Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door Transfer Printing
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
Er is al lang een vraag naar de toepassing van functionele nanostructuren in een breed scala van technologisch gebied. Een van de verwachtingen voor deze trend is om nieuwe ontwerp van het apparaat architecturen leidt tot verbeterde of vernieuwende voorstellingen te openen. Op het gebied van zonnecellen, bijvoorbeeld, het gebruik van metalen nanostructuren is actief onderzocht vanwege hun intrigerende optische (bijv plasmonische) eigenschappen, 1 mogelijk gunstige effectieve licht vangsystemen construeren. 2,3 immers enkele theoretische studies 4 -6 hebben gesuggereerd dat dergelijke plasmonische licht trapping effecten overschrijding van de conventionele ray optische (texturen) -gebaseerde lichtgrens trapping. 7 Daardoor konden bereiken, het ontwikkelen van strategieën om de gewenste metalen nanostructuren te integreren met zonnecellen is steeds belangrijker geworden om deze te realiseren theoretische voorspellingen.
Een aantal strategieënvoorgesteld om deze uitdaging. 8-24 Deze omvatten bijvoorbeeld eenvoudige (low-cost) thermisch gloeien van metaalfolies 8,9 of dispersie van pre-gesynthetiseerde metaal nanodeeltjes, 10,11 beide resulteerde in succesvolle demonstraties plasmonische light trapping. Er moet echter worden opgemerkt dat de metalen nanostructuren vervaardigd door deze benaderingen doorgaans uitdagen aan te passen aan de theoretische modellen. In tegenstelling tot de traditionele nanofabricage technieken halfgeleiderindustrie, zoals fotolithografie en electron beam lithografie, 12,13 kan controlestructuren ver onder de sub-100 nm niveau, maar ze zijn vaak te duur en tijdrovend te passen op zonnecellen, waar grote-area vermogen met lage kosten is essentieel. Om de low-cost, high-throughput en groot oppervlak eisen nanoschaal beheersbaarheid, werkwijzen zoals nanoimprint lithografie, 14-16 zachte lithografie, 17,18 vervullen </sup> Nanosfeer lithografie, 19-21 en hole-masker colloïdale lithografie 22-24 zou veelbelovend. Onder deze keuzes, hebben we een zachte lithografische, geavanceerde transferdruk ontwikkelde techniek. 25 Met een nanogestructureerde poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) stempels en blokcopolymeer gebaseerde kleeflagen kan patroonvorming van gelast metalen nanostructuren gemakkelijk worden bereikt op een aantal technologisch relevant materiaal, inclusief die voor zonnecellen.
De focus van dit artikel is om de gedetailleerde procedure van onze transfer printen aanpak beschrijven effectieve licht trapping plasmonische nanostructuren te nemen in bestaande zonnecellen structuren. Als demonstratief geval Ag nanodisks en dunne-film gehydrogeneerd microkristallijn Si (uc-Si: H) zonnecellen werden geselecteerd in deze studie (figuur 1), 26 hoewel andere soorten metalen en zonnecellen verenigbaar zijn met deze benadering. Samen met zijn proceseenvoud, zou de aanpak van belang zijn voor diverse onderzoekers als een handig hulpmiddel om functionele metalen nanostructuren te integreren met apparaten.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit artikel werd een dubbel-gelaagde hard / zacht PDMS samengestelde gebruikt als stempel materialen. 27 Deze combinatie bleek essentieel te zijn voor de ouder nanostructuur precies repliceren in de vorm, waarin een hexagonaal close-verpakt ronde gaten array waarvan de diameter was van 230 nm, de diepte van 500 nm en hole hart op hart afstand van 460 nm. Wanneer slechts zachte PDMS gebruikt, het stempel steeds resulteerde in een slecht nanogestructureerde oppervlak (bijvoorbeeld geen scherpe rand in de omg…
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).
