Introduction
Onze moderne samenleving zal niet overleven zonder het verplaatsen van een aanzienlijk deel van het energieverbruik van hernieuwbare energiebronnen. Om dit te laten gebeuren, moeten we een manier vinden om hernieuwbare energie te oogsten tegen een kostprijs lager dan aardolie gebaseerde energiebronnen in de nabije toekomst te vinden. Zonne-energie is de meest overvloedige hernieuwbare energie op aarde. Ondanks dat er veel vooruitgang is geboekt in de zonne-energie oogsten, is het nog steeds erg moeilijk om te concurreren met op aardolie gebaseerde energiebronnen. Verbetering van de efficiëntie van zonnecellen is een van de meest efficiënte manieren om de systeemkosten van zonne-energie oogsten verlagen.
Optische lenzen en reflectors schaal worden meestal gebruikt in de meest geconcentreerde fotovoltaïsche (CPV) systemen 1 een hoge concentratie van zonnestroom invloed op de kleine gebieden zonnecellen bereiken, zodat het economisch haalbaar om dure tandem meerdere zonnecellen 2 exploiteren CPV systemen, en een redelijke handhavenkosten tegelijkertijd. Echter, voor de meeste niet-geconcentreerde fotovoltaïsche systemen, die gewoonlijk een groot oppervlak gedeelte van zonnecellen, de hoge kosten tandem zonnecellen kunnen niet worden opgenomen, hoewel zij gewoonlijk een breder zonnespectrum respons en een hogere totale omzetting rendement dan de enkele junction zonnecellen 3.
Onlangs, met behulp van de parallelle spectrum splitting optics (dwz dispersief element), de parallelle spectrum splitting 4 fotovoltaïsche technologie heeft het mogelijk gemaakt dat een soortgelijke of betere spectrum dekking en omzettingsrendement kan worden gerealiseerd zonder de dure tandem zonnecellen. De zonnespectrum kan worden opgesplitst in verschillende groepen en elke band kan worden geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit door de gespecialiseerde enkelvoudige zonnecellen. Hierdoor kan de duur tandem zonnecellen CPV systemen worden vervangen door een parallelle distributie van single-junctie zonnecels zonder enig compromis op de prestaties.
Het dispersief element dat is gemaakt in dit rapport kan worden toegepast in een reflectieve CPV (dat is gebaseerd op schotel reflectoren) parallelle spectrum splitting verbeterde zonne-elektriciteit en een verminderde kostprijs te realiseren. Meerlaagse hoog contrast roosters (HCG) 5 wordt gebruikt als het dispersieve element door het ontwerpen van elke laag van HCG werken als optische band reflector. De structuren en parameters van het dispersieve element worden numeriek geoptimaliseerd. Bovendien is de vervaardiging van hoog contrast roosters voor het dispersief element met diëlektrische (TiO 2) sputteren, nanoimprint lithografie 6 en reactief ionen etsen bestudeerd en aangetoond.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bereid de Blank Polydimethylsiloxaan (PDMS) Substraat voor nanoimprint Mold
- Silicon Wafer behandelingsproces
- Schoon een 4 inch siliciumwafel door spoelen met aceton, methanol en isopropanol.
- Blaas het droog met stikstof pistool.
- Maak gebruik van Piranha-oplossing (3: 1 mengsel van zwavelzuur met 30% waterstofperoxide) door onderdompeling in 15 min.
- Spoel het met DI water. Föhnen met behulp van de stikstof pistool.
- Plaats de wafer in een glas exsiccator. Voeg een druppel (20 druppels = 1 ml) van het vrijgeven van middel (trichloorsilaan) in de exsiccator.
- Pomp beneden de exsiccator totdat de meter leest -762 Torr en wacht 5 uur.
- Neem de wafer uit, die is behandeld met lossingsmiddel.
- Voorbereiding van de PDMS Film (Gebruikt als Schimmel in nanoimprint)
- Weeg 10 g siliconenelastomeer basis en 1 g verharder.
- Voeg ze in dezelfde bekerglas.
- Stir en meng met een glazen staaf voor 5 min.
- Doe het mengsel in een vacuümexsiccator, totdat de meter leest -762 Torr te pompen uit alle luchtbellen.
- Spreid ze gelijkmatig op het behandelde 4-inch silicium wafer.
- Bak de wafer met PDMS bovenaan in de vacuümoven gedurende 7 uur bij 80 ° C aan het PDMS film te harden.
