Introduction
Nossa sociedade moderna não vai sobreviver sem mover uma parcela significativa do consumo de energia de fontes renováveis de energia. Para que isso aconteça, temos de encontrar uma maneira de colher a energia renovável a um custo menor do que as fontes de energia à base de petróleo em um futuro próximo. A energia solar é a energia renovável mais abundante na Terra. Apesar de que um grande número de avanços têm sido feitos na colheita de energia solar, que ainda é muito difícil de competir com fontes de energia à base de petróleo. Melhorar a eficiência das células solares é uma das maneiras mais eficientes para reduzir o custo do sistema de captação de energia solar.
Lentes ópticas e reflectores de prato são normalmente utilizados em sistemas fotovoltaicos mais concentrada (CPV) um para alcançar uma elevada concentração de energia solar de incidência sobre as células solares de pequena área, de modo que é economicamente viável para explorar em tandem caro células solares multi-junção em dois sistemas CPV, e para manter um razoávelcustar ao mesmo tempo. No entanto, para a maioria dos sistemas fotovoltaicos não-concentrados, que normalmente exigem uma parcela de células solares de grande área, as células solares em tandem de alto custo não podem ser incorporados, embora eles geralmente têm uma resposta espectro solar mais ampla e uma maior eficiência de conversão global do que o único de junção de células solares 3.
Recentemente, com a ajuda dos paralelas óptica de divisão de espectro (isto é, elemento dispersivo), paralela a divisão do espectro tecnologia fotovoltaica 4 tornou possível que uma cobertura de espectro semelhante ou melhor e eficiência de conversão pode ser conseguida sem a utilização de células solares em tandem caro. O espectro solar podem ser divididos em diferentes faixas e cada faixa pode ser absorvida e convertida em electricidade por as células solares de junção única especializados. Desta forma, as células solares em tandem caros nos sistemas CPV pode ser substituído por uma distribuição paralela de uma única junção de células solaress sem qualquer compromisso sobre o desempenho.
O elemento de dispersão que foi concebido no presente relatório pode ser aplicada num sistema CPV reflectora (que se baseia na reflectores de prato) para realizar a divisão do espectro paralelo para a melhoria da eficiência de conversão de energia solar de energia elétrica e custo reduzido. Multicamada grelhas de alto contraste (hCG) 5 é utilizado como o elemento de dispersão através da concepção de cada camada de HCG para trabalhar como um reflector de banda óptica. As estruturas e os parâmetros do elemento dispersivo são numericamente optimizado. Além disso, o fabrico de grades de alto contraste para o elemento dispersivo usando dieléctrico (TiO 2) sputtering, nanoimpressão litografia 6 e gravação iónica reactiva é estudada e demonstrada.
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Protocol
1. Prepare o polidimetilsiloxano Blank (PDMS) Substrato para nanoimpressão Mold
- Processo de Tratamento Silicon Wafer
- Limpar uma bolacha de silício de 4 polegadas por lavagem com acetona, metanol e isopropanol.
- Funda-o secar usando a arma de azoto.
- Limpar com solução piranha (mistura 3: 1 de ácido sulfúrico com 30% de peróxido de hidrogénio) por imersão dentro de 15 min.
- Lavar com água DI. Seque usando a arma de azoto.
- Coloque a bolacha em um dessecador de vidro. Adicionar uma gota (20 gotas = 1 ml) de agente (triclorossilano), libertando no exsicador.
- Pump down exsicador até o medidor lê -762 Torr e esperar por 5 horas.
- Leve o wafer fora, o que tem sido tratada com agente de liberação.
- Preparação de PDMS Film (Usado como Mold em nanoimpressão)
- Pesar 10 g de base de elastómero de silicone e 1 g de agente de cura.
- Adicionar-los na mesma proveta de vidro.
- Stir e misture com uma vareta de vidro durante 5 minutos.
- Coloque a mistura em um exsicador de vácuo até que o calibre lê -762 Torr para bombear para fora todas as bolhas de ar aprisionadas.
- Espalhe-os uniformemente sobre o tratado wafer de silício de 4 polegadas.
