Summary

Transfer Baskı ile Hidrojene Mikrokristal Silikon Güneş Pilleri Işık Yakalama Gümüş Nanoyapıların Entegrasyonu

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

Teknolojik alanda geniş bir fonksiyonel nano uygulama için uzun süredir bir talep vardır. Bu eğilimin beklentilerden biri geliştirilmiş ya da yenilikçi performanslar giden cihazı mimarilerinin yeni tasarım açmaktır. Güneş pillerinin alanında, örneğin metal nano kullanımının etkin dolayı ilginç optik (yani plasmonik) özellikleri, etkili ışık yakalama sistemlerini inşa etmek 1 potansiyel olarak yararlı bir araştırılmaktadır. 2,3 Gerçekten de, bazı teorik çalışmalar 4 -6 gibi plasmonik ışık yakalama güneş hücreleri ile istenen metal nano entegre stratejiler geliştirmek, konvansiyonel ışın optiği (tekstüre) Sonuç olarak ışık yakalama sınırı. 7 tabanlı aşan etkileri elde edebiliriz ileri sürmüşlerdir bu gerçekleştirmek için giderek daha önemli hale gelmiştir teorik tahminler.

Çok sayıda strateji vardırBu şartları karşılamak için önerilmiştir. 8-24 Bu, örneğin, basit (düşük) metal filmlerle 8,9 ya da önceden sentezlenmiş metal nanopartiküller dispersiyon termal tavlama için 10,11, her ikisi de başarılı gösteriler sonuçlandı içerir plasmonik ışık yakalama. Ancak, bu yaklaşımların tarafından fabrikasyon metal nanoyapılar genellikle teorik modellere maç zorlu olduğunu işaret edilmelidir. Buna karşılık, böyle bir fotolitografi ve elektron demeti litografi gibi yarı iletken sektörlerinde geleneksel nanofabrikasyon teknikleri, 12,13 de alt 100 nm seviyesinin altında yapılar kontrol edebilirsiniz, ancak genellikle çok pahalı ve olan güneş hücreleri uygulamak için zaman alıcı, düşük maliyet ile burada büyük alanlı yeteneği şarttır. Düşük maliyetli, yüksek verim ve nano ölçekli kontrol edilebilirlik ile geniş alan gereksinimleri gibi nanoimprint litografi, 14-16 yumuşak litografi, 17,18 gibi yöntemler yerine getirmek için </sup> Nanokürecikli litografi, 19-21 ve delik maskesi kolloidal litografi 22-24 umut verici olurdu. Bu seçenekler arasında, biz yumuşak litografik, gelişmiş transfer baskı tekniği geliştirdik. 25 bir nanoyapılı poli (dimetilsiloksan) (PDMS) pulları ve blok kopolimer bazlı yapıştırıcı katmanları kullanarak sipariş metal nano desen kolayca teknolojik bir dizi sağlanabilir güneş pilleri için olanlar dahil olmak üzere ilgili maddeler.

Bu yazının amacı, güneş pili yapılarının mevcut etkili ışık yakalama plasmonik nano dahil bizim transfer baskı yaklaşımının detaylı prosedürü tarif etmektir. Metal ve güneş hücreleri için diğer tipleri bu yaklaşım ile uyumlu olan, ancak güneş hücreleri bu çalışmada seçilmiştir (Şekil 1), 26: demonstrasyon bir durum olarak, Ag nanodisks ve ince-film mikrokristalin Si (lH uc-Si) hidrojenlendi. Birlikte onun süreci ilebasitlik, yaklaşma cihazları ile fonksiyonel metal nano entegre kullanışlı bir araç gibi çeşitli araştırmacıların ilgi olacaktır.

Protocol

PDMS Pullar 1. Hazırlık Politetrafloroetilen (PTFE) kap: a nanohole kalıp (50 mm x 50 mm nanoimprinted siklo olefin polimer plastik film, boyutu). Ve 2,4 (tek kullanımlık polipropilen uçlu bir dijital mikro pipet kullanarak, 6 ul) tek kullanımlık bir cam şişe vinylmethylsiloxane-dimetilsiloksan kopolimeri (50 mm x 50 mm kalıp 0.76 g) tartılır ve Pt-diviniltetrametildisilokzandır kompleksi ile karıştırarak, (tek kullanımlık bir polipropilen ucu ile bir dijital mikro pipet kullanıl…

Representative Results

H (n katmanı): Şekil 2 uc-Si yüzeyine Ag nanodisks transfer baskı için genel işlem özetlenmektedir. Kısaca, bir Ag filmi (kalınlık: 10-80 nm), elektron ışını, buharlaştırma ile nanopillar PDMS damga yüzeyi üzerine tatbik edilir. H n tabaka: Buna paralel olarak, PS-b -P2VP çözeltisi taze hazırlanmış uc-Si yüzeyine kaplanmış bir spin. Daha sonra, bir EtOH damlacık PS-b -P2VP kaplı yüzey üzerine yerleştirilir ve Ag-tevdi PD…

Discussion

Bu yazıda, bir çift katmanlı sert / yumuşak PDMS kompozit malzemeler damga olarak istihdam edildi. 27 Bu kombinasyon kesin çapı altıgen yakın dolu yuvarlak delikli bir dizi oldu kalıp, ebeveyn nano yapısını çoğaltmak için gerekli olduğu tespit edildi 230 nm, 500 nm derinliği ve 460 nm delik merkez-merkez aralığında bir. Sadece yumuşak PDMS kullanıldığında, damga her zaman kötü nanoyapılı yüzeyde sonuçlandı (örneğin, ters ayağı yapısında keskin kenar) düşük olması nede…

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).

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