Introduction
Vårt moderna samhälle kommer inte att överleva utan att flytta en betydande del av energiförbrukningen till förnybara energikällor. För att göra detta, vi måste hitta ett sätt att skörda förnybar energi på en lägre nivå än petroleumbaserade energikällor inom en snar framtid kostnaden. Solenergi är den vanligast förekommande förnybar energi på jorden. Trots att en hel del framsteg har gjorts i solenergi skörd, är det fortfarande mycket svårt att konkurrera med petroleumbaserade energikällor. Att förbättra effektiviteten i solceller är ett av de mest effektiva sätten att sänka systemkostnaden av solenergi skörd.
Optiska linser och maträtt reflektorer används vanligen i mest koncentrerade solceller (CPV) system 1 för att uppnå en hög koncentration av solenergi inverkan på de små området solceller, så det är ekonomiskt försvarbart att utnyttja dyra tandem multi junction solceller 2 i CPV system, och att upprätthålla en rimligkosta samtidigt. Men för de flesta icke-koncentrerade solceller, som vanligtvis kräver en stor yta delen av solceller, de höga kostnader tandem solceller kan inte ingå, även om de har oftast en bredare solens spektrum respons och en högre omvandlingseffektiviteten generellt än enda junction solceller 3.
Nyligen med hjälp av de parallella spektrum splitt optik (dvs. spridande element), har den parallella spektrum dela solcellsteknik 4 gjort det möjligt att en liknande eller bättre spektrum täckning och omvandlingseffektivitet kan uppnås utan att använda dyra tandem solceller. Solens spektrum kan delas upp i olika band och varje band kan absorberas och omvandlas till elektricitet genom de specialiserade singel-junction solceller. På detta sätt kan de dyra tandem solceller i CPV system ersättas med en parallell distribution av engångs korsning solcells utan att kompromissa med prestandan.
Den spridande element som designades i denna rapport kan tillämpas på ett reflekterande CPV-system (som bygger på maträtt reflektorer) att realisera parallellt spektrum uppdelning för ökad effektivitet sol-el konvertering och reducerad kostnad. Multilayer hög kontrast gitter (hCG) 5 används som det dispersiva elementet genom att utforma varje skikt av HCG för att arbeta som en optisk band reflektor. Strukturerna och parametrarna för det dispersiva elementet är numeriskt optimeras. Dessutom studeras tillverkning av hög kontrast galler för spridande elementet med dielektrikum (TiO 2) sputtring, nanoimprintlitografi 6 och reaktiv jonetsning och demonstreras.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Förbered Blank Polydimetylsiloxan (PDMS) Substrat för nanoimprint Mold
- Silicon Wafer behandlingsprocess
- Rengör en 4 tums kiselskiva genom sköljning med aceton, metanol och isopropanol.
- Blås torrt med hjälp av kväve pistol.
- Rengör den med Piranha-lösning (3: 1 blandning av svavelsyra med 30% väteperoxid) genom blötläggning inuti för 15 minuter.
- Skölj med avjoniserat vatten. Föna med hjälp av kväve pistol.
- Placera skivan i en glas exsickator. Lägg en droppe (20 droppar = 1 ml) av släppmedel (triklorsilan) i torkapparat.
- Pumpa ner exsickatorn tills mätaren läser -762 Torr och vänta i 5 timmar.
- Ta rånet ut, vilket har behandlats med släppmedel.
- Framställning av PDMS Film (som används som form i nanoimprint)
- Väg upp 10 g av silikonelastomer bas och en g härdare.
- Lägg dem i samma glasbägare.
- Stir och blanda med en glasstav i 5 minuter.
- Placera blandningen i en vakuumdesickator tills mätaren läser -762 Torr för att pumpa ut alla luftbubblor.
- Sprid dem jämnt på den behandlade 4-tums kiselskiva.
- Baka skivan med PDMS på toppen i vakuumugn under 7 timmar vid 80 ° C för att härda PDMS filmen.