- Cozer a bolacha com PDMS em cima no forno de vácuo durante 7 h a 80 ° C para curar o filme de PDMS.
2. Prepare o Mold nanoimpressão (Duplicação do Mold Master)
- Gire doze gotas (20 gotas = 1 ml) de UV curável resistem (15,2%) em um wafer de silício em branco limpo durante 30 segundos a 1500 rpm.
- Retire cuidadosamente um pedaço de filme PDMS fora do wafer de silício tratado.
- Coloque o filme PDMS para o UV curável resistir e deixá-lo absorver a UV resistir por 5 min, em seguida, retire-a.
- Repetir 2,1-2,3 no mesmo filme para PDMS duas vezes. Absorve a resistir UV durante 3 min e 1 min, respectivamente.
- Coloque o filme PDMS (após três vezes UV resistir absorção) sobre um molde mestre de silício.
- Colocá-lo em uma câmara com ambiente de azoto.
- Ligue lâmpada de UV para curar a amostra durante 5 minutos.
- Retire o filme PDMS. O UV curado resistir nas PDMS vai manter o padrão negativo do molde mestre.
- Use RF O2 plasma para tratar o molde PDMS. (Potência RF: 30 W, a pressão: 260 mTorr, tempo: 1 min)
- Coloque o molde PDMS em uma câmara de vácuo com uma gota (20 gotas = 1 ml) do agente de libertação, durante 2 h.
3. nanoimpressão Transferência Padrão
- Rotação oito gotas (20 gotas = 1 mL) de PMMA (996k, 3,1%) sobre o substrato a ser impresso por 50 segundos a 3500 rpm.
- Asse numa placa de aquecimento durante 5 minutos a 120 ° C.
- Aguarde até que a amostra arrefeça.
- Rotação oito gotas (20 gotas = 1 mL) de UV curável resistem (3,9%) no mesmo substrato.
- Coloque o molde PDMS (preparado no passo 2) para a amostra (com ambos UV resistir e PMMA).
- Colocá-lo em uma câmara com ambiente de azoto.
- Acender a luz UV para curar durante 5 minutos.
- Retire o molde PDMS fora a amostra e o padrão sobre o molde PDMS é transferido para a amostra.
4. Cr Descolagem Processo
- Ion reativa gravura camada residual de UV resistir e PMMA
Nota: A SOP para a máquina ICP pode ser encontrada em https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Log in máquina RIE ICP.
- Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas. Executar a receita limpa para 10 min.
- Leve o wafer de silício em branco para fora.
- Monte a amostra em outra pastilha de silício limpo e carregá-lo para dentro da máquina.
- Executar a UV resistir receita condicionamento durante 2 min (a receita pode ser encontrada na Tabela 1).
- Leve a amostra para fora. Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas. Volte a executar a receita limpo (pode ser encontrado na Tabela 1) durante 10 min.
- Monte a amostra sobre uma pastilha de silício limpoe carregá-lo para dentro da máquina.
- Executar a receita gravura PMMA (pode ser encontrada na Tabela 1) durante 2 min.
Nota: Agora o resíduo resistem foi gravado e o substrato é exposto.
- Cr E-feixe de evaporação
- Faça o login no evaporador e-feixe.
- Carregue a fonte de metal Cr e amostras para a câmara.
- Defina a espessura (20 nm) e taxa de deposição (0,03 nm / seg).
- Bomba da câmara de vácuo até requerido (10 -7 Torr) é alcançado.
- Iniciar o processo de deposição.
- Leve a amostra para fora após a conclusão de deposição.
- Cr Levante-off Procedimento
- Imergir a amostra em acetona, com agitação ultra-sons durante 5 min.
- Limpar a amostra por lavagem com acetona, metanol e isopropanol.
Nota: O Cr evaporada no resistem vai ser retirada e uma máscara de Cr para substrato de gravação é formada.
5. TiO 2 DepOSIÇÃO
- Amostra de carga.
- Defina os parâmetros para a máquina de corrente contínua pulverização catódica
- Use uma pressão na câmara de 1,5 mTorr, o fluxo de Ar de 100 sccm e uma fonte de pulverização de 130 W.
