Introduction
Nuestra sociedad moderna no sobrevivirá sin mover una parte significativa del consumo de energía de fuentes de energía renovables. Para que esto suceda, tenemos que encontrar una manera de cosechar la energía renovable a un costo más bajo que las fuentes de energía a base de petróleo en un futuro próximo. La energía solar es la más abundante de las energías renovables en la tierra. A pesar de que muchos de los avances se han hecho en el aprovechamiento de la energía solar, todavía es muy difícil competir con las fuentes de energía a base de petróleo. La mejora de la eficiencia de las células solares es una de las formas más eficaces de reducir el coste del sistema de captación de energía solar.
Lentes ópticas y reflectores plato se utilizan generalmente en fotovoltaicos más concentrada (CPV) sistemas 1 para lograr una alta concentración de incidencia de la energía solar sobre las células solares de área pequeña, por lo que es económicamente viable para explotar en tándem caro células solares multi-unión 2 en sistemas CPV, y para mantener una razonablecostar al mismo tiempo. Sin embargo, para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos no concentradas, que por lo general requieren un tramo de gran superficie de las células solares, las células solares en tándem de alto costo no pueden ser incorporados, a pesar de que generalmente tienen una respuesta de espectro solar más amplia y una mayor eficiencia global de la conversión de la células solares de unión simple 3.
Recientemente, con la ayuda de la óptica de división del espectro paralelas (es decir dispersivo elemento), el paralelo tecnología fotovoltaica división espectro 4 ha hecho posible que un espectro de cobertura similar o mejor eficiencia de conversión y pueden lograrse sin el uso de las células solares en tándem caro. El espectro solar se puede dividir en diferentes bandas y cada banda puede ser absorbida y convertida en electricidad por las células solares de unión simple especializados. De esta manera, las células solares en tándem caro en sistemas CPV pueden ser reemplazados por una distribución paralela de célula solar de una sola unións sin cualquier compromiso en la actuación.
El elemento dispersivo que fue diseñado en este informe se puede aplicar en un sistema de CPV reflectante (que se basa en reflectores de antena parabólica) para darse cuenta de la división de espectro paralelo para la mejora de la eficiencia de conversión solar-electricidad y coste reducido. Rejillas de múltiples capas de alto contraste (hCG) 5 se utiliza como el elemento dispersivo mediante el diseño de cada capa de HCG para trabajar como un reflector de banda óptica. Las estructuras y los parámetros del elemento dispersivo son numéricamente optimizados. Por otra parte, la fabricación de rejillas de alto contraste para el elemento dispersivo mediante el uso de dieléctrico (TiO2) de pulverización catódica, la litografía por nanoimpresión 6 y grabado iónico reactivo se estudiaron y demostraron.
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Protocol
1. Prepare el polidimetilsiloxano en blanco (PDMS) Sustrato para nanoimpresión Mold
- Proceso de Tratamiento oblea de silicio
- Limpiar una oblea de silicio de 4 pulgadas por lavado con acetona, metanol e isopropanol.
- Blow secar usando el arma de nitrógeno.
- Limpie usando solución de pirañas (3: 1 mezcla de ácido sulfúrico con peróxido de hidrógeno al 30%) por inmersión en el interior durante 15 minutos.
- Enjuague con agua DI. Golpe seco usando la pistola de nitrógeno.
- Coloque la oblea en un desecador de vidrio. Añadir una gota (20 gotas = 1 ml) de agente (triclorosilano) liberar en el desecador.
- Bombee hasta el desecador hasta que el manómetro lee -762 Torr y espere durante 5 horas.
- Tome el hojaldre, que ha sido tratado con agente de liberación.
- Preparación de PDMS de Cine (Utilizado como moho en nanoimpresión)
- Pesar 10 g de la base de elastómero de silicona y 1 g de agente de curado.
- Añadir en el mismo vaso de vidrio.
- Stir y mezclar con una varilla de vidrio durante 5 min.
- Ponga la mezcla en un secador de vacío hasta que el manómetro lee -762 Torr para bombear todas las burbujas de aire atrapadas.
- Difundir de manera uniforme sobre el tratado oblea de silicio de 4 pulgadas.
