Introduction
현대 사회는 재생 가능한 에너지 원으로 에너지 소비의 상당 부분을 움직이지 않고 생존 할 것이다. 이 일어날 수 있도록하기 위해, 우리는 가까운 미래에 석유 기반 에너지 원보다 낮은 비용으로 신 재생 에너지를 수확 할 수있는 방법을 찾을 수있다. 태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 신 재생 에너지입니다. 진행됨 많은 태양 에너지를 수확하여 이루어진 것을에도 불구하고, 석유 계 에너지 원과 경쟁 여전히 매우 도전적이다. 태양 전지의 효율을 개선하는 것은 태양 에너지 수확의 시스템 비용을 절감 할 수있는 가장 효율적인 방법 중 하나이다.
그것이 고가 탠덤 다중 접합 태양 전지 (2)을 악용 경제성하므로 광학 렌즈 및 접시 반사기는 일반적으로, 작은 면적의 태양 전지에 태양 광이 입사 높은 농도를 달성하기 위해 가장 집중된 광 (CPV) 시스템 (1)에 사용되는 CPV 시스템 및 합리적인 유지동시에 비용. 그들은 일반적으로 더 넓은 태양 스펙트럼 응답 및보다 전반적으로 높은 변환 효율을 갖지만 그러나, 통상 태양 전지의 대 면적 분할을 필요로 가장 비 농축 광전지 시스템의 경우, 고가의 탠덤 태양 전지는, 혼입 될 수 없다 단일 접합 태양 전지 3.
최근 평행 스펙트럼 분할 광학계의 도움 (즉 분산 요소)와, 병렬 스펙트럼 분할 광전지 기술 4 만들었다 그것을 가능한 유사하거나 더 나은 스펙트럼 범위와 변환 효율이 고가의 탠덤 태양 전지를 사용하지 않고 달성 될 수있다. 다른 태양 스펙트럼 대역으로 분할 될 수 있고, 각 대역은 흡수되고 특화된 단일 접합 태양 전지에 의해 전기로 전환시킬 수있다. 이러한 방식으로, CPV 시스템의 비싼 탠덤 태양 전지는 단일 접합 태양 전지의 병렬 분포로 대체 될 수있다성능에 타협하지 않고들.
이 보고서에서 설계된 분산 요소는 개선 된 태양 광 전기 변환 효율 및 비용 절감을위한 병렬 스펙트럼 분리를 실현할 (접시 반사기에 기초하는) 반사 CPV 시스템에 적용될 수있다. 적층 높은 콘트라스트 격자 (HCG)도 5는 광 대역 반사기로 일 HCG의 각 계층을 설계함으로써 분산 요소로서 사용된다. 구조와 분산 요소의 매개 변수가 수치 적으로 최적화되어 있습니다. 또한, 유전체를 사용하여 분산 요소에 대한 높은 콘트라스트 격자의 제작 (이산화 티탄), 스퍼터링, 나노 임프린트 리소그래피 (6) 및 반응성 이온 에칭이 연구되고 설명된다.
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Protocol
나노 임프린트 몰드 1. 빈 폴리 디메틸 실록산을 준비 (PDMS) 기판
- 실리콘 웨이퍼 처리 공정
- 아세톤, 메탄올 및 이소프로판올로 세척하여 4 인치 실리콘 웨이퍼를 청소한다.
- 이 질소 총을 이용한 드라이 불어.
- 15 분 동안 담가 내부 (30 %의 과산화수소와 황산의 혼합물을 3 일) 피라나 용액을 사용하여 청소한다.
- 탈 이온수로 씻어. 질소 총을 사용하여 건조 불어.
- 유리 데시 케이 터에 웨이퍼를 놓습니다. 데시 케이 터에 제 (트리클로로)를 해제 한 방울 (20 방울 = 1 ml)에 추가한다.
- 게이지가 -762 토르 표시 될 때까지 데시 케이 터를 펌프와 5 시간 동안 기다립니다.
- 박리제로 처리 된 웨이퍼 아웃 보자.
- PDMS 필름의 제조 (나노 임프린트의 몰드로 사용)
- 실리콘 엘라스토머 염기 10g 및 경화제의 1g을 단다.
- 같은 유리 비커에 추가.
- STI는R 및 5 분 동안 유리 막대로 혼합한다.
- 게이지가 모든 갇힌 공기 방울을 펌프 -762 토르 표시 될 때까지 진공 데시 케이 터에 혼합물을 넣어.
- 처리 한 4 인치 실리콘 웨이퍼 상에 균등하게 확산.
