Integração da luz Interceptação de prata Nanoestruturas em células solares de silício hidrogenado microcristalina por Transferência de impressão
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
Tem havido uma demanda de longa data para a aplicação de nanoestruturas funcionais em uma ampla gama de campo tecnológico. Uma das expectativas para esta tendência é abrir novo design de arquiteturas de dispositivos que levam a performances melhoradas ou inovadoras. No campo das células solares, por exemplo, o uso de nanoestruturas de metal tem sido activamente explorado devido às suas propriedades intrigantes ópticos (isto é, 1), plasmonic potencialmente benéficos para a construção de sistemas de luz de armadilhagem eficazes. 2,3 estudos Na verdade, alguns teóricos 4 -6 têm sugerido que tal luz trapping plasmonic podia ter efeitos que ultrapassem os óptica de raios convencionais (texturização) -baseado limite trapping luz. 7 Como resultado, o desenvolvimento de estratégias para integrar nanoestruturas metálicas desejados com células solares tornou-se cada vez mais importante a fim de realizar estes previsões teóricas.
Um certo número de estratégias têmForam propostas para enfrentar esse desafio 8-24. Estes incluem, por exemplo, simples (low-cost) o tratamento térmico de filmes de metal 8,9 ou dispersão de nanopartículas metálicas pré-sintetizados, 10,11 sendo que ambos resultou em sucesso das demonstrações trapping luz plasmonic. No entanto, deve-se salientar que as nanoestruturas metálicas fabricadas por essas abordagens são geralmente um desafio para corresponder aos modelos teóricos. Em contraste, as técnicas tradicionais de nanofabrico em indústrias de semicondutores, tais como a fotolitografia e a litografia por feixe de electrões, pode controlar 12,13 estruturas bem abaixo do nível de sub-100 nm, mas eles são frequentemente demasiado caro e demorado para aplicar para células solares, onde a capacidade de grandes áreas com baixo custo é essencial. A fim de cumprir a baixo custo e de alto rendimento, e as exigências da grande-área com nanoescala controlabilidade, métodos tais como a litografia nanoimpressão, 14-16 litografia macia, 17,18 </sup> Litografia nanosphere, 19-21 e hole-máscara coloidal litografia 22-24 seria promissor. Entre essas opções, temos desenvolvido uma litografia suave, avançado técnica de impressão de transferência. 25 Usando um poli nanoestruturada (dimetilsiloxano) (PDMS) selos e camadas adesivas à base de copolímero em bloco, padronização de nanoestruturas metálicas encomendados poderia ser facilmente alcançado em um número de tecnologicamente materiais relevantes, incluindo os de células solares.
O foco deste artigo é descrever o procedimento detalhado da nossa abordagem de impressão por transferência para incorporar luz de armadilhagem nanoestruturas plasmonic eficazes em estruturas de células solares existente. Como um exemplo demonstrativo, nanodiscos Ag e de película fina hidrogenado Si microcristalina (uC-Si: H) células solares foram seleccionados neste estudo (Figura 1), 26 embora outros tipos de metais e células solares são compatíveis com esta abordagem. Em conjunto com o processo desimplicidade, a abordagem seria do interesse de diversos pesquisadores como uma ferramenta útil para integrar nanoestruturas metálicas funcionais com os dispositivos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste artigo, um disco / PDMS suaves composto duplo em camadas foi empregado como materiais de selo. 27 Esta combinação mostrou-se essencial para replicar precisamente a nanoestrutura pai no molde, que foi uma matriz rodada buracos hexagonal close-embalados cujo diâmetro de 230 nm, profundidade de 500 nm, e o furo espaçamento centro-a-centro de 460 nm. Quando apenas PDMS macios foi usada, o selo sempre resultou em uma superfície nanoestruturada mal (por exemplo, nenhuma borda afiada na estrutura de pilar…
Declarações
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 |
Referências
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