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Engineering

एक केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली में स्पेक्ट्रम बंटवारे फैलानेवाला तत्व के लिए उच्च कंट्रास्ट gratings के निर्माण

Published: July 18, 2015 doi: 10.3791/52913
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Electrical Engineering, University of Sothern California

Introduction

हमारे आधुनिक समाज अक्षय ऊर्जा स्रोतों के लिए ऊर्जा की खपत का एक महत्वपूर्ण भाग ले जाए बिना जीवित नहीं रह जाएगा। ऐसा करने के लिए, हम निकट भविष्य में पेट्रोलियम आधारित ऊर्जा स्रोतों की तुलना में कम कीमत पर अक्षय ऊर्जा फसल के लिए एक रास्ता खोजना होगा। सौर ऊर्जा पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में अक्षय ऊर्जा है। प्रगति का एक बहुत सौर ऊर्जा संचयन में किया गया है उस के बावजूद, यह पेट्रोलियम आधारित ऊर्जा स्रोतों के साथ प्रतिस्पर्धा करने के लिए अभी भी बहुत चुनौतीपूर्ण है। सौर कोशिकाओं की दक्षता में सुधार सौर ऊर्जा संचयन की व्यवस्था की लागत को कम करने के लिए सबसे कारगर तरीकों में से एक है।

इसमें महंगा मिलकर बहु जंक्शन सौर कोशिकाओं 2 फायदा उठाने के लिए आर्थिक रूप से व्यवहार्य है ताकि ऑप्टिकल लेंस और पकवान रिफ्लेक्टर आम तौर पर छोटे-क्षेत्र सौर कोशिकाओं पर सौर ऊर्जा घटना के एक उच्च एकाग्रता को प्राप्त करने के लिए सबसे केंद्रित फोटोवोल्टिक (सीपीवी) सिस्टम 1 में उपयोग किया जाता है सीपीवी सिस्टम, और एक उचित बनाए रखने के लिएएक ही समय में खर्च हुए। वे आम तौर पर एक व्यापक सौर स्पेक्ट्रम प्रतिक्रिया और की तुलना में एक उच्च कुल रूपांतरण दक्षता हालांकि, हालांकि आमतौर पर सौर कोशिकाओं के एक बड़े क्षेत्र किस्त की आवश्यकता होती है जो सबसे गैर-केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली, के लिए, उच्च लागत मिलकर सौर कोशिकाओं, निगमित नहीं किया जा सकता एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं 3।

हाल ही में, समानांतर स्पेक्ट्रम बंटवारे प्रकाशिकी की मदद (यानी फैलानेवाला तत्व) के साथ, समानांतर स्पेक्ट्रम बंटवारे फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी 4 बना दिया है यह संभव है एक समान या बेहतर स्पेक्ट्रम कवरेज और रूपांतरण दक्षता महंगा मिलकर सौर कोशिकाओं का उपयोग कर के बिना हासिल किया जा सकता है। सौर स्पेक्ट्रम अलग बैंड में विभाजित किया जा सकता है और प्रत्येक बैंड अवशोषित और विशेष एकल जंक्शन सौर कोशिकाओं द्वारा बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है। इस तरह, सीपीवी सिस्टम में महंगा मिलकर सौर कोशिकाओं एकल जंक्शन सौर सेल के एक समानांतर वितरण द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता हैप्रदर्शन पर कोई समझौता किए बिना है।

इस रिपोर्ट में डिजाइन किया गया था कि फैलानेवाला तत्व सुधार सौर-बिजली रूपांतरण दक्षता और कम लागत के लिए समानांतर स्पेक्ट्रम बंटवारे का एहसास करने के लिए (पकवान रिफ्लेक्टर के आधार पर किया जाता है) एक चिंतनशील सीपीवी प्रणाली में लागू किया जा सकता है। बहुपरत उच्च विपरीत gratings (एचसीजी) 5 एक ऑप्टिकल बैंड परावर्तक के रूप में काम करने के लिए एचसीजी के प्रत्येक परत डिजाइन द्वारा फैलानेवाला तत्व के रूप में प्रयोग किया जाता है। संरचनाओं और फैलानेवाला तत्व के मापदंडों संख्यानुसार अनुकूलित कर रहे हैं। इसके अलावा, ढांकता का उपयोग करके फैलानेवाला तत्व के लिए उच्च विपरीत gratings के निर्माण (2 Tio) sputtering, nanoimprint लिथोग्राफी 6 और प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी का अध्ययन किया और प्रदर्शन किया है।