- PDMS 막을 경화 80 ° C에서 7 시간 동안 진공 오븐에서 위에 PDMS와 웨이퍼를 굽는다.
2. (마스터 금형에서 중복) 나노 임프린트 몰드를 준비
- 1500 rpm에서 30 초 동안 깨끗한 빈 실리콘 웨이퍼 상에 UV 경화성 레지스트 열두 방울 (20 방울 = 1 mL) 중 (15.2 %)을 스핀.
- 조심스럽게 처리 한 실리콘 웨이퍼 오프 PDMS 막의 일부를 박리.
- 경화 저항 자외선에 PDMS 필름을 넣고는 UV가 다음 5 분 레지스트를 벗겨 흡수 할 수 있습니다.
- 두 번 같은 PDMS 막 위에 2.1-2.3 반복한다. 자외선은 각각 3 분 1 분 동안 저항을 사용하여 흡수시킬 것.
- 실리콘 마스터 몰드에 (세 시간 자외선 흡수에 저항 후) PDMS 필름을 놓습니다.
- 질소 환경 챔버에 넣어.
- 5 분 동안 샘플을 치료하는 UV 램프를 켭니다.
- PDMS 필름을 벗겨. UV 경화는 마스터 몰드의 네가티브 패턴을 유지할 PDMS 레지스트.
- 사용 RF O 2 플라즈마 PDMS 몰드를 치료한다. (RF 전력 : 30 W, 압력 : 260 mTorr의 시간 : 1 분)
- 2 시간 동안 박리제 한 방울 (20 방울 = 1 ml)로 진공 챔버에 PDMS 몰드를 놓는다.
3. 나노 임프린트 패턴 전송
- 기판 상에 PMMA의 팔 방울 (20 방울 = 1 ㎖) (996k, 3.1 %)를 스핀은 3,500 rpm에서 50 초 동안 각인합니다.
- 120 ℃에서 5 분 동안 열판을 굽는다.
- 시료가 식을 때까지 기다립니다.
- 동일 기판 상에 UV 여덟 방울 (20 방울 = 1 ㎖) 경화성은 (3.9 %)을 레지스트 스핀.
- 샘플 (UV 모두 저항 및 PMMA)에 PDMS 몰드 (단계 2에서 제조)를 놓습니다.
- 질소 환경 챔버에 넣어.
- 5 분 동안 치료하는 UV 램프를 켭니다.
- 필 오프 샘플 PDMS 몰드와 PDMS 몰드의 패턴 샘플에 전사 얻는다.
4. CR의 리프트 오프 (lift-off) 공정
- 잔류 자외선의 레지스트 층과 PMMA를 반응성 이온 에칭
참고 : ICP 기계에 대한 SOP는 https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf에서 찾을 수 있습니다- RIE ICP 시스템에 로그인합니다.
- 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를로드합니다. 10 분 동안 깨끗한 레시피를 실행합니다.
- 빈 실리콘 웨이퍼를 꺼내.
- 다른 깨끗한 실리콘 웨이퍼 상에 샘플을 장착하고 시스템에로드합니다.
- 자외선은 2 분 동안 에칭 레시피를 저항 실행 (제조법은 표 1에서 찾아 볼 수있다).
- 샘플을 가져 가라. 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를로드합니다. 다시 실행 깨끗한 레시피를 10 분 동안 (표 1에서 찾아 볼 수있다).
- 깨끗한 실리콘 웨이퍼 상에 샘플을 탑재하고 시스템에로드.
- 2 분 동안 (표 1에서 찾을 수 있습니다) PMMA 에칭 레시피를 실행합니다.
참고 : 이제 잔류 에칭 된 레지스트 및 기판이 노출되어있다.
- CR E - 빔 증발
- 전자 빔 증발기에 로그인합니다.
- 챔버에 CR 금속 소스 및 샘플을로드합니다.
- 두께 (20 ㎚) 및 증착 속도 (/ 초 0.03 nm의)를 설정합니다.
- 필요한 진공 (10-7 토르)까지 실을 펌프하는 것은 도달한다.
- 증착 프로세스를 시작한다.
- 증착이 완료된 후 샘플을 가져 가라.
- 리프트 오프 (lift-off) CR 절차
- 5 분 동안 초음파 교반 아세톤에 시료를 담그.
- 아세톤, 메탄올, 이소프로판올로 세척하여 샘플을 청소합니다.
참고 : 전원이 해제됩니다 레지스트 및 기판 에칭 CR 마스크를 형성에 CR 증발.
5. 이산화 티탄 출발지osition
- 로드 샘플.