- Utilize uma temperatura de 27 ° C e uma velocidade de rotação de fase 20 rpm.
- Inicie o processo de pulverização catódica e parar em espessura desejada.
- Leve a amostra para fora e emparelhar o TiO 2 filme em ambiente de oxigênio a 300 ° C durante 3 horas.
6. Alto Contraste Grades Gravura
- Log na máquina de plasma indutivamente acoplado (ICP) gravação iónica reactiva (RIE).
- TiO 2 decapagem
- Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas.
- Iniciar e executar a receita limpo (pode ser encontrada na Tabela 1) durante 10 min.
- Descarregar carregar o wafer em branco e carregar a amostra com Cr máscara.
- Definir tempo de ataque. Iniciar TiO2 receita decapagem. O processo de gravação vontade automaticamente parar.
- Descarregar a amostra.
- SiO2 Etching
- Repita o passo 5.2 excepto o uso da receita gravura SiO 2.
Medição 7. Reflectance
- Fazer login e ligar o sistema de medição.
- Coloque o espelho padrão de reflexão no suporte de amostras e alinhar o caminho óptico.
- Calibrar o sistema para a reflectância a 100%.
- Tire o espelho padrão de reflexão e coloque o HCG.
- Medir a reflectância da HCG.
- Salvar os dados e sair do sistema de medição.
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Representative Results
A Figura 1 mostra a implementação do elemento dispersivo (multicamada alta grade contraste (GCH)) num sistema fotovoltaico concentrado. A luz solar é reflectida pelo primeiro espelho primário e colide com o elemento dispersivo reflexiva, em que o feixe é reflectido e dividido em diferentes bandas de comprimentos de onda diferentes. Cada banda vai colidir com um determinado local na matriz de células solares para a melhor absorção e conversão em eletricidade. A chave para este sistema é a concepção e implementação do elemento de dispersão, que é composto de várias camadas de HCG.
A Figura 2 mostra o resultado optimização numérico para cada camada do elemento de dispersão. Os resultados foram calculados pelo método das diferenças no domínio do tempo (FDTD) 7 com base software de simulação comercial "Lumerical" e mais validado pela análise de onda acoplado rigorosa (RCWA) 8. O índice de refracçãode TiO 2 foi a partir do banco de dados on-line SOPRA 9. O elemento de dispersão de seis camadas optimizada pode proporcionar uma reflexão total de mais de 90% ao longo de todo o espectro solar 10,11.
Para demonstrar a reflectância de banda larga de HCG experimentalmente, uma das seis camadas da estrutura do elemento dispersivo HCG é fabricado usando a fabricação nanoimpressão. Como mostrado na Figura 3, cada bloco de grelha consiste de duas partes. O material da grade superior é de TiO 2 e o material da sub grade é sílica fundida. O tom do 2D HCG é 453 nm. A largura de cada linha de grade é de 220 nm. A altura de ambos grade superior e sub é de 340 nm. O material do substrato é o mesmo que o sub grade.
TiO 2 foi depositado em sílica fundida no HP Labs usando uma máquina de corrente contínua Magnetron pulverização catódica. A pressão da câmara foi de 1,5 mTorr com um fluxo de cerca de 100 sccm Ar. O poder de descarga eléctricafoi de 130 W e a taxa foi de 4 nm / min. Dois lotes de TiO 2 filme foram atomizados a diferentes temperaturas, 27 ° C e 270 ° C, respectivamente. Para garantir uma deposição mesmo filme, rotação fase substrato foi ligado (20 rpm) durante a pulverização catódica. Ambos os lotes de TiO 2 filmes foram recozidas a 300 ° C durante 3 h após pulverização catódica para melhorar a qualidade do filme. Após a deposição, ambos os lotes de TiO 2 filmes foram examinadas usando um microscópio electrónico de varrimento (SEM) (Figura 4). Os índices de refracção de TiO 2 filmes também foram medidos (Figura 5). Os índices de refracção foram medidos 10% mais baixo do que a base padrão, porque a película era porosa, que também pode ser observado na Figura 4. Uma temperatura de pulverização mais elevada pode aumentar o índice de refracção, no entanto, a rugosidade da película foi muito maior. Para alcançar um bom equilíbrio entre índices de refração e rugosidade, o filme TiO 2 que foi sputtrado a 27 ° C, foi escolhido como o material de grelha.