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Protocol

Nanoimprint मोल्ड के लिए 1. खाली polydimethylsiloxane तैयार करें (PDMS) सब्सट्रेट

  1. सिलिकॉन वेफर उपचार प्रक्रिया
    1. एसीटोन, मेथनॉल और isopropanol के साथ rinsing द्वारा एक 4 इंच सिलिकॉन वेफर साफ करें।
    2. यह नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर शुष्क उड़ा।
    3. 15 मिनट के लिए अंदर भिगोने से: (30% हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ सल्फ्यूरिक एसिड की 1 मिश्रण 3) पिरान्हा समाधान का उपयोग कर यह साफ करें।
    4. डि पानी से कुल्ला। नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर शुष्क उड़ा।
    5. एक गिलास desiccator में वेफर रखें। Desiccator में एजेंट (trichlorosilane) जारी करने की एक बूंद (20 बूँदें = 1 मिलीलीटर) जोड़ें।
    6. गेज -762 Torr पढ़ता है जब तक desiccator नीचे पंप और 5 घंटे के लिए प्रतीक्षा करें।
    7. एजेंट को रिहा करने के साथ इलाज किया गया है जो वेफर बाहर, ले लो।
  2. PDMS फिल्म की तैयारी (nanoimprint में मोल्ड के रूप में प्रयुक्त)
    1. सिलिकॉन elastomer बेस के 10 ग्राम और इलाज के एजेंट के 1 ग्राम वजन।
    2. एक ही गिलास बीकर में उन्हें जोड़ें।
    3. एसटीआईआर और 5 मिनट के लिए एक गिलास छड़ी के साथ मिश्रण।
    4. गेज सब फंस हवाई बुलबुले बाहर पंप करने के लिए -762 Torr पढ़ता है जब तक एक निर्वात desiccator में मिश्रण डालो।
    5. इलाज किया 4 इंच सिलिकॉन वेफर पर उन्हें समान रूप से बिखरा हुआ है।
    6. PDMS फिल्म का इलाज करने के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर 7 घंटा के लिए वैक्यूम ओवन में शीर्ष पर PDMS साथ वेफर बनाओ।

2. (मास्टर आचारण से दोहराव) nanoimprint मोल्ड तैयार करें

  1. 1500 rpm पर 30 सेकंड के लिए एक साफ रिक्त सिलिकॉन वेफर पर इलाज का विरोध यूवी के बारह बूँदें (20 बूँदें = 1 मिलीलीटर) (15.2%) स्पिन।
  2. ध्यान से इलाज सिलिकॉन वेफर बंद PDMS फिल्म का एक टुकड़ा छील।
  3. इलाज का विरोध यूवी पर PDMS फिल्म डाल दिया है और यह यूवी फिर 5 मिनट के लिए विरोध में यह बंद छील को अवशोषित करते हैं।
  4. दो बार के लिए एक ही PDMS फिल्म पर 2.1-2.3 दोहराएँ। यूवी क्रमश: 3 मिनट और 1 मिनट के लिए विरोध को अवशोषित।
  5. एक सिलिकॉन मास्टर मोल्ड पर (तीन बार यूवी अवशोषण विरोध के बाद) PDMS फिल्म रखें।
  6. नाइट्रोजन वातावरण के साथ एक कक्ष में रखो।
  7. 5 मिनट के लिए नमूना इलाज करने के लिए यूवी लैम्प चालू करें।
  8. PDMS फिल्म को छीलकर। ठीक यूवी मास्टर मोल्ड के नकारात्मक पैटर्न रखेंगे PDMS पर विरोध।
  9. आरएफ का उपयोग ओ 2 प्लाज्मा PDMS ढालना इलाज के लिए। (आरएफ शक्ति: 30 डब्ल्यू, दबाव: 260 mTorr, समय: 1 मिनट)
  10. 2 घंटे के लिए एजेंट को रिहा करने की एक बूंद (20 बूँदें = 1 मिलीलीटर) के साथ एक निर्वात चैम्बर में PDMS ढालना रखें।

