JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingegneria

Интеграция легкими прилипания Серебряные наноструктур в гидрогенизированное микрокристаллическая кремниевых солнечных элементов по трансферная печать

Published: November 09, 2015
doi:
10.3791/53276
, , , ,
1Renewable Energy Research Center, Fukushima Renewable Energy Institute,National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Koriyama, Fukushima, Japan, 2Research Center for Photovoltaic Technologies,National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan

Summary

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Abstract

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (µc-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated µc-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

Introduction

Там была давняя потребность в применении функциональных наноструктур в широком диапазоне технологического области. Одним из ожиданий этой тенденции, чтобы открыть новый дизайн архитектуры устройств, ведущих к улучшению или инновационных спектаклей. В области солнечных батарей, например, использование металлических наноструктур активно исследовали из-за их интригующих оптических (т.е., плазмонных) свойств, 1 потенциально полезным построить эффективные системы отлова свет. 2,3 Действительно, некоторые теоретические исследования 4 -6 предположили, что такие захвата плазмонное свет может достичь эффектов, превышающие обычные оптике (текстурирования) основе света предел прилипания. 7 В результате разработки стратегии по интеграции желаемых металлов наноструктур солнечных элементов становится все более важным для того, чтобы реализовать эти теоретические предсказания.

Ряд стратегий естьбыло предложено ответить на этот вызов. 8-24 Они включают в себя, например, простой (недорогим) термического отжига металлических пленок 8,9 или дисперсии предварительно синтезированных наночастиц металлов, 10,11 оба из которых привели к успешных демонстраций плазмонное свет захват. Тем не менее, следует отметить, что металлические наноструктуры, полученные путем таких подходов, как правило, сложные, чтобы соответствовать с теоретическими моделями. В отличие от этого, традиционные методы Nanofabrication в полупроводниковой промышленности, такие как фотолитографии и электронно-лучевой литографии, 12,13 может контролировать структуры значительно ниже уровня суб-100 нм, но они зачастую слишком дорого и отнимает много времени, чтобы применить к солнечным клеток, где возможность большой площади с низкой стоимостью является существенным. Для того, чтобы выполнить низкую стоимость, высокую пропускную способность и требования большой площади с наноразмерной управляемости, методы, такие как наноимпринтинга литографии, 14-16 мягкой литографии, 17,18 </sup> Наносфера литография, 19-21 и отверстие маска коллоидный литографии 22-24 будет перспективным. Среди этих вариантов, мы разработали мягкую литографии, передовые технологии передачи печати. ​​25 Использование наноструктурного поли (диметилсилоксан) (PDMS) марок и клейкие слои блок-сополимер на основе, рисунка упорядоченных металлических наноструктур может быть легко достигнуто по ряду технологически соответствующие материалы, в том числе тех, для солнечных батарей.

В центре внимания этой статьи заключается в описании подробную процедуру передачи нашего печатного подхода включать эффективные свет отлова плазмонных наноструктур в существующих солнечных клеточные структуры. В демонстративной случае, Ag nanodisks и тонкопленочных гидрогенизированные микрокристаллическую Si (Мс-Si: H) солнечные элементы были выбраны в этом исследовании (рисунок 1), 26, хотя другие виды металлов и солнечных батарей совместимы с этим подходом. Вместе со своим процессапростота, подход будет представлять интерес для различных исследователей, как удобный инструмент для интеграции функциональных металлических наноструктур с устройствами.

Protocol

1. Подготовка PDMS Марки Установите наноотверстия формы (nanoimprinted цикло олефинов полимерной пластиковую пленку, размер: 50 мм × 50 мм) в политетрафторэтилена (ПТФЭ) контейнер. Взвесьте vinylmethylsiloxane-диметилсилоксан сополимер (0,76 г для мм плесени 50 мм × 50) в одноразовом стеклянной бутыл…

Representative Results

Рисунок 2 описывает общий процесс для передачи печати Ag nanodisks на поверхности Мс-Si: H (п слой). Вкратце, пленка Ag (толщина: 10-80 нм) сначала наносят на поверхность штампа PDMS nanopillar по электронно-лучевым испарением. Параллельно б решение -P2VP PS-вращением, с покрытием на поверхно…

Discussion

В этой статье, двухслойный жесткий / мягкий PDMS композитный был использован в качестве гербовых материалов. 27 Эта комбинация оказалась важно точно воспроизвести родительский наноструктуры в форме, которая была шестиугольной плотноупакованная массив круглого отверстия, диаметр ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors thank New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) under Ministry of Economy, Trade, and Industry (METI), Japan, for the financial support.