2. Förbered nanoimprint Mold (Upprepningar från Master Mold)
- Spin tolv droppar (20 droppar = 1 ml) av UV-härdande motstå (15,2%) på en ren tom kiselskiva i 30 sekunder vid 1500 rpm.
- Dra försiktigt en bit PDMS film av den behandlade kiselskiva.
- Placera PDMS filmen på UV-härdande motstå och låt den absorbera UV motstå för 5 minuter sedan dra bort det.
- Upprepa 2,1-2,3 på samma PDMS film för två gånger. Absorbera UV motstå under 3 minuter och 1 min respektive.
- Placera PDMS filmen (efter tre-tiden UV motstå absorption) på en kisel mästare mögel.
- Lägg den i en kammare med kvävemiljö.
- Slå på UV-lampa för att härda provet under 5 minuter.
- Dra av PDMS filmen. Den härdade UV motstå på PDMS kommer att hålla negativa mönster av befälhavaren mögel.
- Använd RF O 2 plasma för att behandla PDMS mögel. (RF-effekt: 30 W, tryck: 260 mTorr, tid: 1 min)
- Placera PDMS formen i en vakuumkammare med en droppe (20 droppar = 1 ml) av släppmedel under 2 h.
3. nanoimprintmönsteröverföring
- Spin åtta droppar (20 droppar = 1 ml) av PMMA (996k, 3,1%) på substratet att vara märkta för 50 sekunder vid 3500 rpm.
- Baka det på en värmeplatta under 5 min vid 120 ° C.
- Vänta tills provet svalna.
- Spin åtta droppar (20 droppar = 1 ml) av UV-härdande motstå (3,9%) på samma substrat.
- Placera PDMS formen (framställd i steg 2) på provet (med både UV- resist och PMMA).
- Lägg den i en kammare med kvävemiljö.
- Sätt på UV-lampan för att härda under 5 min.
- Skala PDMS formen av provet och mönstret på PDMS formen får överföras till provet.
4. Cr Lift-off Process
- Reaktiv jonetsning restskikt av UV-resist och PMMA
Obs: SOP för ICP maskin kan hittas på https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Logga in RIE ICP maskin.
- Ladda en tom 4 tum kiselskiva. Kör ren recept för 10 minuter.
- Ta den tomma kiselskivan ut.
- Montera provet på en annan ren kiselskiva och läsa in den i maskinen.
- Kör UV motstå etsnings recept för 2 minuter (kan receptet finns i tabell 1).
- Ta provet ut. Ladda en tom 4 tum kiselskiva. Åter kör ren recept (återfinns i tabell 1) under 10 minuter.
- Montera provet på en ren kiselskivaoch ladda den i maskinen.
- Kör PMMA etsnings receptet (återfinns i tabell 1) under 2 minuter.
Obs: Nu rest resist har etsats och substratet exponeras.
- Cr E-stråleförångning
- Logga in på e-beam förångare.
- Fyll på Cr-metallkällan och provet in i kammaren.
- Ställ tjocklek (20 nm) och avsättningshastigheten (0,03 nm / s).
- Pumpa kammaren tills önskad vakuum (10 -7 Torr) har uppnåtts.
- Starta avsättningsprocessen.
- Ta provet efter deponerings klar.
- CR Lift-off ordningen
- Sänk provet i aceton med ultraljudsomröring under 5 min.
- Rengör provet genom sköljning med aceton, metanol och isopropanol.
Obs: Cr indunstas på resisten kommer att lyftas av och en Cr-mask för substratetsning bildas.
5. TiO 2 Deposition
- Last prov.
- Ställ in parametrarna för likströms magnetronförstoftning maskin
- Använd en kammartryck på 1,5 mTorr, Ar flöde av 100 sccm och en sputtring makt 130 W.
- Använd en temperatur av 27 ° C och en etapp rotationshastighet av 20 varv per minut.