- Hornee la oblea con PDMS en la parte superior en el horno de vacío durante 7 horas a 80 ° C para curar la película de PDMS.
2. Prepare el molde de nanoimpresión (Duplicación del Molde Maestro)
- Haga girar doce gotas (20 gotas = 1 ml) de curado UV resisten (15,2%) sobre una oblea de silicio en blanco limpia durante 30 segundos a 1.500 rpm.
- Retire con cuidado un trozo de película de PDMS de la oblea de silicio tratada.
- Ponga la película de PDMS en el curado UV resisten y se deja absorber la radiación UV resistir durante 5 minutos entonces la pela apagado.
- Repita 2.1 a 2.3 en la misma película PDMS por dos veces. Absorbe UV resistir durante 3 min y 1 min respectivamente.
- Coloque la película de PDMS (después de tres veces UV resistir la absorción) en un molde maestro de silicio.
- Póngalo en una cámara con ambiente de nitrógeno.
- Encienda la lámpara UV para curar la muestra durante 5 minutos.
- Despegar la película de PDMS. El curado UV resistir en el PDMS mantendrá el patrón negativo del molde maestro.
- Uso RF O 2 plasma para tratar el molde de PDMS. (Potencia de RF: 30 W, presión: 260 mTorr, el tiempo: 1 min)
- Colocar el molde de PDMS en una cámara de vacío con una gota (20 gotas = 1 ml) de agente de liberación para 2 hr.
3. nanoimpresión dibujo de transferencia
- Haga girar ocho gotas (20 gotas = 1 ml) de PMMA (996k, 3,1%) sobre el sustrato a imprimir para 50 segundos a 3.500 rpm.
- Hornear sobre una placa caliente durante 5 min a 120 ° C.
- Espere a que la muestra se enfríe.
- Girar ocho gotas (20 gotas = 1 ml) de UV curable resisten (3,9%) en el mismo sustrato.
- Colocar el molde de PDMS (preparado en la etapa 2) sobre la muestra (tanto con UV resistir y PMMA).
- Póngalo en una cámara con ambiente de nitrógeno.
- Encienda la lámpara UV para curar durante 5 minutos.
- Peel el molde de PDMS de la muestra y el patrón en el molde de PDMS se transfiere a la muestra.
4. Proceso de despegue Cr
- Grabado por iones reactivos capa residual de UV resistir y PMMA
Nota: El SOP para la máquina de la PIC se puede encontrar en https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Entrar máquina RIE ICP.
- Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas. Ejecutar la receta limpia durante 10 minutos.
- Tome la oblea de silicio en blanco a cabo.
- Montar la muestra en otra oblea de silicio limpio y cargarlo en la máquina.
- Ejecute el UV resisten receta grabado durante 2 minutos (la receta se puede encontrar en la Tabla 1).
- Tomar la muestra fuera. Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas. Vuelva a ejecutar la receta limpio (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 10 min.
- Montar la muestra sobre una oblea de silicio limpiay cargarlo en la máquina.
- Ejecutar la receta de grabado PMMA (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 2 min.
Nota: Ahora el residual resisten ha sido grabado y el sustrato está expuesto.
- Cr E-beam evaporación
- Inicie sesión en el evaporador de haz de electrones.
- Cargar la fuente de metal Cr y la muestra en la cámara.
- Ajuste el espesor (20 nm) y la tasa de deposición (0,03 nm / seg).
- Bomba de la cámara hasta que el vacío requerido (10 -7 Torr) se alcanza.
- Iniciar el proceso de deposición.
- Tomar la muestra después de los acabados de deposición.
- CR Levante-off Procedimiento
- Sumergir la muestra en acetona con agitación ultrasónica durante 5 min.
- Limpiar la muestra mediante lavado con acetona, metanol e isopropanol.
Nota: El Cr se evaporó en la resisten se despegó y se forma una máscara Cr para el grabado sustrato.
5. TiO2 DepOSICIÓN
- Cargue la muestra.
- Establezca los parámetros de la máquina de pulverización catódica magnetrón de corriente continua
- Use una presión de la cámara de 1,5 mTorr, el flujo de Ar de 100 sccm y una potencia de 130 W. pulverización catódica
- Usa una temperatura de 27 ° C y una velocidad de rotación de fase de 20 rpm.