3. nanoimprint पैटर्न का स्थानांतरण

  1. सब्सट्रेट पर PMMA के आठ बूँदें (20 बूँदें = 1 मिलीलीटर) (996k, 3.1%) स्पिन 3500 rpm पर 50 सेकंड के लिए अंकित किया जाना है।
  2. 120 डिग्री सेल्सियस पर 5 मिनट के लिए एक hotplate पर सेंकना।
  3. नमूना शांत करने के लिए प्रतीक्षा करें।
  4. एक ही सब्सट्रेट पर यूवी के आठ बूँदें (20 बूँदें = 1 मिलीलीटर) का इलाज (3.9%) का विरोध स्पिन।
  5. नमूना (यूवी दोनों के साथ विरोध और PMMA) पर PDMS मोल्ड (चरण 2 में तैयार) रखें।
  6. नाइट्रोजन वातावरण के साथ एक कक्ष में रखो।
  7. 5 मिनट के लिए इलाज के लिए यूवी लैम्प चालू करें।
  8. पील नमूना बंद PDMS ढालना और PDMS ढालना पर पैटर्न नमूना को हस्तांतरित हो जाता है।

4. सीआर लिफ्ट बंद प्रक्रिया

  1. अवशिष्ट यूवी की परत का विरोध और PMMA नक़्क़ाशी प्रतिक्रियाशील आयन
    नोट: आईसीपी मशीन के लिए घूस https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf पर पाया जा सकता है
    1. आर.आई.ई. आईसीपी मशीन में प्रवेश करें।
    2. एक खाली 4 इंच सिलिकॉन वेफर लोड करें। 10 मिनट के लिए स्वच्छ नुस्खा चलाएँ।
    3. खाली सिलिकॉन वेफर बाहर ले जाओ।
    4. एक और साफ सिलिकॉन वेफर पर नमूना पर्वत और मशीन में लोड।
    5. यूवी 2 मिनट के लिए एचिंग नुस्खा विरोध चलाएं (नुस्खा 1 टेबल में पाया जा सकता है)।
    6. नमूना बाहर ले जाओ। एक खाली 4 इंच सिलिकॉन वेफर लोड करें। पुन: चलाने साफ नुस्खा 10 मिनट के लिए (1 टेबल में पाया जा सकता है)।
    7. एक साफ सिलिकॉन वेफर पर नमूना माउंटऔर मशीन में लोड।
    8. 2 मिनट के लिए (1 टेबल में पाया जा सकता है) PMMA एचिंग नुस्खा चलाएँ।
      नोट: अब अवशिष्ट etched गया है विरोध और सब्सट्रेट अवगत कराया है।
  2. सीआर ई-बीम वाष्पीकरण
    1. ई-बीम बाष्पीकरण में प्रवेश करें।
    2. चेंबर में सीआर धातु स्रोत और नमूना लोड।
    3. मोटाई (20 एनएम) और जमा दर (/ सेक 0.03 एनएम) निर्धारित करें।
    4. आवश्यक निर्वात (10 -7 Torr) तक चैम्बर पम्प तक पहुँच जाता है।
    5. जमाव की प्रक्रिया शुरू करें।
    6. बयान समाप्त होने के बाद नमूना बाहर ले जाओ।
  3. लिफ्ट बंद सीआर प्रक्रिया
    1. 5 मिनट के लिए अल्ट्रासोनिक आंदोलन के साथ एसीटोन में नमूना विसर्जित कर दिया।
    2. एसीटोन, मेथनॉल और isopropanol के साथ rinsing द्वारा नमूना साफ करें।
      नोट: बंद उठाया जाएगा विरोध और सब्सट्रेट एचिंग के लिए एक करोड़ रुपए का मुखौटा का गठन किया है पर सीआर सुखाया।