- Starta sputter processen och stannar vid önskad tjocklek.
- Ta provet ut och glödga TiO 2 film i syremiljö vid 300 ° C under 3 timmar.
6. Hög kontrast Galler etsning
- Logga in på induktivt kopplad plasma (ICP) reaktiv jonetsning (RIE) maskin.
- TiOj 2 etsning
- Ladda en tom 4-tums kiselskiva.
- Starta och driva den rena receptet (återfinns i tabell 1) under 10 min.
- Lasta ladda den tomma skivan och ladda provet med Cr mask.
- Ställ etsningstid. Starta TiO 2 etsning recept. Etsningsprocessen kommer autoautomatiskt stopp.
- Lasta provet.
- SiO 2 Etsning
- Upprepa steg 5.2 utom använda SiO 2 etsning recept.
7. reflektansmätning
- Logga in och slå på mätsystemet.
- Placera reflektionsstandardspegel på provhållaren och rikta den optiska banan.
- Kalibrera systemet för 100% reflektans.
- Ta av reflexstandarden spegeln och placera HCG.
- Mät reflektansen hos HCG.
- Spara data och loggar ut från mätsystemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar genomförandet av den dispersiva elementet (multiskikt hög kontrast gitter (HCG)) i en koncentrerad system med sol. Solen ljuset först reflekteras av den primära spegeln och träffar den reflekterande dispersivt element, där strålen reflekteras och delas upp i olika band med olika våglängder. Varje band kommer att inkräkta på en viss plats på solcells array för bästa absorption och omvandling till el. Nyckeln till detta system är utformningen och genomförandet av den dispersiva elementet, som är sammansatt av flera skikt av HCG.
Figur 2 visar det numeriska optimeringsresultatet för varje skikt i det dispersiva elementet. Resultaten beräknades av finita-skillnaden tidsdomänen (FDTD) 7 baserat kommersiella simuleringsprogram "Lumerical" och vidare validerats av strikt kopplad våg analys (RCWA) 8. BrytningsindexTiO 2 var från SOPRA 9 online-databas. Den optimerade sex lager spridande elementet kan ge en total bild av mer än 90% under hela solens spektrum 10,11.
För att demonstrera bredbands reflektansen av HCG experimentellt, ett av de sex lagren i det dispersiva elementet HCG strukturen tillverkas med användning av nanoimprint tillverkning. Såsom visas i figur 3, varvid varje gitter block består av två delar. Materialet i det övre gallret är TiO 2 och materialet i sub gittret smält kiseldioxid. Stigningen hos 2D HCG är 453 nm. Linjebredden för varje gitter är 220 nm. Höjden på både topp och under gitter är 340 nm. Materialet i substratet är densamma som den under gittret.
TiO 2 avsattes på kvartsglas på HP Labs med hjälp av en likströmsmagne spotta maskin. Kammartrycket var 1,5 mTorr med en Ar flöde om 100 sccm. Förstoftningskällan effektvar 130 W och var 4 nm / min. Två satser av TiO 2-film var sputteras vid olika temperaturer, 27 ° C och 270 ° C respektive. För att säkerställa en jämn filmavsättning, var substrat skede rotation påslagen (20 rpm) under sputtring. Båda partier av TiO 2 filmer glödgades vid 300 ° C under 3 h efter förstoftning för att förbättra filmkvaliteten. Efter avsättning, var båda partier av TiO 2 filmer undersöktes med användning av ett svepelektronmikroskop (SEM) (Figur 4). Brytningsindex för TiO 2 filmer mättes också (Figur 5). De uppmätta brytningsindex var 10% lägre än standarddatabas, eftersom filmen var porös som även kan observeras i figur 4. En högre sputtring temperaturen kan öka brytningsindex, men grovheten hos filmen var mycket högre. För att nå en bra balans mellan brytningsindex och film grovhet, TiO 2 film som sputrade vid 27 ° C valdes som gittermaterialet.