- Iniciar el proceso de pulverización catódica y parar en el espesor deseado.
- Tomar la muestra y recocer la película de TiO2 en el entorno de oxígeno a 300 ° C durante 3 horas.
6. Contraste alto Rejas Aguafuerte
- Entre la máquina de plasma de acoplamiento inductivo (ICP) grabado por iones reactivos (RIE).
- TiO2 grabado
- Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas.
- Iniciar y ejecutar la receta limpia (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 10 minutos.
- Descargue cargar la oblea en blanco y cargar la muestra con máscara Cr.
- Establecer tiempo de grabado. Iniciar TiO2 receta grabado. La voluntad de auto proceso de grabadoticamente parar.
- Descargue la muestra.
- SiO2 Aguafuerte
- Repita el paso 5.2, excepto usar la receta de grabado SiO2.
7. Medición de reflectancia
- Entrar y encienda el sistema de medición.
- Coloque el espejo patrón de reflexión en el soporte de muestra y alinear la trayectoria óptica.
- Calibrar el sistema para la reflectancia 100%.
- Quítese el espejo patrón de reflexión y colocar el HCG.
- Medir la reflectancia de la HCG.
- Guarde los datos y cerrar la sesión del sistema de medición.
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Representative Results
La figura 1 muestra la aplicación de la elemento dispersivo (de múltiples capas de alta rejilla contraste (HCG)) en un sistema fotovoltaico concentrado. La luz del sol se refleja en primer lugar por el espejo primario y incide sobre el elemento dispersivo reflectante, donde el haz se refleja y se divide en diferentes bandas de longitudes de onda diferentes. Cada banda incidirá en un lugar determinado en el conjunto de células solares para la mejor absorción y conversión a la electricidad. La clave de este sistema es el diseño y la implementación del elemento dispersivo, que se compone de múltiples capas de HCG.
La Figura 2 muestra el resultado de optimización numérica para cada capa en el elemento dispersivo. Los resultados se calculó por el dominio de tiempo en diferencias finitas (FDTD) 7 basada en software de simulación comercial "Lumerical" y más validado por análisis de onda acoplado riguroso (RCWA) 8. El índice de refracciónde TiO2 fue desde la base de datos en línea SOPRA 9. El elemento dispersivo de seis capas optimizado puede proporcionar una reflexión total de más de 90% en todo el espectro solar 10,11.
Para demostrar la reflectancia de banda ancha de HCG experimentalmente, una de las seis capas en la estructura de elemento dispersivo HCG se fabrica utilizando fabricación nanoimpresión. Como se muestra en la Figura 3, cada bloque de rejilla consta de dos partes. El material de la rejilla superior es TiO 2 y el material de la rejilla sub está fusionado de sílice. El tono de la HCG 2D es 453 nm. El ancho de la línea de cada rejilla es de 220 nm. La altura de ambos rejilla superior y secundario es de 340 nm. El material del sustrato es el mismo que la rejilla sub.
TiO2 se depositó el sílice fundida en los laboratorios de HP utilizando una máquina de pulverización catódica magnetrón de corriente continua. La presión de la cámara fue de 1,5 mTorr con un flujo de Ar aproximadamente 100 sccm. El poder de pulverización catódicafue de 130 W y la tasa fue de 4 nm / min. Dos lotes de TiO2 película se pulverizaron a diferentes temperaturas, 27 ° C y 270 ° C respectivamente. Para asegurar una aún deposición de película, rotación etapa sustrato se enciende (20 rpm) durante la pulverización catódica. Ambos lotes de TiO2 películas fueron recocidas a 300 ° C durante 3 horas después de la pulverización catódica para mejorar la calidad de la película. Después de la deposición, ambos lotes de películas de TiO 2 se examinaron usando un microscopio electrónico de barrido (SEM) (Figura 4). Los índices de refracción de TiO2 películas también se midieron (Figura 5). Los índices de refracción medidos fueron 10% más baja que la base de datos estándar, porque la película era porosa que también puede ser observado en la Figura 4. Una temperatura de pulverización catódica más alta podría aumentar el índice de refracción, sin embargo, la rugosidad de la película era mucho más alto. Para llegar a un buen equilibrio entre los índices de refracción y rugosidad película, la película de TiO2 que se SPUTcados a 27 ° C fue elegido como el material de rejilla.