2. Bereid de nanoimprint Mold (duplicatie van de Master Mold)
- Spin twaalf druppels (20 druppels = 1 ml) van UV hardbare weerstand (15,2%) op een schone lege siliciumwafel gedurende 30 seconden bij 1500 tpm.
- Schil van een stuk PDMS film uit de behandelde silicium wafer zorgvuldig.
- Zet de PDMS film op de UV weerstaan en laat het absorberen de UV weerstaan gedurende 5 minuten daarna afschilferen.
- Herhaal 2.1-2.3 dezelfde PDMS film twee keer. Absorberen de UV weerstaan gedurende 3 minuten en 1 min respectievelijk.
- Plaats de PDMS film (na drie keer UV weerstaan absorptie) op een silicium meester mal.
- Zet het in een kamer met stikstof omgeving.
- Zet UV lamp om het monster gedurende 5 minuten harden.
- Trek het PDMS film. De uitgeharde UV weerstaan aan de PDMS zal het negatieve patroon van de meester mal te houden.
- Gebruik RF O 2 plasma te behandelen de PDMS mal. (RF-vermogen: 30 W, druk: 260 mTorr, tijd: 1 min)
- Plaats de PDMS mal in een vacuümkamer met één druppel (20 druppels = 1 ml) losmiddel gedurende 2 uur.
3. nanoimprint Pattern Transfer
- Spin acht druppels (20 druppels = 1 ml) van PMMA (996k, 3,1%) op het substraat wordt bedrukt voor 50 sec bij 3500 rpm.
- Bak het op een verwarmingsplaat gedurende 5 minuten bij 120 ° C.
- Wacht tot het monster afkoelen.
- Spin acht druppels (20 druppels = 1 ml) van UV hardbare weerstaan (3,9%) op hetzelfde substraat.
- Plaats de PDMS mal (bereid in stap 2) op het monster (zowel UV resist en PMMA).
- Zet het in een kamer met stikstof omgeving.
- Zet de UV-lamp uitharden 5 min.
- Schil de PDMS mal uit het monster en het patroon op de PDMS mal wordt overgedragen aan het monster.
4. Cr Lift-off Process
- Reactief ionen etsen overgebleven laag UV weerstaan en PMMA
Opmerking: De SOP voor ICP machine kan worden gevonden op https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Log in RIE ICP machine.
- Plaats een lege 4 inch silicium wafer. Voer de schone recept voor 10 min.
- Neem de lege silicium wafer uit.
- Monteer het monster op een andere schone silicium wafer en plaats hem in de machine.
- Voer de UV resist ets recept voor 2 min (recept te vinden in tabel 1).
- Neem het monster uit. Plaats een lege 4 inch silicium wafer. Re-run de schone recept (te vinden in tabel 1) gedurende 10 min.
- Monteer het monster op een schone silicium waferen laad het in de machine.
- Voer de PMMA ets recept (te vinden in tabel 1) voor 2 min.
Opmerking: Nu de resterende resist is geëtst en het substraat wordt blootgesteld.
- Cr E-beam verdamping
- Log in op e-beam verdamper.
- Laad de Cr metalen bron en het monster in de kamer.
- Stel de dikte (20 nm) en depositie tarief (0,03 nm / sec).
- Pomp de kamer totdat gewenste vacuüm (10 -7 Torr) wordt bereikt.
- Start het depositieproces.
- Neem het monster na de afzetting is voltooid.
- CR Lift-off Procedure
- Dompel het monster in aceton ultrasoon roeren gedurende 5 min.
- Reinig het monster door spoelen met aceton, methanol en isopropanol.
Opmerking: De Cr afgedampt de resist wordt getild en een Cr masker te etsen substraat wordt gevormd.
5. TiO 2 DepTANDPUNT
- Load monster.
- Stel de parameters voor de gelijkstroom magnetron sputtering machine
- Gebruik een kamerdruk van 1,5 mTorr, Ar stroom van 100 sccm en een sputtervermogen van 130 W.
- Gebruik een temperatuur van 27 ° C en een podium rotatiesnelheid van 20 rpm.
- Start het sputter proces en stop op de gewenste dikte.
- Neem het monster uit en gloeien de TiO 2 film in zuurstofarme omgeving bij 300 ° C gedurende 3 uur.
6. High Contrast raspen Etsen
- Log in het inductief gekoppeld plasma (ICP) reactief ion etsen (RIE) machine.
- TiO 2 etsen
- Plaats een lege 4-inch silicium wafer.