De viktigaste stegen för nanoimprint tillverkning visas schematiskt i fig 6. Först görs en gjutform med vissa mönster pressas på det UV-härdbara resist på substratet. Då UV-ljus appliceras för att härda resisten. Efter härdning kan formen separeras från substratet och formen på resist är exakt emot av formen. Den präglade mönster kan användas som mask för att etsa den återstående resist, insättning metall, lyfta av och slutligen etsa in i substratet. På detta sätt, blir formens form överförs in i substratet.
För att tillverka 2D HCG, är en form dupliceras från en 1D periodiska gitterkisel mästare som tillverkades av störningar litografi 12. Sedan samma form används för att trycka två gånger i vinkelräta riktningar på samma kiselsubstrat för att mönstra en 2D hål array (Figur 7). Hybridnanoimprint <sup> 13 process kan göra prover stora området med hög upplösning och små defekter. De präglade resultat (2D hål array kisel array) visas i figur 8. Den råhet kanter kan reduceras ytterligare med hjälp av kant utjämning teknik 14.
Efter nanoimprint mönstring och Cr mask matris är fullbordad, en ICP RIE maskin som används för att etsa provet. Två olika etsnings recept utvecklades för TiO 2 och smält kiseldioxid respektive, som visas i tabell 1. Den tillverkade strukturen visas i fig 9.
Reflektansen (från vinkelrätt infall) av 2D HCG mättes med användning av två olika spektrometrar med olika typer av detektorer, den normala detektorn och detektorn sfären integrationen. I motsats till sfär integration detektor, har den normala detektorn en relativt liten vinkel av acceptans och därför inte kommer att få spridda light. Såsom visas i figur 10, varvid skillnaden i reflektans kurvor uppmätta av båda detektorerna indikerar att ljuset sprids av HCG på grund av strukturen grovhet. Skillnaden mellan integrationsområdet mätning och datasimulering är främst på grund av förlusten av material- och tillverknings fel. De reflektionskurvor kan visa att den tillverkade enheten kan fungera som ett band reflektor som ett skikt i det dispersiva elementet. På grund av den höga kontrast index mellan gallret och substratet, har HCG bra vinkel oberoende. Reflektanskurvan kommer inte att förändras mycket när infallsvinkeln är mindre än 15 °.
Figur 1: Genomförandet av det dispersiva elementet (fler HCG) i en koncentrerad solceller (CPV) -system.
Figur 2: Numeriskt optimerad reflektionskurvor för spridande elementet konstruktion (sex lager staplade HCG) som kan täcka större delen av solens spektrum.
Figur 3: Den optimerade strukturen av en HCG för demonstration av nanoimprint tillverkning.
Figur 4: SEM bilder (tvärsnitt) av förstoftade TiO 2 filmer på (a) 27 ° C och (b) 270 ° C. Klicka här för att se en störreversion av denna figur.
Figur 5: Uppmätt och standardbrytnings (SOPRA databas) index för förstoftade TiO 2 filmer.
Figur 6:. Nanoimprint tillverkningsprocessen Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 7: SEM-bild av 2D hål array kisel master (uppifrån och ned).
Bild 8: Bilden av 2D hål array kisel mästare tillverkas av PDMS-baserad nanoimprint.
Figur 9: Den SEM-bilden (tvärsnittsvy) av den tillverkade 2D HCG.
Figur 10: En simulerad reflektanskurvan och två uppmätta reflektionskurvor använder sfär integration detektor och normal detektor respektive.