Los pasos principales para la fabricación de nanoimpresión se muestran esquemáticamente en la Figura 6. En primer lugar, un molde con ciertos patrones se presiona sobre la curable por UV resistir sobre el sustrato. Entonces la luz UV se aplica para curar la resisten. Después del curado, el molde puede ser separado del sustrato y la forma de resistir es exactamente el opuesto del molde. El patrón impreso se puede utilizar como la máscara para grabar el residual resistir, metal depósito, levante y finalmente grabar en el sustrato. De esta manera, la forma del molde se transfiere en el sustrato.
Para fabricar HCG 2D, un molde se duplica de un periódico principal de silicio rejilla 1D que fue fabricado por la litografía interferencia 12. A continuación, el mismo molde se utiliza para imprimir dos veces en direcciones ortogonales en el mismo sustrato de silicio a una matriz de patrón de agujero 2D (Figura 7). La nanoimpresión híbrido <sup> 13 proceso puede tomar muestras de gran superficie con alta resolución y pequeños defectos. Los resultados impresos (array 2D de silicio matriz de agujero) se muestran en la Figura 8. La rugosidad de los bordes puede reducirse aún más con la ayuda de tecnologías de borde suavizado 14.
Después se completa el patrón nanoimpresión y Cr gama máscara, una máquina ICP RIE se utiliza para grabar la muestra. Dos recetas de grabado diferentes fueron desarrollados para TiO2 y se fusionan de sílice, respectivamente, que se muestra en la Tabla 1. La estructura fabricada se muestra en la Figura 9.
La reflectancia (de la incidencia normal) de HCG 2D se midió usando dos espectrómetros diferentes con diferentes tipos de detectores, el detector normal y el detector de esfera de integración. En contraste con detector integración esfera, el detector normal tiene un relativamente pequeño ángulo de aceptación y por lo tanto no recibirá el l dispersavuelo. Como se muestra en la Figura 10, la diferencia en curvas de reflectancia medidos por ambos detectores indica que la luz es dispersada por la HCG debido a la estructura de rugosidad. La diferencia entre la medición esfera de integración y los datos de simulación se debe principalmente a la pérdida de errores materiales y de fabricación. Las curvas de reflectancia pueden demostrar que el dispositivo fabricado puede funcionar como un reflector de banda como una capa en el elemento dispersivo. Debido a la gran contraste de índice entre la rejilla y el sustrato, HCG tiene buena independencia ángulo. La curva de reflectancia no cambia mucho cuando el ángulo de incidencia es menor que 15 °.
Figura 1: La implementación del elemento dispersivo (multijugador HCG) en un sistema de concentración fotovoltaica (CPV).
Figura 2: Numéricamente optimizado curvas de reflectancia para el diseño elemento dispersivo (de seis capas apiladas HCG) que puede cubrir la mayor parte del espectro solar.
Figura 3: La estructura optimizada de un HCG para la demostración de la fabricación de nanoimpresión.
Figura 4: Las imágenes de SEM (ver la sección transversal) de bombardeada TiO2 películas en (a) 27 ° C y (b) 270 ° C. Haga clic aquí para ver una mayorversión de esta figura.
Figura 5: Medición y refracción estándar (base de datos SOPRA) índices de bombardeada TiO2 películas.
Figura 6:. Proceso de fabricación nanoimpresión Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: La imagen SEM de maestro de silicio gama agujero 2D (vista de arriba hacia abajo).
Figura 8: La foto del maestro de silicio gama agujero 2D fabricado por nanoimpresión basado en PDMS.
Figura 9: La imagen SEM (vista en sección transversal) del fabricado HCG 2D.
Figura 10: Una curva de reflectancia simulado y dos curvas de reflectancia medidos utilizando detector de integración esfera y detector normal respectivamente.