- Starten en uitvoeren van de schone recept (te vinden in tabel 1) gedurende 10 min.
- Uitladen laden van de lege wafer en de belasting van het monster met Cr masker.
- Stel etstijd. Start TiO 2 ets recept. De ets proces zal autotisch stoppen.
- Uitladen van het monster.
- SiO 2 Etsen
- Herhaal stap 5.2 behalve gebruik maken van de SiO 2 ets recept.
7. reflectiemeting
- Log in en zet het meetsysteem.
- Plaats de reflectiestandaard spiegel op het monster houder en lijn het optische pad.
- Kalibreer het systeem voor 100% reflectie.
- Haal de reflectiestandaard spiegel en plaats de HCG.
- Meet de reflectie van het HCG.
- Sla de gegevens op en log uit van het meetsysteem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont de uitvoering van het dispersieve element (multilayer hoog contrast grating (HCG)) in een geconcentreerde fotovoltaïsche installatie. Het zonlicht wordt eerst gereflecteerd door de primaire spiegel en afbreuk doet aan de reflecterende dispersief element, waar de bundel wordt gereflecteerd en opgesplitst in verschillende bands van verschillende golflengten. Elke band zal van invloed zijn op een bepaalde locatie op de zonnecel array voor de beste absorptie en omzetting naar elektriciteit. De sleutel tot dit systeem is het ontwerp en de uitvoering van het dispersieve element, dat is samengesteld uit meerdere lagen van HCG.
Figuur 2 toont de numerieke optimalisatie resultaat van elke laag in het dispersieve element. De resultaten werd berekend door de eindige-verschil tijd-domein (FDTD) 7 gebaseerde commerciële simulatiesoftware "Lumerical" en verder gevalideerd door strenge gekoppeld-wave analyse (RCWA) 8. De brekingsindexvan TiO 2 was van de SOPRA 9 online database. De geoptimaliseerde zeslagige dispersief element kan een totale reflectie van meer dan 90% over het gehele zonnespectrum 10,11 verschaffen.
Om de breedband reflectiecoëfficiënt van HCG experimenteel aangetoond, een van de zes lagen in het dispersieve element HCG structuur wordt vervaardigd met behulp nanoimprint fabricage. Zoals getoond in figuur 3, elk rooster blok bestaat uit twee delen. Het materiaal van het bovenste rooster is TiO 2 en het materiaal van het sub- raster kwartsglas. De toonhoogte van de 2D-HCG is 453 nm. De lijn breedte van elk rooster is 220 nm. De hoogte van zowel de top en sub rooster is 340 nm. Het materiaal van het substraat gelijk is aan het deelraster.
TiO 2 werd afgezet op fused silica bij HP Labs met behulp van een gelijkstroom magnetron sputter machine. De kamer druk was 1,5 mTorr met een Ar stroom ongeveer 100 sccm. De sputter vermogenwas 130 W en het tarief was 4 nm / min. Twee batches van TiO 2 film werden gesputterd bij verschillende temperaturen, 27 ° C en 270 ° C resp. Om een gelijkmatige filmafzetting waarborgen, werd substraathouder rotatie ingeschakeld (20 rpm) gedurende het sputteren. Beide batches van TiO 2 films werden gegloeid bij 300 ° C gedurende 3 uur na sputteren om de filmkwaliteit te verbeteren. Na afzetting, werden beide batches van TiO 2 films onderzocht met een scanning elektronenmicroscoop (SEM) (Figuur 4). De brekingsindices van TiO 2 films werden gemeten (Figuur 5). De gemeten brekingsindices was 10% lager dan standaarddatabank, omdat de poreuze film is die ook kan worden waargenomen in figuur 4. Een hogere temperatuur sputteren kan de brekingsindex te verhogen, maar de ruwheid van de film was veel hoger. Om een goede balans te vinden tussen een brekingsindex en film ruwheid te bereiken, de TiO 2 film die werd Sputstreerd bij 27 ° C gekozen als het raspen materiaal.
De belangrijkste stappen nanoimprint fabricage worden schematisch weergegeven in figuur 6. Eerst wordt een mal met bepaalde patronen op de UV-uithardbare resist op het substraat gedrukt. Vervolgens UV licht toegepast te harden de resist. Na het uitharden kan de vorm worden gescheiden van het substraat en de vorm van de resist is precies het tegengestelde van de matrijs. Het bedrukte patroon kan worden gebruikt als het masker op het resterende weerstaan deposit metaal etsen, opstijgen en tenslotte etsen in het substraat. Zo is de vorm van de matrijs wordt overgebracht naar het substraat.