5. 2 Tio रवानगीosition

  1. लोड नमूना।
  2. प्रत्यक्ष वर्तमान magnetron sputtering मशीन के लिए मानकों सेट
    1. एक 1.5 mTorr के चैंबर दबाव, 100 SCCM का आर प्रवाह और 130 डब्ल्यू के एक sputtering शक्ति का प्रयोग करें
    2. 27 डिग्री सेल्सियस के तापमान और 20 rpm के एक चरण रोटेशन की गति का प्रयोग करें।
  3. धूम प्रक्रिया शुरू करने और इच्छित मोटाई पर बंद करो।
  4. नमूना बाहर ले जाओ और 3 घंटे के लिए 300 डिग्री सेल्सियस पर ऑक्सीजन वातावरण में 2 Tio फिल्म पानी रखना।

6. उच्च कंट्रास्ट झंझरी एचिंग

  1. उपपादन द्वारा मिलकर प्लाज्मा (आईसीपी) प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आर.आई.ई.) मशीन में प्रवेश करें।
  2. 2 Tio एचिंग
    1. एक खाली 4 इंच सिलिकॉन वेफर लोड करें।
    2. आरंभ और स्वच्छ नुस्खा चलाने के 10 मिनट के लिए (1 टेबल में पाया जा सकता है)।
    3. रिक्त वेफर लोड अनलोड और सीआर मुखौटा के साथ नमूना लोड।
    4. एचिंग समय निर्धारित करें। 2 Tio एचिंग नुस्खा प्रारंभ करें। एचिंग कार्रवाई करेंगे ऑटोmatically बंद करो।
    5. नमूना उतारना।
  3. 2 Sio एचिंग
    1. 2 Sio एचिंग नुस्खा इस्तेमाल को छोड़कर दोहराएँ कदम 5.2।

7. Reflectance मापन

  1. में प्रवेश करें और माप प्रणाली पर बारी।
  2. नमूना धारक पर reflectance के मानक दर्पण प्लेस और ऑप्टिकल पथ संरेखित करें।
  3. 100% reflectance के लिए इस प्रणाली को जांचना।
  4. Reflectance के मानक दर्पण उतारो और एचसीजी जगह है।
  5. एचसीजी के reflectance के उपाय।
  6. डेटा को बचाने और माप प्रणाली से बाहर लॉग इन करें।

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Representative Results

चित्रा 1 एक केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली में फैलानेवाला तत्व (बहुपरत उच्च विपरीत झंझरी (एचसीजी)) के कार्यान्वयन से पता चलता है। सूरज की रोशनी पहले प्राथमिक दर्पण से परिलक्षित होता है और किरण दिखाई देता है और अलग अलग तरंग दैर्ध्य के विभिन्न बैंड में विभाजित है जहां चिंतनशील फैलानेवाला तत्व, पर impinges है। प्रत्येक बैंड बिजली के लिए सबसे अच्छा अवशोषण और रूपांतरण के लिए सौर सेल सरणी पर एक निश्चित स्थान पर टकराना होगा। इस प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण डिजाइन और एचसीजी के कई परतों से बना है जो फैलानेवाला तत्व है, के कार्यान्वयन है।

चित्रा 2 फैलानेवाला तत्व में प्रत्येक स्तर के लिए संख्यात्मक अनुकूलन परिणाम से पता चलता है। परिणामों परिमित अंतर समय डोमेन (FDTD) 7 आधारित वाणिज्यिक सिमुलेशन सॉफ्टवेयर "है Lumerical" और आगे कठोर युग्मित-लहर विश्लेषण (RCWA) 8 द्वारा मान्य द्वारा गणना की गई। अपवर्तनांक2 Tio की Sopra 9 ऑनलाइन डेटाबेस से किया गया था। अनुकूलित छह-परत फैलानेवाला तत्व संपूर्ण सौर स्पेक्ट्रम 10,11 से अधिक से अधिक 90% की कुल प्रतिबिंब प्रदान कर सकते हैं।