- 직류 마그네트론 스퍼터링 장치에 대한 매개 변수를 설정
- 1.5 mTorr 이하의 챔버 압력, 100 SCCM의 아르곤 흐름과 130 W.의 스퍼터링 전력을 사용
- 27 ° C의 온도 및 20 rpm의 단계 회전 수를 사용한다.
- 스퍼터 공정을 시작하고 원하는 두께로 중지합니다.
- 샘플을 가지고 3 시간 동안 300 ℃에서 산소 환경에서 이산화 티탄 필름을 어닐링.
6. 고 대비 격자 에칭
- 유도 결합 플라즈마 (ICP), 반응성 이온 에칭 (RIE) 장치에 로그인.
- 이산화 티탄 에칭
- 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를 적재.
- 시작하고 깨끗한 레시피를 실행 10 분 동안 (표 1에서 찾아 볼 수있다).
- 빈 웨이퍼를로드 언로드 및 CR 마스크와 샘플을로드합니다.
- 에칭 시간을 설정합니다. 이산화 티탄 에칭 레시피를 시작합니다. 에칭 공정 의지 자동matically 중지합니다.
- 샘플을 언로드합니다.
- SiO2를 에칭
- SiO2를 에칭 조리법을 사용 제외 단계를 반복 5.2.
7. 반사율 측정
- 로그인 및 측정 시스템을 켭니다.
- 샘플 홀더에 반사율 표준 거울을 놓고 광학 경로를 맞 춥니 다.
- 100 %의 반사율을 보정 시스템.
- 반사율 표준 거울을 벗고 HCG를 놓습니다.
- HCG의 반사율을 측정합니다.
- 데이터를 저장하고 측정 시스템의 로그 아웃.
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Representative Results
도 1은 농축 광전지 시스템에서 분산 요소 (다층 높은 콘트라스트 격자 (HCG))의 구현을 도시한다. 태양 광은 제 차 미러에 의해 반사 된 빔이 반사되고, 다른 파장의 상이한 대역들로 분할되어 반사 분산 요소에 충돌한다. 각 대역은 전기 가장 흡수 및 전환 용 태양 전지 어레이상의 특정 위치에 충돌한다. 본 시스템의 핵심은 설계 및 HCG의 여러 층으로 구성되는 분산 요소의 구현이다.
도 2는 분산 형 소자의 각 층에 대한 수치 최적화 결과를 나타낸다. 결과를 유한 차분 시간 영역 (FDTD) 7 기반 상업 시뮬레이션 소프트웨어 "Lumerical"더욱 정밀 결합 파 분석 (RCWA) (8)에 의해 검증하여 계산되었다. 굴절률이산화 티탄의 SOPRA 9 온라인 데이터베이스에서였다. 최적화 여섯 층 분산 요소는 전체 태양 스펙트럼 10,11 통해 90 % 이상의 전반사를 제공 할 수있다.
실험적으로, 분산 요소 HCG 구조 여섯 층의 하나는 나노 임프린트 제조를 이용하여 제조되는 HCG의 광대역 반사율을 설명하기. 도 3에 도시 된 바와 같이, 각각의 격자 블록은 두 부분으로 구성된다. 격자 상부의 재료는 이산화 티탄이고 서브 격자의 재료는 용융 실리카된다. 2D HCG의 피치는 453 ㎚이다. 각 격자의 선폭은 220 ㎚이다. 모두 상단 및 부 격자의 높이가 340 ㎚이다. 기판의 재료는 서브 격자와 동일하다.
이산화 티탄은, 직류 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 HP Labs의 용융 실리카를 증착시켰다. 챔버 압력은 약 100 sccm의 아르곤 흐름 1.5 mTorr로했다. 스퍼터 전력130 W이었고 레이트 / 분 4 nm였다. 이산화 티탄 필름의 두 배치는 각각 다른 온도에서 27 ° C에서 270 ° C의 스퍼터링했다. 심지어 성막을 보장하기 위해, 기판 스테이지 회전 스퍼터링시 (20 RPM) 켜져 있었다. 이산화 티탄 필름의 두 배치는 막 품질을 향상시키기 위해 스퍼터링 후 3 시간 동안 300 ℃에서 어닐링 하였다. 증착 한 후, 이산화 티탄 막의 모두 일괄 사형 전자 현미경 (SEM) (도 4)을 이용하여 조사 하였다. 이산화 티탄 박막의 굴절률은 또한 (도 5)를 측정 하였다. 필름 그러나 막의 거칠기가 훨씬 높았다 또한도 4에서 관찰 될 수있는 다공질. 높은 스퍼터링 온도는 굴절률을 증가시킬 수 없기 때문에 측정 한 굴절률은 표준 데이터베이스보다 10 % 낮았다. 굴절률 및 막 거칠기 간의 양호한 균형을 달성하기 위해, 이산화 티탄 막은 스푸 된27 ° C에서 tered는 격자 재료로 선택되었다.