Figur 11 (a) Effekt av brytningsindexpå HCG reflektans; (B) Effekt av sidoväggen vinkel på HCG reflektion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| ICP Ström | Framåteffekt | SF 6 Flow | C 4 F 8 Flödes | O 2 Flöde | Tryck | Etsningshastigheten | |
| TiOj 2 | 0 W | 25 W | 25 sccm | 10 sccm | 10 sccm | 10 mTorr | 43 nm / min |
| Smält kiseldioxid | 0 W | 100 W | 0 sccm | 15 sccm | 15 sccm | 10 mTorr | 20 nm / min |
| Resist | 0 W | 25 W | 25 sccm | 15 sccm | 0 | 10 mTorr | 22 nm / min |
| PMMA | 0 W | 30 W | 0 | 0 | 30 sccm | 2 mTorr | 55 nm / min |
| Ren | 1000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 sccm | 50 mTorr | NA |
Tabell 1: De etsnings recept för TiO 2, sammansmält kiseldioxid, UV-resist, PMMA och ren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
För det första är mycket avgörande för HCG prestanda kvaliteten på TiO 2 filmen. Den reflektionstoppen kommer att vara högre om TiO 2 film har mindre förlust och ytfinhet. Tio 2 film med ett högre brytningsindex är också gynnsam eftersom den optiska läget inneslutning kommer att förstärkas genom en högre kontrast i index, vilket kan ge upphov till en plattare och bredare reflektionsband i HCG.
För det andra kommer tillverknings felen har betydande påverkan på HCG och bör undvikas. Skrovligheten introducerades i tillverkningen kommer att orsaka mer ljus att spridas, så att reflektansen blir lägre. Avvikelsen parametrar i HCG tillverkning inklusive linjebredd, höjd och pitch kommer inte att tillåta att enheten ska fungera optimalt som i simulering. Dessutom beror reflektansen av HCG starkt på etsningsprofil, dvs vinkeln för sidoväggen. I fig 11, effekten av sidoväggsvinkels på reflektansen hos HCG numeriskt beräknas. Eftersom sidoväggsvinklar minskar från 90 ° till 84 °, droppar den genomsnittliga reflektansen från över 90% till mindre än 50%, eftersom HCG beter mer som en konformad antireflexbeläggning när sidoväggsvinkeln är liten.
Den optiska effektiviteten för det dispersiva elementet är viktigt för den totala effektiviteten av CPV-systemet, så att reflektansen hos varje skikt av HCG bör vara så hög som möjligt. Baserat på diskussionen ovan, medan den optiska effektiviteten för fabricerade lagret är ca 60%, det finns flera möjliga förbättringar för en bättre HCG reflektion. Tio 2 förstoftningsförhållande kan optimeras ytterligare för att generera filmen med en högre index, mindre ytjämnhet och lägre optiska förluster. De torra etsningsrecept bör justeras ytterligare för en bättre etsningsprofil, vilket gör gittret rakare, vilket kan uppnås genom att justera kombinationen av gaser (C 4 F8, SF 6 och O 2) för att balansera etsning och återavsättningsprocessen. Den nanoimprint och lift-off process bör förbättras för att undvika ojämnheter och tillverkning fel, så att onödiga spridning kan reduceras för att öka den totala optiska effektiviteten.
Genom att stapla flera skikt av tvådimensionella HCGs med olika stigning, kan den dispersiva spegeln fungera i mycket bredare spektrum. Spegeln kan reflektivt direkt ljus i olika vinklar beroende på våglängder, på ett sätt att förpacka alla HCG skikt därefter i olika lutningsvinklar. Vidare kan den dispersiva spegeln tillverkas med användning av nanoimprintlitografi (NIL) i ett stort område och till en låg kostnad. Dessutom har det föreslagna systemet en enkel integration med befintliga anrikningsverk solceller (CPV) inställning så det har potential att bli accepterad i stor utsträckning av industrin för att förbättra solenergi energieffektivitet omvandling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Denna forskning stöds som en del av Centrum för energi nanovetenskap, en energi Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science enligt Award nummer DE-SC0001013. Vi vill också tacka Dr Max Zhang och Dr. Jianhua Yang HP Labs för deras hjälp på TiO 2 film sputtring och brytningsindex mätning.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 184 Silcone 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 |
References
- 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.
- 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).
- Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: http://www.sopra-sa.com/ (2015).
- 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).