प्रयोगात्मक, फैलानेवाला तत्व एचसीजी संरचना में छह परतों में से एक nanoimprint निर्माण का उपयोग कर निर्मित है एचसीजी के ब्रॉडबैंड reflectance प्रदर्शित करने के लिए। 3 चित्र में दिखाया गया है, प्रत्येक झंझरी ब्लॉक दो हिस्से होते हैं। शीर्ष झंझरी की सामग्री TiO 2 और उप झंझरी की सामग्री सिलिका जुड़े हुए है। 2 डी एचसीजी की पिच 453 एनएम है। प्रत्येक झंझरी की लाइन चौड़ाई 220 एनएम है। दोनों ऊपर और उप झंझरी की ऊंचाई 340 एनएम है। सब्सट्रेट की सामग्री उप झंझरी के रूप में ही है।

2 Tio एक प्रत्यक्ष वर्तमान मैग्नेट्रान धूम मशीन का उपयोग कर एचपी लैब्स में जुड़े सिलिका पर जमा किया गया था। चैम्बर दबाव 100 SCCM के बारे में एक की गिरफ्तारी के प्रवाह के साथ 1.5 mTorr था। धूम बिजली130 डब्ल्यू था और दर / मिनट 4 समुद्री मील दूर था। 2 Tio फिल्म के दो बैचों में क्रमश: अलग तापमान पर 27 डिग्री सेल्सियस और 270 डिग्री सेल्सियस sputtered गया। एक भी फिल्म बयान सुनिश्चित करने के लिए, सब्सट्रेट चरण रोटेशन sputtering के दौरान (20 आरपीएम) पर दिया गया था। 2 Tio दोनों फिल्मों के बैचों फिल्म की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए sputtering के बाद 3 घंटे के लिए 300 डिग्री सेल्सियस पर annealed थे। बयान के बाद, 2 Tio फिल्मों के दोनों बैचों एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) (चित्रा 4) का उपयोग कर जांच की गई। 2 Tio फिल्मों की अपवर्तक सूचकांक भी (चित्रा 5) मापा गया। फिल्म हालांकि फिल्म का खुरदरापन बहुत अधिक था, यह भी चित्रा 4 में देखा जा सकता है जो झरझरा। एक उच्च sputtering के तापमान अपवर्तनांक में वृद्धि कर सकता था क्योंकि मापा अपवर्तक सूचकांक, मानक डेटाबेस की तुलना में 10% कम थे। अपवर्तक सूचकांक और फिल्म खुरदरापन के बीच एक अच्छा संतुलन तक पहुँचने के लिए, 2 Tio फिल्म sput किया गया था जो27 डिग्री सेल्सियस पर पंजीकृत झंझरी सामग्री के रूप में चुना गया था।

nanoimprint निर्माण के लिए प्रमुख कदम रेखाचित्र के रूप में 6 चित्र में दिखाए जाते हैं। सबसे पहले, निश्चित पैटर्न के साथ एक फफूंदी यूवी का इलाज सब्सट्रेट पर विरोध पर दबाया जाता है। फिर पराबैंगनी प्रकाश का विरोध इलाज करने के लिए लागू किया जाता है। इलाज करने के बाद, मिट्टी सब्सट्रेट से अलग कर दिया और विरोध के आकार बिल्कुल मोल्ड के विपरीत है किया जा सकता है। अंकित पैटर्न, अवशिष्ट का विरोध, जमा धातु खोदना बंद लिफ्ट और अंत में सब्सट्रेट में खोदना मुखौटा के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इस तरह, मोल्ड के आकार सब्सट्रेट में हस्तांतरित हो जाता है।