나노 임프린트 제조를위한 주요 단계가도 6에 개략적으로 도시되어있다. 우선, 특정 패턴을 가진 몰드는 UV 경화성이 기판 상에 레지스트에 압착된다. 그 후 UV 광은 경화 레지스트에 적용된다. 경화 후, 몰드는 기판으로부터 분리하고, 레지스트의 형상은 정확하게 금형의 대향 될 수있다. 임프린트 패턴은, 레지스트 잔류, 증착 된 금속을 에칭 리프트 오프 및 최종적으로 기판을 에칭하기 위해 마스크로서 사용될 수있다. 이와 같이, 금형의 형상은 기판에 전사 얻는다.
2D HCG를 제작, 금형 간섭 리소그래피 (12)에 의해 제작 된 1D주기적인 격자 실리콘 마스터에서 복제됩니다. 다음 동일한 몰드 패턴 2D 구멍 어레이 (도 7)에 동일한 실리콘 기판 상에 직교하는 방향으로 두 번 임프린트하는 데 사용된다. 하이브리드 나노 임프린트 <SUP> (13) 프로세스는 높은 해상도와 작은 결함이 대 면적 샘플을 만들 수 있습니다. 임프린트 결과 (2D 구멍 어레이 실리콘 어레이)는도 8에 도시되어있다. 에지의 거칠기는 상기 에지 평활화 기술 (14)의 도움으로 감소 될 수있다.
나노 임프린트 패터닝 및 CR 마스크 배열이 완료된 후, ICP RIE 시스템은 샘플을 에칭하는데 사용된다. 두 가지 다른 에칭 레시피는 표 1에 도시 된 각각의 실리카를 이산화 티탄으로 개발되고 합성 하였다. 제조 된 구조는도 9에 도시된다.
2D HCG의 (수직 입사각에서) 반사율 감지기의 다른 유형, 정상 검출기와 구 통합 검출기 개의 상이한 분광계를 사용하여 측정 하였다. 구 통합 검출기 달리, 정상 검출기 수용의 비교적 작은 각도를 가지므로, 산란 L를받을 수 없습니다ight. 도 10에 나타낸 바와 같이 두 검출기에 의해 측정 된 반사율 곡선의 차이는 광이 때문에 구조 HCG 거칠기에 의해 산란되는 것을 나타낸다. 적분 구 측정 및 시뮬레이션 데이터와의 차이는 재료 및 제작 오차의 손실에 주로 기인한다. 반사율 곡선은 제조 장치는 분산 요소는 1 층으로 대역 반사기로 동작 할 수 있음을 입증 할 수있다. 인해 격자와 기판 사이의 인덱스 높은 콘트라스트, HCG 좋은 각도 독립성을 갖는다. 입사각이 15 °보다 작을 때, 반사율 곡선은 크게 변화하지 않을 것이다.
그림 1 : 집중 태양 광 (CPV) 시스템에서 분산 요소 (멀티 HCG)의 구현입니다.
그림 2 : 수치 태양 스펙트럼의 대부분을 커버 할 수있는 분산 요소 설계 (HCG 스택 여섯 층)에 대한 반사율 곡선을 최적화.
그림 3 : 나노 임프린트 제작을 보여주는 HCG의 최적화 된 구조.
그림 4 :에서 스퍼터링 이산화 티탄 필름의 SEM 이미지 (단면도) (A) 27 ° C와 (b)는 270 ° C. 더 크게 보려면 여기를 클릭하십시오이 그림의 버전입니다.
그림 5 : 측정 및 표준 굴절 (SOPRA 데이터베이스) 스퍼터링 이산화 티탄 영화의 인덱스.
그림 6 :. 나노 임프린트 제조 공정 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7 : 2D 구멍 배열 실리콘 마스터 (평면도)의 SEM 이미지.
그림 8 : PDMS 기반의 나노 임프린트에 의해 제작 된 2D 구멍 배열 실리콘 마스터의 사진.
그림 9 : 제작 된 2D HCG의 SEM 이미지 (단면도).
도 10 : 한 모의 반사율 곡선을 각각 구 통합 검출기 및 검출기를 사용하여 통상의 두 측정 반사율 곡선.
