Tillverkning av hög kontrast Galler för Spectrum Splitting Dispersive Element i en koncentrerad solcellssystem
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
Vårt moderna samhälle kommer inte att överleva utan att flytta en betydande del av energiförbrukningen till förnybara energikällor. För att göra detta, vi måste hitta ett sätt att skörda förnybar energi på en lägre nivå än petroleumbaserade energikällor inom en snar framtid kostnaden. Solenergi är den vanligast förekommande förnybar energi på jorden. Trots att en hel del framsteg har gjorts i solenergi skörd, är det fortfarande mycket svårt att konkurrera med petroleumbaserade energikällor. Att förbättra effektiviteten i solceller är ett av de mest effektiva sätten att sänka systemkostnaden av solenergi skörd.
Optiska linser och maträtt reflektorer används vanligen i mest koncentrerade solceller (CPV) system 1 för att uppnå en hög koncentration av solenergi inverkan på de små området solceller, så det är ekonomiskt försvarbart att utnyttja dyra tandem multi junction solceller 2 i CPV system, och att upprätthålla en rimligkosta samtidigt. Men för de flesta icke-koncentrerade solceller, som vanligtvis kräver en stor yta delen av solceller, de höga kostnader tandem solceller kan inte ingå, även om de har oftast en bredare solens spektrum respons och en högre omvandlingseffektiviteten generellt än enda junction solceller 3.
Nyligen med hjälp av de parallella spektrum splitt optik (dvs. spridande element), har den parallella spektrum dela solcellsteknik 4 gjort det möjligt att en liknande eller bättre spektrum täckning och omvandlingseffektivitet kan uppnås utan att använda dyra tandem solceller. Solens spektrum kan delas upp i olika band och varje band kan absorberas och omvandlas till elektricitet genom de specialiserade singel-junction solceller. På detta sätt kan de dyra tandem solceller i CPV system ersättas med en parallell distribution av engångs korsning solcells utan att kompromissa med prestandan.
Den spridande element som designades i denna rapport kan tillämpas på ett reflekterande CPV-system (som bygger på maträtt reflektorer) att realisera parallellt spektrum uppdelning för ökad effektivitet sol-el konvertering och reducerad kostnad. Multilayer hög kontrast gitter (hCG) 5 används som det dispersiva elementet genom att utforma varje skikt av HCG för att arbeta som en optisk band reflektor. Strukturerna och parametrarna för det dispersiva elementet är numeriskt optimeras. Dessutom studeras tillverkning av hög kontrast galler för spridande elementet med dielektrikum (TiO 2) sputtring, nanoimprintlitografi 6 och reaktiv jonetsning och demonstreras.
Protocol
Representative Results
Discussion
För det första är mycket avgörande för HCG prestanda kvaliteten på TiO 2 filmen. Den reflektionstoppen kommer att vara högre om TiO 2 film har mindre förlust och ytfinhet. Tio 2 film med ett högre brytningsindex är också gynnsam eftersom den optiska läget inneslutning kommer att förstärkas genom en högre kontrast i index, vilket kan ge upphov till en plattare och bredare reflektionsband i HCG.
För det andra kommer tillverknings felen har betyd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöds som en del av Centrum för energi nanovetenskap, en energi Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science enligt Award nummer DE-SC0001013. Vi vill också tacka Dr Max Zhang och Dr. Jianhua Yang HP Labs för deras hjälp på TiO 2 film sputtring och brytningsindex mätning.
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).
