Summary

Integrering av Lys Overlappings sølv nanostrukturer i hydrogenert mikrokrystallinsk silisium solceller ved Transfer Printing

Published: November 09, 2015
doi:

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

Det har vært en langvarig behov for anvendelse av funksjonelle nanostrukturer i et bredt spekter av teknologiske feltet. En av forventninger til denne trenden er å åpne nye utformingen av enhets arkitekturer som fører til bedre eller nyskapende forestillinger. I feltet av solceller, for eksempel bruk av metallnanostrukturer har vært aktivt utforsket på grunn av deres spennende optiske (dvs. Plasmonic) egenskaper, en potensielt gunstig å konstruere effektive lys fangstsystemer. 2,3 Faktisk noen teoretiske studier 4 -6 har antydet at en slik plasmonic lys fangst kunne oppnå effekter som overskrider de vanlige ray optikk (teksture) -baserte lys fangst grense. 7 Som et resultat, utvikle strategier for å integrere ønskede metall nanostrukturer med solceller har blitt stadig viktigere for å realisere disse teoretiske forutsigelser.

En rekke strategier erblitt foreslått for å møte denne utfordring. 8-24 Disse inkluderer, for eksempel, enkel (low-cost) termisk gløding av metallfilmer 8,9 eller dispersjon av pre-syntetisert metall nanopartikler, 10,11 begge resulterte i vellykkede demonstrasjoner av plasmonic lys fangst. Det bør imidlertid påpekes at metallnanostrukturer fabrikkert av disse fremgangsmåtene er vanligvis vanskelig å samsvare med de teoretiske modellene. I motsetning til tradisjonelle Nanofabrication teknikker i halvlederindustrien, som for eksempel fotolitografi og elektronstråle-litografi, kan styre 12,13 strukturer godt under sub-100 nm-nivå, men de er ofte for kostbare og tidkrevende å gjelde for solceller, hvor stort område evne med lav kostnad er viktig. For å oppfylle den lave kostnader, høy gjennomstrømming, og krav med nanoskala kontrollerbarhet store-området, metoder som nanoimprint litografi, 14-16 myk litografi, 17,18 </sup> Nanosfære litografi, 19-21 og hole-maske kolloidalt litografi 22-24 ville være lovende. Blant disse valgene, har vi utviklet en myk litografisk, avansert overføring utskrift teknikk. 25 Bruke en nanostrukturerte poly (dimetylsiloksan) (PDMS) frimerker og blokkopolymer-baserte klebesjiktene, kan fordelingen av bestilte metall nanostrukturer lett oppnås på en rekke teknologisk relevante materialer, inkludert de for solceller.

Fokus for denne artikkelen er å beskrive detaljert prosedyre for vår overføring utskrift tilnærming til å innlemme effektive lys fangst Plasmonic nanostrukturer i eksisterende solcelle strukturer. Som en demonstrative tilfellet Ag nanodisks og tynnfilm hydrogenert mikrokrystallinsk Si (mikrochipen-Si: H) solceller ble valgt i denne undersøkelsen (figur 1), 26 selv om andre typer av metaller og solceller er kompatible med denne tilnærmingen. Sammen med sin prosessenkelhet, ville tilnærmingen være av interesse for ulike forskere som et nyttig verktøy for å integrere funksjonelle metall nanostrukturer med enheter.

Protocol

1. Utarbeidelse av PDMS Stamps Sett en nanohole mold (nanoimprinted cyclo olefinpolymer plastfilm, størrelse: 50 mm x 50 mm) i en polytetrafluoretylen (PTFE) container. Vei vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer (0,76 g for 50 mm x 50 mm mold) i en engangsglassflaske og bland det med Pt-divinyltetrametyldisiloksan kompleks (6 ul, ved hjelp av en digital mikro pipette med en disponibel polypropylen spiss) og 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ul, ved hjelp av en digital mi…

Representative Results

Figur 2 beskriver den generelle fremgangsmåten for overføring utskrift av Ag nanodisks på overflaten av mikrochipen-Si: H (n lag). I korthet, en Ag film (tykkelse: 10 til 80 nm) blir først avsettes på overflaten av en nanopillar PDMS stempel ved fordampning elektronstråle. Parallelt er en PS- b -P2VP løsning spin-belagt på overflaten av en nylaget mikrochipen-Si: H n lag. Deretter blir en dråpe av EtOH plassert på PS- b -P2VP-belagte overflate, og Ag-avsatte…

Discussion

I denne artikkelen, ble en tolags harde / myke PDMS sammensatte brukt som stempel materialer. 27 Denne kombinasjonen ble funnet å være avgjørende for å nøyaktig gjenskape den overordnede nanostrukturen i formen, som var en hexagonally tettpakket runde hull matrise hvis diameter på 230 nm, dybde på 500 nm, og hole senter-til-senter avstand på 460 nm. Når bare myke PDMS ble anvendt, stempelet alltid resultert i en dårlig nanostrukturerte overflate (for eksempel ingen skarp kant i den inverterte søyle…

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

  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).
check_url/kr/53276?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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).

View Video