도 11 : 굴절률 (a) 효과HCG의 반사율에; (b)는 HCG의 반사율에 측벽 각도의 효과. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| ICP 전력 | 앞으로 전력 | SF 6 흐름 | C 4 F 8 흐름 | O 2 흐름 | 압력 | 에칭 속도 | |
| 이산화 티탄 | 0 승 | 25 W | 25 SCCM | 10 SCCM | 10 SCCM | 10 mTorr로 | 43 나노 미터 / 분 |
| 용융 실리카 | 0 승 | 100 W | 0 SCCM | 15 SCCM | 15 SCCM | 10 mTorr로 | 20 ㎚ / 분 |
| 저항 | 0 승 | 25 W | 25 SCCM | 15 SCCM | 0 | 10 mTorr로 | 22 나노 미터 / 분 |
| PMMA | 0 승 | 30 W | 0 | 0 | 30 SCCM | 2 mTorr로 | 55 나노 미터 / 분 |
| 깨끗한 | 1,000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 SCCM | 50 mTorr로 | NA |
표 1 : 이산화 티탄의 에칭 조리법, 용융 실리카, 자외선, PMMA 깨끗한 저항.
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Discussion
우선, 이산화 티탄 막의 품질 HCG 성능에 매우 중요하다. 이산화 티탄 막은 적은 손실 및 표면 거칠기를 갖는 경우, 반사율 피크는 높을 것이다. 광학 모드가 한정 HCG의 평탄한 야기하고 넓은 반사 밴드를 제공 할 수있는 인덱스 높은 콘트라스트에 의해 향상되기 때문에 더 높은 굴절률과 이산화 티탄 막도 바람직하다.
둘째로, 제조 오차 HCG에 상당한 영향을 미칠 것이며, 피해야한다. 제작에 도입 된 거칠기는 산란 할 더 많은 빛을 발생할 수 있으므로 반사율이 낮은 될 것입니다. 선 폭, 높이 및 피치를 포함 HCG 제조에서 파라미터의 편차는 시뮬레이션 장치에 최적으로 작동하도록 허용하지 않을 것이다. 또한, HCG의 반사율 강하게 측벽의 각도 즉, 에칭 프로파일에 의존한다. 도 11, 측벽 각의 사실상HCG의 반사율에의 수치 계산된다. 측벽의 각도가 84 °, 90 °에서 감소 된 바와 같이 측벽 각이 작은 경우 HCG 더 원뿔형 반사 방지막과 같이 동작하기 때문에, 평균 반사율이 50 % 미만 90 % 이상에서 떨어진다.
HCG의 각 층의 반사율이 가능한 높아야하므로 분산 소자의 광효율, CPV 시스템의 전체 효율에 중요하다. 제조 된 층의 광학적 효율이 약 60 % 인 반면, 상술 한 논의에 기초하여 더 HCG 반사율에 대한 여러 가지의 개선이있다. 이산화 티탄의 스퍼터링 조건은 더 높은 지수 미만의 표면 거칠기 및 낮은 광 손실과 필름을 생성하도록 최적화 될 수있다. 드라이 에칭 레시피는 상기 가스의 조합 (C 4 F를 조정함으로써 달성 될 수 곧은 격자를 만들고, 더 나은 에칭 프로파일 조정되어야8, SF 6 및 O 2) 에칭 균형을 재 증착 공정. 나노 임프린트 및 리프트 오프 공정은 불필요한 산란 광 전반적인 효율성을 증가시키기 위해 감소 될 수 있도록 조도 및 제조 오류를 방지하기 위해 개선되어야한다.
다른 피치 두 차원 HCGs의 여러 층을 적층함으로써, 분산 거울은 훨씬 광범위한 스펙트럼에서 작동 할 수 있습니다. 거울 수있는 다른 경사 각도에서 이후 모든 HCG 층을 포장하는 방법으로 파장에 따라 다른 각도로 반사하여 직접 빛. 또한, 분산 미러 큰 면적 및 저비용 나노 임프린트 리소그래피 (NIL)를 이용하여 제조 될 수있다. 이 전위를 갖는 태양 광 변환 효율을 향상시키기 위해 업계 널리 인정 될 정도로 더욱이, 제안 된 시스템은 기존의 태양 광 집중 (CPV) 설정에 쉽게 통합 할 수 있습니다.
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Acknowledgments
이 연구는 에너지 나노, 수상 번호 DE-SC0001013에서 에너지, 과학의 사무실의 미 교육부에 의해 투자 에너지 프론티어 연구 센터의 센터의 한 부분으로 지원되었다. 우리는 또한 이산화 티탄 박막 스퍼터링 및 굴절률 측정에 그들의 도움 박사 최대 장과 HP 연구소의 박사 지안 후아 양 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 184 Silcone 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
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