2 डी एचसीजी बनाना, एक ढालना हस्तक्षेप लिथोग्राफी 12 द्वारा निर्मित किया गया था, जो एक -1 डी आवधिक झंझरी सिलिकॉन मास्टर से दोहराया गया है। फिर उसी मोल्ड पैटर्न एक 2D छेद सरणी (चित्रा 7) के लिए एक ही सिलिकॉन सब्सट्रेट पर ओर्थोगोनल दिशाओं में दो बार छाप प्रयोग किया जाता है। संकर nanoimprint <समर्थन> 13 प्रक्रिया उच्च संकल्प और छोटे दोष के साथ बड़े क्षेत्र नमूने कर सकते हैं। अंकित परिणाम (2 डी छेद सरणी सिलिकॉन सरणी) 8 चित्रा में दिखाया गया है। किनारों का खुरदरापन आगे बढ़त चौरसाई प्रौद्योगिकियों 14 की मदद से कम किया जा सकता है।

Nanoimprint patterning और सीआर मुखौटा सरणी के बाद, पूरा एक आईसीपी आर.आई.ई. मशीन नमूना खोदना करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है। दो अलग अलग एचिंग व्यंजनों तालिका 1 में दिखाया गया है, जो क्रमश: सिलिका 2 Tio के लिए विकसित की है और आपस में जुड़े हुए थे। गढ़े संरचना 9 चित्रा में दिखाया गया है।

2 डी एचसीजी के (सामान्य घटना से) reflectance डिटेक्टरों के विभिन्न प्रकार, सामान्य डिटेक्टर और क्षेत्र के एकीकरण डिटेक्टर के साथ दो अलग अलग स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग कर मापा गया था। क्षेत्र के एकीकरण डिटेक्टर के विपरीत, सामान्य डिटेक्टर स्वीकृति का एक अपेक्षाकृत छोटा सा कोण है और इसलिए बिखरे हुए एल प्राप्त नहीं होगाight। चित्रा 10 में दिखाया गया है, दोनों का पता लगाने के द्वारा मापा reflectance घटता में अंतर प्रकाश के कारण संरचना खुरदरापन को एचसीजी द्वारा बिखरे हुए है कि इंगित करता है। एकीकरण क्षेत्र माप और अनुकरण डेटा के बीच का अंतर और निर्माण सामग्री त्रुटियों के नुकसान के लिए मुख्य कारण है। reflectance घटता गढ़े डिवाइस फैलानेवाला तत्व में एक परत के रूप में एक बैंड परावर्तक के रूप में काम कर सकते हैं कि प्रदर्शन कर सकते हैं। कारण झंझरी और सब्सट्रेट के बीच सूचकांक के उच्च विपरीत करने के लिए, एचसीजी अच्छा कोण स्वतंत्रता है। घटना कोण 15 डिग्री से कम है जब reflectance की अवस्था में ज्यादा परिवर्तन नहीं होगा।

चित्र 1
चित्रा 1: एक केंद्रित फोटोवोल्टिक (सीपीवी) प्रणाली में फैलानेवाला तत्व (मल्टीप्लेयर एचसीजी) के कार्यान्वयन।


चित्रा 2: संख्यानुसार सौर स्पेक्ट्रम के सबसे को कवर कर सकते हैं कि फैलानेवाला तत्व डिजाइन (एचसीजी खड़ी छह-परत) के लिए reflectance घटता अनुकूलित।

चित्र तीन
चित्रा 3: nanoimprint निर्माण के प्रदर्शन के लिए एक एचसीजी के अनुकूलित संरचना।

चित्रा 4
चित्रा 4: पर sputtered 2 Tio फिल्मों के SEM छवियों (पार के अनुभागीय दृश्य) (क) 27 डिग्री सेल्सियस और (ख) 270 डिग्री सेल्सियस। एक बड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करेंइस आंकड़े के संस्करण।

चित्रा 5
चित्रा 5: मापा और मानक अपवर्तक (Sopra डेटाबेस) sputtered 2 Tio फिल्मों के सूचकांकों।

चित्रा 6
चित्रा 6:। Nanoimprint निर्माण की प्रक्रिया में यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7: 2 डी छेद सरणी सिलिकॉन मास्टर (ऊपर से नीचे देखें) के SEM छवि।