Materials

Nanohole mold Scivax
http://www.scivax.com		 FLH230/500-120
PTFE container Eishin
http://www.colbyeishin.com		 n/a Custom made
Hard-PDMS materials Gelest
http://www.gelest.com/gelest/forms/Home/home.aspx		 VDT-731 Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer
SIP6831.1 Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex
HMS-301 Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer
2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane Sigma-Aldrich
http://www.sigmaaldrich.com		 396281 Additive for hard-PDMS
Soft-PDMS materials Dow Corning
http://www.dowcorning.com		 Sylgard-184 Silicone precursor
PS-b-P2VP Polymer Source
http://polymersource.com		 P5742-S2VP Mn × 103 = 133-b-132
Glass/SnO2:F substrates Asahi Glass Co. Ltd.
http://www.agc.com/english/company		 Type VU Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces
Detergent Fruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm		 Semico-clean 56 Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates
ZnO:Ga supputtering target AGC Ceramics Co. Ltd.
http://www.agcc.jp/2005/en/index.html		 5.7GZO
Ag supputtering target Mitsubishi Materials Co.
http://www.mitsubishicarbide.com/mmc/en/index.html		 4NAg
Double-sided adhesive tape Nisshin EM Co.
http://nisshin-em.co.jp/information/carbontape.html		 732
Polyimide tape Dupont
http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film.html		 Kapton 650S#25
Sn-Zn-based Solder Kuroda Techno Co., Ltd.
http://www.kuroda-techno.com/english/index.html		 Cerasolzer AL-200
Digital micro pipette Nichiryo
http://www.nichiryo.co.jp/en/product/pipette/ex/index.html		 00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
Heating chamber Tokyo Rikakikai Co., Ltd.
http://www.eyelaworld.com/product_view.php?id=120		 VOS-201SD
Electron beam evaporator
(two types)		 Canon-Anelva
https://www.canon-anelva.co.jp/english/index.html		 n/a Custom made
Arios
http://arios.com/		 n/a Custom made
Sputtering system Ulvac
http://www.ulvac.co.jp/en		 SBR-2306
PECVD system  Shimadzu Emit Co. Ltd.
http://www.shimadzu.co.jp/emit/en/		 SLCM-13
Ar plasma system  Diner Electric Gmbh
http://www.plasma.de/index.html		 Femto 
RIE system Samco Inc.
http://www.samcointl.com		 RIE-10NR
Ultrasonic soldering device Colby-Eishin Enterprises, Inc.
http://www.colbyeishin.com/sub_sunbonder.htm		 SUNBONDER
EQE measurement system Bunkoukeiki Co. Ltd.
http://www.bunkoukeiki.co.jp/		 CEP-25BXS
J-V characteristics measurement system OTENTOSUN-5S-I/V
Amorphous Si reference cell WPVS-NPB-S1 For light intensity calibration
Digital multi-meter Keithley Instruments Inc.
http://www.keithley.com/		 2400
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
  2. Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
  3. Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
  4. Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
  5. Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
  6. Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
  7. Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
  8. Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
  9. Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
  10. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
  11. Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
  12. Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
  13. Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
  14. Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
  15. Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
  16. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
  17. Na, S. -. I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
  18. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
  19. Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
  20. Hsu, C. -. M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
  21. Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
  22. Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
  23. Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
  24. Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
  25. Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
  26. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
  27. Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
  28. Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
  29. Loo, Y. -. L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
  30. Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
  31. Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
  32. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).

Tags

Light TrappingSilver NanostructuresHydrogenated Microcrystalline SiliconSolar CellsTransfer PrintingPlasmonic EffectNanodiskNanostructure FabricationDevice IntegrationSolar Cell Performance
check_url/it/53276?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing. J. Vis. Exp. (105), e53276, doi:10.3791/53276 (2015).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image