Изготовление решеток с высоким контрастом для расщепления спектра дисперсионный элемент в концентрированной фотоэлектрической системы
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
Наша современное общество не выживет без перемещения значительную часть потребления энергии возобновляемых источников энергии. Для того, чтобы это произошло, мы должны найти способ, чтобы урожай возобновляемых источников энергии по стоимости ниже, чем на нефтяной основе источников энергии в ближайшем будущем. Солнечная энергия является наиболее распространенным возобновляемых источников энергии на Земле. Несмотря на то что много продвижений были сделаны в солнечной сбора энергии, это все еще очень сложно конкурировать с нефтяной основе источников энергии. Повышение эффективности солнечных батарей является одним из наиболее эффективных способов снизить стоимость системы сбора солнечной энергии.
Оптические линзы и отражатели блюдо, как правило, используется в наиболее концентрированной фотоэлектрических (КНД) системы 1, чтобы достичь высокой концентрации падения солнечной энергии на солнечных батареях малой площади, так что это экономически выгодно эксплуатировать дорого тандем мульти-распределительные солнечных батарей 2 в Системы КНД и поддерживать разумныйСтоимость в то же время. Тем не менее, для большинства не-концентрированных фотоэлектрических систем, которые, как правило, требуют большой площади взнос солнечных батарей, то высокой стоимости тандем солнечные элементы не могут быть включены, хотя они, как правило, имеют более широкий отклик солнечного спектра и более высокий общий КПД преобразования, чем одного перехода солнечные батареи 3.
В последнее время с помощью параллельных спектр расщепления оптики (т.е. дисперсионная элемента), параллельно спектр расщепления фотоэлектрических технологий 4 стало возможным, что аналогичные или лучше освещение спектра и эффективность преобразования может быть достигнуто без использования дорогой тандем солнечных батарей. Солнечный спектр может быть разделен на несколько полос, и каждая группа может быть поглощен и преобразуется в электроэнергию с помощью специализированных одного стыка солнечных батарей. Таким образом, дорогой тандемные солнечные элементы в КНД системы могут быть заменены параллельном расположении одного перехода солнечной батареис без компромисса по производительности.
Дисперсионные элемент, который был разработан в настоящем докладе могут быть применены в отражающей системе КПВ (который основан на блюдо отражатели), чтобы понять, параллельный расщепление спектра для повышения эффективности преобразования солнечной электроэнергии и снижение стоимости. Многослойные высокого контраста решетки (HCG) 5 используется в качестве диспергирующего элемента в проектировании каждый слой HCG работать в качестве оптического диапазона отражателя. Структуры и параметры дисперсионного элемента численно оптимизированы. Кроме того, изготовление решеток с высокой контрастностью для дисперсионного элемента с помощью диэлектрика (TiO 2) распыление, нанопечатная литография 6 и реактивное ионное травление изучается и продемонстрировал.
Protocol
Representative Results
Discussion
Во-первых, качество фильма TiO 2 очень важно для выполнения HCG. Пик отражения будет выше, если фильм TiO 2 имеет меньше потерь и шероховатость поверхности. Фильм TiO 2 с высоким показателем преломления также благоприятно, потому что режим удержания оптического будет повышена…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано в рамках Центра энергетической нанонауки, в научно-исследовательский центр пограничной энергии, финансируемого Министерством энергетики США, Управление по науке при Award Количество DE-SC0001013. Мы также хотим поблагодарить д-ра Макса Чжан Цзяньхуа и д-р Ян из HP Labs за помощь в TiO 2 фильма распыления и показателями преломления измерения.
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).