चित्रा 8: PDMS आधारित nanoimprint द्वारा गढ़े 2 डी छेद सरणी सिलिकॉन मास्टर की तस्वीर।

9 चित्रा
चित्रा 9: गढ़े 2D एचसीजी के SEM छवि (पार के अनुभागीय दृश्य)।

10 चित्रा
10 चित्रा: एक नकली reflectance की अवस्था और क्रमशः क्षेत्र एकीकरण डिटेक्टर और सामान्य डिटेक्टर का उपयोग दो मापा reflectance घटता।

11 चित्रा
चित्रा 11: अपवर्तनांक (क) प्रभावएचसीजी reflectance पर; (ख) एचसीजी reflectance पर sidewall के कोण का प्रभाव। इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आईसीपी पावर फॉरवर्ड पावर एस एफ 6 फ्लो सी 4 एफ 8 फ्लो 2 हे फ्लो दबाव एचिंग दर
2 Tio 0 डब्ल्यू 25 डब्ल्यू 25 SCCM 10 SCCM 10 एससीसीएम 10 mTorr 43 एनएम / मिनट
फ्युज़्ड सिलिका 0 डब्ल्यू 100 डब्ल्यू 0 SCCM 15 SCCM 15 SCCM 10 mTorr 20 एनएम / मिनट
विरोध 0 डब्ल्यू 25 डब्ल्यू 25 SCCM 15 SCCM 0 10 mTorr 22 एनएम / मिनट
PMMA 0 डब्ल्यू 30 डब्ल्यू 0 0 30 SCCM 2 mTorr 55 एनएम / मिनट
साफ 1,000 डब्ल्यू 200 डब्ल्यू 0 0 50 SCCM 50 mTorr एनए

तालिका 1: 2 Tio के लिए एचिंग व्यंजनों, सिलिका, यूवी, PMMA और स्वच्छ विरोध।

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Discussion

सबसे पहले, 2 Tio फिल्म की गुणवत्ता एचसीजी प्रदर्शन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। 2 Tio फिल्म कम नुकसान और सतह खुरदरापन है अगर reflectance के शिखर अधिक हो जाएगा। ऑप्टिकल मोड कारावास एचसीजी में एक चापलूसी करने के लिए वृद्धि और व्यापक reflectance के बैंड को दे सकते हैं जो सूचकांक में एक उच्च विपरीत, द्वारा बढ़ाया जाएगा क्योंकि एक उच्च अपवर्तक सूचकांक के साथ 2 Tio इस फिल्म में भी अनुकूल होता है।

दूसरा, निर्माण त्रुटियों एचसीजी पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा और बचा जाना चाहिए। निर्माण में पेश खुरदरापन बिखरे हुए और अधिक प्रकाश का कारण होगा, ताकि reflectance कम हो जाएगा। रेखा चौड़ाई, ऊंचाई और पिच सहित एचसीजी निर्माण में मानकों का विचलन डिवाइस सिमुलेशन के रूप में बेहतर काम करने के लिए अनुमति नहीं दी जाएगी। इसके अलावा, एचसीजी की reflectance जोरदार sidewall की कोण यानी, एचिंग प्रोफाइल पर निर्भर करता है। चित्रा 11, sidewall के कोण के प्रभाव मेंएचसीजी के reflectance पर संख्यानुसार गणना की जाती है। Sidewall के कोण 84 डिग्री से 90 डिग्री से कमी के रूप में sidewall के कोण छोटा है जब एचसीजी अधिक एक शंकु के आकार का विरोधी प्रतिबिंब कोटिंग की तरह बर्ताव करती है, क्योंकि औसत reflectance, कम से कम 50% से 90% से अधिक से चला जाता है।

