Fabricação de grades de alto contraste para o Splitting Spectrum dispersivo Elemento em um sistema fotovoltaico concentrado
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
Nossa sociedade moderna não vai sobreviver sem mover uma parcela significativa do consumo de energia de fontes renováveis de energia. Para que isso aconteça, temos de encontrar uma maneira de colher a energia renovável a um custo menor do que as fontes de energia à base de petróleo em um futuro próximo. A energia solar é a energia renovável mais abundante na Terra. Apesar de que um grande número de avanços têm sido feitos na colheita de energia solar, que ainda é muito difícil de competir com fontes de energia à base de petróleo. Melhorar a eficiência das células solares é uma das maneiras mais eficientes para reduzir o custo do sistema de captação de energia solar.
Lentes ópticas e reflectores de prato são normalmente utilizados em sistemas fotovoltaicos mais concentrada (CPV) um para alcançar uma elevada concentração de energia solar de incidência sobre as células solares de pequena área, de modo que é economicamente viável para explorar em tandem caro células solares multi-junção em dois sistemas CPV, e para manter um razoávelcustar ao mesmo tempo. No entanto, para a maioria dos sistemas fotovoltaicos não-concentrados, que normalmente exigem uma parcela de células solares de grande área, as células solares em tandem de alto custo não podem ser incorporados, embora eles geralmente têm uma resposta espectro solar mais ampla e uma maior eficiência de conversão global do que o único de junção de células solares 3.
Recentemente, com a ajuda dos paralelas óptica de divisão de espectro (isto é, elemento dispersivo), paralela a divisão do espectro tecnologia fotovoltaica 4 tornou possível que uma cobertura de espectro semelhante ou melhor e eficiência de conversão pode ser conseguida sem a utilização de células solares em tandem caro. O espectro solar podem ser divididos em diferentes faixas e cada faixa pode ser absorvida e convertida em electricidade por as células solares de junção única especializados. Desta forma, as células solares em tandem caros nos sistemas CPV pode ser substituído por uma distribuição paralela de uma única junção de células solaress sem qualquer compromisso sobre o desempenho.
O elemento de dispersão que foi concebido no presente relatório pode ser aplicada num sistema CPV reflectora (que se baseia na reflectores de prato) para realizar a divisão do espectro paralelo para a melhoria da eficiência de conversão de energia solar de energia elétrica e custo reduzido. Multicamada grelhas de alto contraste (hCG) 5 é utilizado como o elemento de dispersão através da concepção de cada camada de HCG para trabalhar como um reflector de banda óptica. As estruturas e os parâmetros do elemento dispersivo são numericamente optimizado. Além disso, o fabrico de grades de alto contraste para o elemento dispersivo usando dieléctrico (TiO 2) sputtering, nanoimpressão litografia 6 e gravação iónica reactiva é estudada e demonstrada.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em primeiro lugar, a qualidade do filme de TiO 2 é muito crucial para o desempenho de HCG. O pico de reflectância será mais elevada se o filme de TiO 2 com menos perda e a rugosidade da superfície. O TiO2 filme com um índice de refracção mais elevado, também é favorável porque o modo de confinamento óptica irá ser reforçada por um contraste maior no índice, o que pode dar origem a uma banda mais achatada e mais larga na reflectância HCG.
Em seg…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada como parte do Centro de Energia Nanociência, um Centro de Pesquisa de Energia Frontier financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência sob Award Número DE-SC0001013. Queremos também agradecer ao Dr. Max Zhang Jianhua e Dr. Yang do HP Labs por sua ajuda na medição TiO2 pulverização catódica filme e índices de refração.
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).
