転写印刷により水素化微結晶シリコン太陽電池の光トラッピング銀ナノ構造の統合
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
技術分野の広い範囲で機能的なナノ構造のアプリケーションのための長年の要望がありました。この傾向への期待の一つが改善されたかの革新的なパフォーマンスにつながるデバイスアーキテクチャの新しいデザインを開くことです。太陽電池の分野では、例えば、金属ナノ構造の使用は、積極的に、それらの魅力的な光（ すなわち 、プラズモン）特性、効果的な集光システムを構築する1潜在的に有益で検討されている。2,3実際、いくつかの理論的研究4 -6ようなプラズモニック光トラップは、太陽電池セルで所望の金属ナノ構造を統合するための戦略を開発、従来のX線光学系（テクスチャ）が結果として光閉じ込め限界。7をベース超える効果を得ることができることを示唆しているが、これらを実現するためにますます重要になってきています理論的予測。
戦略の数が持っていますの成功した実証をもたらし10,11どちらも、金属膜8,9または予め合成された金属ナノ粒子の分散液。8-24これらには、例えば、単純な（低コスト）熱アニーリングこの課題に対応するために提案されてプラズモニック光トラップ。しかし、これらの手法により作製した金属ナノ構造体は、通常、理論モデルに適合するように挑戦していることを指摘しなければなりません。対照的に、このようなフォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィーなどの半導体産業では、伝統的なナノ加工技術、12,13はよく 、サブ100 nmのレベルより下の構造を制御することができますが、それらは多くの場合、太陽電池に適用するにはあまりにも高価で時間がかかり、低コストでどこに大面積の能力が不可欠です。このようなナノインプリントリソグラフィ、ソフトリソグラフィ14-16、17,18のような方法、低コスト、高スループット、およびナノスケールの制御と大面積の要件を満たすために</sup>ナノ球体リソグラフィー、19-21とホールマスクコロイドリソグラフィー22-24有望だろう。これらの選択肢の中で、我々は、ソフトリソグラフィー、高度な転写印刷技術を開発した。25ナノ構造のポリ（ジメチルシロキサン）（PDMS）スタンプとブロックコポリマー系接着剤層を使用して、注文した金属ナノ構造のパターニングが容易技術の数に達成することができ太陽電池用のものを含む関連物質。
この記事の焦点は、太陽電池構造を既存のに有効な光トラッピングプラズモニックナノ構造を組み込むために私たちの転写印刷方法の詳細な手順を記述することです。金属および太陽電池の他の種類は、このアプローチと互換性があるが、太陽電池は、この研究に選択した（ 図1）、26：実証場合のように、銀ナノディスクおよび薄膜は、微結晶シリコン（HμC-Si）を水素化しました。一緒にそのプロセスとシンプルさが、アプローチは、デバイスと機能性金属ナノ構造を統合するための便利なツールなどの多様な研究者が興味を持つであろう。
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事では、二層ハード/ソフトPDMS複合体はスタンプ材料として使用した。27この組み合わせは、正確に直径六方最密充填円形ホールアレイた金型内の親ナノ構造を複製することが不可欠であることが判明しました230ナノメートル、500ナノメートルの深さ、及び460nmでの穴中心間距離の。唯一のソフトPDMSを用いた場合、スタンプは常に不十分なナノ構造表面に生じた（反転ピラー構?…
Disclosures
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 |
References
- Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
- Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
- 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).
- Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
- 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).
- Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
- Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
- 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).
- 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).
- Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
- Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
- 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).
- 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).
- Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
- 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).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
- Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
- Hsu, C. -. M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
- 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).
- Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
- 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).
- Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
- 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).
- 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).
- Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
- 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).