Os passos principais para a fabricação nanoimpressão são esquematicamente mostrado na Figura 6. Em primeiro lugar, um molde com certos padrões é pressionado na curável por UV no substrato resistir. Em seguida, a luz UV é aplicada para curar o material resistivo. Após a cura, o molde pode ser separado a partir do substrato e da forma de resistir é exactamente o oposto do molde. O padrão impresso pode ser usado como máscara para gravar o resíduo resistir, o depósito de metal, descolagem e finalmente gravar no substrato. Deste modo, a forma do molde é transferido para o substrato.
Para fabricar 2D HCG, um molde é duplicada a partir de um mestre grade periódica 1D silício, que foi fabricado pela interferência litografia 12. Em seguida, o mesmo molde é utilizado para imprimir duas vezes em direcções ortogonais sobre o mesmo substrato de silício padrão para uma matriz de buracos 2D (Figura 7). O nanoimpressão híbrido <sup> 13 processo pode fazer amostras da grande-área, com alta resolução e pequenos defeitos. Os resultados impressos (matriz de silício furo matriz 2D) é mostrado na Figura 8. A rugosidade de arestas pode ser ainda mais reduzida com a ajuda de Contornos tecnologias 14.
Após padronização nanoimpressão e Cr matriz máscara for concluída, uma máquina ICP RIE é usado para gravar a amostra. Dois receitas decapagem diferentes foram desenvolvidos para TiO2 e sílica fundida, respectivamente, o que é mostrado na Tabela 1. A estrutura fabricada é mostrado na Figura 9.
O coeficiente de reflexão (a partir da incidência normal) de 2D HCG foi medida utilizando dois espectrómetros de diferentes com diferentes tipos de detectores, o detector normal, e o detector de integração esfera. Em contraste com detector de esfera de integração, o detector normal tem um ângulo relativamente pequeno de aceitação e, portanto, não vai receber a l dispersosight. Como mostrado na Figura 10, a diferença nas curvas de reflectância medidos por ambos os detectores indica que a luz é dispersa por o HCG, devido à estrutura de rugosidade. A diferença entre a medição esfera de integração de dados e simulação é devido principalmente à perda de erros materiais e de fabricação. As curvas de reflectância pode demonstrar que o dispositivo fabricado pode funcionar como um refletor banda como uma camada no elemento dispersivo. Devido ao elevado índice de contraste entre a grade e o substrato, HCG tem boa independência ângulo. A curva de reflectância não vai mudar muito quando o ângulo de incidência é menor do que 15 °.
Figura 1: A implementação do elemento dispersivo (multijogador HCG) em um sistema fotovoltaico concentrado (CPV).
Figura 2: Numericamente optimizado curvas de reflectância para o elemento de dispersão (de seis camadas empilhadas GCH) que pode cobrir a maior parte do espectro solar.
Figura 3: A estrutura optimizada de um HCG para demonstração de fabricação nanoimpressão.
Figura 4: As imagens de MEV (vista em corte transversal) de TiO2 pulverizados filmes no (a) 27 ° C e (b) 270 ° C. Por favor clique aqui para ver um maiorversão desta figura.
Figura 5: Medido e de refração padrão (banco de dados Sopra) índices de pulverizados TiO 2 filmes.
Figura 6:. Processo de fabricação nanoimpressão Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: A imagem SEM do mestre de silício matriz buraco 2D (vista de cima para baixo).
Figura 8: A foto do mestre de silício matriz buraco 2D fabricado por nanoimpressão baseado no PDMS.
Figura 9: A imagem SEM (vista em corte) da fabricado 2D HCG.
Figura 10: Uma curva de reflectância simulada e duas curvas de reflectância medidos utilizando detector integração esfera e detector normal, respectivamente.