Figura 11: (a) Efecto del índice de refracciónde reflectancia HCG; (B) Efecto del ángulo de la pared lateral de reflectancia HCG. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| ICP Poder | Forward Potencia | SF Flow 6 | C 4 F 8 Flow | O 2 Flujo | Presión | Aguafuerte Rate | |
| TiO2 | 0 W | 25 W | 25 sccm | 10 sccm | 10 sccm | 10 mTorr | 43 nm / min |
| Sílice fundida | 0 W | 100 W | 0 sccm | 15 sccm | 15 sccm | 10 mTorr | 20 nm / min |
| Resistir | 0 W | 25 W | 25 sccm | 15 sccm | 0 | 10 mTorr | 22 nm / min |
| PMMA | 0 W | 30 W | 0 | 0 | 30 sccm | 2 mTorr | 55 nm / min |
| Limpio | 1000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 sccm | 50 mTorr | N / A |
Tabla 1: Las recetas de grabado de TiO2, sílice fundida, UV resisten, PMMA y limpio.
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Discussion
En primer lugar, la calidad de la película de TiO 2 es muy crucial para el rendimiento de HCG. El pico de reflectancia será mayor si la película de TiO2 tiene menos pérdidas y rugosidad de la superficie. La película de TiO 2 con un índice de refracción más alto también es favorable porque el confinamiento modo óptico se verá reforzada por un mayor contraste en el índice, lo que puede dar lugar a una más plana y la banda de reflectancia más amplio en HCG.
En segundo lugar, los errores de fabricación tendrán efectos significativos en el HCG y deben evitarse. La rugosidad introducido en la fabricación causará más luz que se dispersa, por lo que la reflectancia será inferior. La desviación de los parámetros en la fabricación HCG incluyendo ancho de la línea, la altura y el terreno de juego no va a permitir que el dispositivo funcione de manera óptima como en simulación. Por otra parte, la reflectancia de HCG depende fuertemente en el perfil de grabado, es decir, el ángulo de la pared lateral. En la Figura 11, el efecto del ángulo de la pared laterals en la reflectancia de HCG se calcula numéricamente. Como los ángulos de pared lateral disminuyen desde 90 ° a 84 °, la reflectancia promedio de gotas de más de 90% a menos del 50%, debido a que la HCG se comporta más como un revestimiento anti-reflexión en forma de cono cuando el ángulo de pared lateral es pequeña.
La eficiencia óptica del elemento dispersivo es importante para la eficiencia global del sistema de CPV, por lo que la reflectancia de cada capa de HCG debe ser tan alta como sea posible. Sobre la base de la discusión anterior, mientras que la eficiencia óptica para la capa fabricada es de aproximadamente 60%, hay varias mejoras posibles para una mejor reflectancia HCG. La condición de pulverización catódica de TiO 2 se puede optimizar aún más para generar la película con un índice más alto, menos rugosidad superficial y la pérdida óptica inferior. Las recetas grabado en seco deben ser posteriormente ajustado para un mejor perfil de grabado, haciendo que la recta de rejilla, que se puede conseguir mediante el ajuste de la combinación de gases (C 4 F8, SF 6 y O 2) para equilibrar el grabado y re-deposición proceso. El proceso de nanoimpresión y despegue debería mejorarse para evitar errores de rugosidad y fabricación de forma que la dispersión innecesaria puede reducirse para aumentar la eficiencia óptica general.
Al apilar múltiples capas de HCGs bidimensionales con diferentes pasos, el espejo dispersivo puede operar en espectro mucho más amplio. El espejo puede luz reflexivamente directa en diferentes ángulos de acuerdo con las longitudes de onda, en una forma de empaquetar todas las capas de HCG posteriormente en diferentes ángulos de inclinación. Por otra parte, el espejo dispersivo se puede fabricar usando litografía por nanoimpresión (NIL) en un área grande y a un bajo costo. Por otra parte, el sistema propuesto cuenta con una fácil integración con el concentrador fotovoltaico existente (CPV) de instalación por lo que tiene el potencial de ser aceptada ampliamente por la industria para mejorar la eficiencia de conversión de energía solar.
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Acknowledgments
Esta investigación fue financiada en el marco del Centro de Energía Nanociencia, un Centro de Investigación de la Energía de la Frontera financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia bajo Premio número DE-SC0001013. También queremos agradecer al Dr. Max Zhang y el Dr. Yang Jianhua de HP Labs por su ayuda en la medición TiO2 chisporroteo cine y los índices de refracción.
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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