एचसीजी के प्रत्येक परत के reflectance के रूप में संभव के रूप में उच्च किया जाना चाहिए ताकि फैलानेवाला तत्व के ऑप्टिकल दक्षता, सीपीवी प्रणाली के समग्र दक्षता के लिए महत्वपूर्ण है। गढ़े परत के लिए ऑप्टिकल दक्षता के बारे में 60% है, जबकि ऊपर चर्चा के आधार पर एक बेहतर एचसीजी reflectance के लिए कई संभावित सुधार कर रहे हैं। 2 Tio sputtering हालत आगे एक उच्च सूचकांक, कम सतह खुरदरापन और कम ऑप्टिकल नुकसान के साथ फिल्म उत्पन्न करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। शुष्क नक़्क़ाशी व्यंजनों आगे गैसों का संयोजन (सी 4 एफ का समायोजन करके प्राप्त किया जा सकता है, जो झंझरी Straighter, बना रही है, एक बेहतर एचिंग प्रोफ़ाइल के लिए समायोजित किया जाना चाहिए8, एस एफ 6 और ओ 2) एचिंग संतुलन के लिए और फिर से जमा की प्रक्रिया। nanoimprint और लिफ्ट बंद प्रक्रिया अनावश्यक बिखरने ऑप्टिकल समग्र दक्षता बढ़ाने के लिए कम किया जा सकता है, ताकि खुरदरापन और निर्माण त्रुटियों से बचने के लिए सुधार किया जाना चाहिए।

अलग पिचों के साथ दो आयामी HCGs की कई परतों stacking द्वारा, फैलानेवाला दर्पण बहुत व्यापक स्पेक्ट्रम में काम कर सकते हैं। दर्पण कर सकते हैं अलग झुकाव कोण में बाद में सभी एचसीजी परतों पैकेजिंग के एक रास्ते में तरंग दैर्ध्य के अनुसार अलग अलग कोण में reflectively प्रत्यक्ष प्रकाश। इसके अलावा, फैलानेवाला दर्पण एक बड़े क्षेत्र में और एक कम कीमत पर nanoimprint लिथोग्राफी (शून्य) का उपयोग कर गढ़े जा सकता है। यह क्षमता है सौर ऊर्जा रूपांतरण दक्षता में सुधार करने के लिए उद्योग द्वारा व्यापक रूप से स्वीकार किया जाना है ताकि इसके अलावा, प्रस्तावित प्रणाली मौजूदा concentrator फोटोवोल्टिक (सीपीवी) की स्थापना के साथ एक आसान एकीकरण की सुविधा है।

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Acknowledgments

इस शोध ऊर्जा नेनौसाइंस, पुरस्कार नंबर डे-SC0001013 के तहत ऊर्जा, विज्ञान के कार्यालय के अमेरिकी विभाग द्वारा वित्तपोषित एक ऊर्जा फ्रंटियर अनुसंधान केंद्र के लिए केंद्र के हिस्से के रूप में समर्थन किया था। हम भी 2 Tio फिल्म sputtering और अपवर्तक सूचकांक माप पर उनकी मदद के लिए डॉ मैक्स झांग और एचपी लैब्स के डॉ Jianhua यांग का शुक्रिया अदा करना चाहता हूँ।

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

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References

  1. 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).
  2. Guter, W., et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight. Applied Physics Letters. 94, 223504 (2009).
  3. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).
  4. Green, M. A. Potential for low dimensional structures in photovoltaics. Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).
  5. Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. Physics of near-wavelength high contrast gratings. Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).
  6. 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).
  7. Namiki, T. A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).
  8. Moharam, M. G., Gaylord, T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).
  9. Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: http://www.sopra-sa.com/ (2015).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Solak, H. H., et al. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).
  13. Li, Z., et al. Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution. Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).
  14. 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).

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इंजीनियरिंग अंक 101 समानांतर स्पेक्ट्रम बंटवारे फैलानेवाला तत्व झंझरी उच्च विपरीत केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली nanoimprint लिथोग्राफी प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी
एक केंद्रित फोटोवोल्टिक प्रणाली में स्पेक्ट्रम बंटवारे फैलानेवाला तत्व के लिए उच्च कंट्रास्ट gratings के निर्माण
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Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication … More

Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System. J. Vis. Exp. (101), e52913, doi:10.3791/52913 (2015).

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