Figura 11: (a) Efeito do índice de refracçãoem HCG reflectância; (B) Efeito do ângulo da parede lateral na HCG reflectância. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| ICP Poder | Avançado de Energia | SF 6 Fluxo | C 4 F 8 Fluxo | O 2 Fluxo | Pressão | Gravura Classificação | |
| TiO2 | 0 W | 25 W | 25 sccm | 10 sccm | 10 sccm | 10 mTorr | 43 nm / min |
| Silica 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 |
| Limpo | 1.000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 sccm | 50 mTorr | N / D |
Tabela 1: As receitas de decapagem para TiO 2, de sílica fundida, UV resistir, PMMA e limpo.
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Discussion
Em primeiro lugar, a qualidade do filme de TiO 2 é muito crucial para o desempenho de HCG. O pico de reflectância será mais elevada se o filme de TiO 2 com menos perda e a rugosidade da superfície. O TiO2 filme com um índice de refracção mais elevado, também é favorável porque o modo de confinamento óptica irá ser reforçada por um contraste maior no índice, o que pode dar origem a uma banda mais achatada e mais larga na reflectância HCG.
Em segundo lugar, os erros de fabrico irá ter efeitos significativos sobre o HCG e deve ser evitada. A rugosidade introduzido no fabrico fará com que mais luz seja dispersa, de modo que a reflectância será menor. O desvio de parâmetros na fabricação HCG incluindo largura de linha, a altura eo campo não vai permitir que o dispositivo para funcionar de forma ideal como na simulação. Além disso, a reflectância da HCG depende fortemente do perfil de gravação, isto é, o ângulo da parede lateral. Na Figura 11, o efeito do ângulo de parede laterals na reflectância de HCG é calculado numericamente. À medida que os ângulos das paredes laterais diminuir a partir de 90 ° a 84 °, a reflectância média cai entre os mais de 90% para menos de 50%, porque o HCG se comporta mais como um revestimento anti-reflexo em forma de cone, quando o ângulo da parede lateral é pequena.
A eficiência óptica do elemento de dispersão é importante para a eficiência global do sistema CPV, então a reflectância de cada camada de hCG deve ser tão alta quanto possível. Com base na discussão anterior, enquanto que a eficiência óptica para a camada é fabricada de cerca de 60%, não são possíveis várias melhorias para uma melhor reflectância HCG. A condição de pulverização de TiO 2 pode ser adicionalmente optimizado para gerar o filme com um índice mais elevado, a rugosidade da superfície e menos perda óptica inferior. As receitas de erosão seca deve ser ainda ajustada para um melhor perfil de decapagem, fazendo com que o reto grade, o que pode ser conseguido ajustando a combinação de gases (C 4 F8, SF 6 e O 2) para equilibrar o condicionamento e re-deposição processo. O processo nanoimpressão e lift-off deve ser melhorada a fim de evitar erros de rugosidade e de fabricação, de modo que a dispersão desnecessária pode ser reduzida para aumentar a eficiência óptica global.
Por empilhamento de camadas múltiplas de HCGs bidimensionais com alturas diferentes, o espelho dispersivo pode operar no espectro muito mais amplo. O espelho pode reflexivamente luz direta em diferentes ângulos de acordo com comprimentos de onda, em uma forma de embalar todas as camadas de HCG, posteriormente, em diferentes ângulos de inclinação. Além disso, o espelho dispersivo pode ser fabricado usando a litografia nanoimpressão (NIL) numa grande área e a um baixo custo. Além disso, o sistema proposto apresenta uma fácil integração com concentrador fotovoltaico existente (CPV) setup para que ele tem o potencial de ser amplamente aceito pela indústria para melhorar a eficiência de conversão de energia solar.
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Acknowledgments
Esta pesquisa foi apoiada como parte do Centro de Energia Nanociência, um Centro de Pesquisa de Energia Frontier financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência sob Award Número DE-SC0001013. Queremos também agradecer ao Dr. Max Zhang Jianhua e Dr. Yang do HP Labs por sua ajuda na medição TiO2 pulverização catódica filme e índices de refração.
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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