Bir Konsantre Fotovoltaik Sistemde Spectrum Yarma Dağılım Eleman Yüksek Kontrast Gratings imalatı
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
Bizim modern toplum yenilenebilir enerji kaynakları, enerji tüketiminin önemli bir bölümünü hareket ettirmeden hayatta olmaz. Bunun gerçekleşmesi için, yakın gelecekte petrol bazlı enerji kaynaklarından daha düşük bir maliyetle yenilenebilir enerji hasat için bir yol bulmak zorunda. Güneş enerjisi, yeryüzünde en bol yenilenebilir enerjidir. Gelişmeler bir çok güneş enerjisi hasat yapıldığını rağmen, petrol bazlı enerji kaynakları ile rekabet edebilmek için hala çok zordur. Güneş pillerinin verimliliğini artırma güneş enerjisi hasat sistem maliyetini düşürmek için en etkili yollardan biridir.
O pahalı tandem çok kavşak güneş hücreleri 2 yararlanmaya ekonomik açıdan yani optik lensler ve çanak reflektörler genellikle küçük alan güneş hücreleri üzerinde güneş enerjisi insidansı yüksek bir konsantrasyon elde etmek için en yoğun fotovoltaik (CPV) sistemlerinde 1 kullanılır CPV sistemleri ve uygun bir korumakAynı anda maliyet. Genellikle daha geniş bir güneş spektrumu yanıtı ve daha yüksek bir genel dönüşüm verimliliğine sahip bulunmakla birlikte, genellikle güneş pilleri, bir geniş alan taksit gerektiren çoğu olmayan konsantre fotovoltaik sistemler için, yüksek maliyetli tandem güneş pilleri, dahil edilemez Tek kavşak güneş pilleri 3.
Son zamanlarda, paralel spektrum bölme optik yardımıyla (yani dağıtıcı eleman) ile paralel spektrum bölme fotovoltaik teknolojisi 4 yaptı mümkün benzer ya da daha iyi spektrum kapsamı ve dönüşüm verimliliği pahalı tandem güneş pilleri kullanmadan elde edilebilir. Güneş spektrumu farklı bantlar bölünebilir ve her grup emilir ve uzman tek kavşak güneş hücreleri tarafından elektriğe dönüştürülebilir. Bu şekilde, CPV sistemleri pahalıdır, tandem güneş pilleri tek kavşak güneş pili paralel bir dağılımı ile ikame edilmiş olabilirperformans ödün vermeden s.
Bu raporda tasarlanan dağıtıcı eleman geliştirilmiş güneş elektrik dönüşüm verimliliği ve düşük maliyet için paralel spektrum bölme gerçekleştirmek için (bulaşık reflektörleri dayanmaktadır) bir yansıtıcı VBM sisteminde uygulanabilir. Çok Katmanlı yüksek kontrast kafesler (HCG) 5 optik bant yansıtıcı olarak çalışmak üzere HCG her katmanı tasarlayarak dağıtıcı unsur olarak kullanılır. yapıları ve dağıtıcı elemanın parametreleri sayısal optimize edilmiştir. Ayrıca, dielektrik kullanarak dağıtıcı eleman için yüksek kontrastlı ızgaraların imalat (TiO2) püskürtme, nanoimprint litografi 6 ve reaktif iyon dağlama okudu ve gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İlk olarak, TiO2 filmin kalitesi HCG performansı için çok önemlidir. TiO2 filmi daha az kayıp ve yüzey sertliğine varsa yansıma zirve daha yüksek olacaktır. Optik mod hapsi HCG bir daha düz yol ve geniş yansıma bant verebilir endekste daha yüksek bir kontrast, tarafından geliştirilmiş olacak, çünkü daha yüksek bir kırılma indeksi ile TiO2 filmi de uygundur.
İkincisi, fabrikasyon hataları HCG üzerinde önemli etkileri olacaktır ve k…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma Enerji Nanobilim, Ödül Numarası DE-SC0001013 altında Enerji, Bilim Ofisi US Department tarafından finanse Enerji Frontier Araştırma Merkezi'nin Merkezi'nin bir parçası olarak desteklenmiştir. Biz de TiO2 filmi püskürtme ve refraktif indeksleri ölçümü yardım için Dr Max Zhang ve HP Labs Dr. Jianhua Yang teşekkür etmek istiyorum.
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 |
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. 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).
