de unión simple especializados. De esta manera, las células solares en tándem caro en sistemas CPV pueden ser reemplazados por una distribución paralela de célula solar de una sola unións sin cualquier compromiso en la actuación.
El elemento dispersivo que fue diseñado en este informe se puede aplicar en un sistema de CPV reflectante (que se basa en reflectores de antena parabólica) para darse cuenta de la división de espectro paralelo para la mejora de la eficiencia de conversión solar-electricidad y coste reducido. Rejillas de múltiples capas de alto contraste (hCG) 5 se utiliza como el elemento dispersivo mediante el diseño de cada capa de HCG para trabajar como un reflector de banda óptica. Las estructuras y los parámetros del elemento dispersivo son numéricamente optimizados. Por otra parte, la fabricación de rejillas de alto contraste para el elemento dispersivo mediante el uso de dieléctrico (TiO2) de pulverización catódica, la litografía por nanoimpresión 6 y grabado iónico reactivo se estudiaron y demostraron.
Protocol
Representative Results
Discussion
En primer lugar, la calidad de la película de TiO 2 es muy crucial para el rendimiento de HCG. El pico de reflectancia será mayor si la película de TiO2 tiene menos pérdidas y rugosidad de la superficie. La película de TiO 2 con un índice de refracción más alto también es favorable porque el confinamiento modo óptico se verá reforzada por un mayor contraste en el índice, lo que puede dar lugar a una más plana y la banda de reflectancia más amplio en HCG.
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada en el marco del Centro de Energía Nanociencia, un Centro de Investigación de la Energía de la Frontera financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia bajo Premio número DE-SC0001013. También queremos agradecer al Dr. Max Zhang y el Dr. Yang Jianhua de HP Labs por su ayuda en la medición TiO2 chisporroteo cine y los índices de refracción.
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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