2D HCG fabriceren, wordt een mal gedupliceerd uit een 1D periodieke rooster silicium meester, die werd vervaardigd door interferentie lithografie 12. Vervolgens dezelfde mal gebruikt tweemaal opdruk orthogonale richtingen op hetzelfde siliciumsubstraat patroon een 2D gatenrooster (figuur 7). De hybride nanoimprint <sup> 13 proces kan een groot oppervlak monsters met een hoge resolutie en weinig fouten maken. De bedrukte resultaten (2D gatenrooster silicium array) wordt getoond in figuur 8. De ruwheid van de kanten kan verder worden gereduceerd met behulp van edge smoothing technieken 14.
Na nanoimprint patronen en Cr masker matrix is voltooid, wordt een ICP RIE-machine wordt gebruikt om het monster te etsen. Twee verschillende etsen recepten werden ontwikkeld voor TiO 2 en fused silica respectievelijk is weergegeven in tabel 1. De vervaardigde constructie wordt getoond in figuur 9.
De reflectie (de normale inval) 2D HCG werd gemeten met twee verschillende spectrometers met verschillende soorten detectoren, de normale detector en de bol integratie detector. In tegenstelling tot vlak integratie detector, de normale detector een relatief kleine opnamehoek en daarom zal het verstrooide l ontvangenechts. Zoals getoond in figuur 10 het verschil in reflectie curves gemeten zowel detectors aangeeft dat het licht verstrooid door de HCG gevolge van de structuur ruwheid. Het verschil tussen integratie gebied meet- en simulatie data komt voornamelijk door het materiaalverlies en fabricagefouten. De reflectie curves kan aantonen dat de gefabriceerde apparaat kan werken als een band reflector als een laag in de dispersieve element. Vanwege het hoge contrast van index tussen het rooster en het substraat, HCG goede hoek onafhankelijkheid. De reflectiecurve verandert niet veel als de invalshoek kleiner is dan 15 °.
Figuur 1: De uitvoering van het dispersieve element (multiplayer HCG) in een geconcentreerde fotovoltaïsche (CPV) systeem.
Figuur 2: Numeriek geoptimaliseerd reflectiekrommen het dispersieve element ontwerp (zeslagige gestapelde HCG) dat het merendeel van het zonnespectrum kan dekken.
Figuur 3: De geoptimaliseerde structuur van een HCG voor het aantonen van nanoimprint fabricage.
Figuur 4: De SEM beelden (dwarsdoorsnede) van gesputterde TiO 2 films op (a) 27 ° C en (b) 270 ° C. Klik hier voor een grotere weergaveversie van deze figuur.
Figuur 5: Gemeten en standaard refractieve (SOPRA database) indices van gesputterde TiO 2 films.
Figuur 6:. Nanoimprint fabricageproces Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: De SEM beeld van 2D gatenrooster silicium master (top-down view).
Figuur 8: De foto van 2D gatenrooster silicium meester gefabriceerd door PDMS-gebaseerde nanoimprint.
Figuur 9: De SEM beeld (dwarsdoorsnede) van de vervaardigde 2D-HCG.
Figuur 10: Een gesimuleerde reflectie curve en twee gemeten reflectie curves met respectievelijk bol integratie detector en de normale detector.
Figuur 11: (a) Effect van de brekingsindexop HCG reflectie; (B) Effect van de zijwand hoek op HCG reflectie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| ICP Vermogen | Forward Vermogen | SF 6 Flow | C 4 F 8 Flow | O 2 Flow | Druk | Etsen Rate | |
| TiO 2 | 0 W | 25 W | 25 SCCM | 10 SCCM | 10 sccm | 10 mTorr | 43 nm / min |
| Fused silica | 0 W | 100 W | 0 SCCM | 15 SCCM | 15 SCCM | 10 mTorr | 20 nm / min |
| Weerstand | 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 |
| Schoon | 1000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 SCCM | 50 mTorr | NA |
Tabel 1: Het etsen recepten voor TiO 2, fused silica, UV- weerstand, PMMA en schoon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ten eerste, de kwaliteit van de TiO 2 film is zeer belangrijk voor HCG prestaties. De reflectiecoëfficiënt piek hoger zijn als de TiO 2 film minder verlies en oppervlakteruwheid. De TiO 2 film met een hogere brekingsindex is ook gunstig doordat de optische modus opsluiting wordt versterkt door een hoger contrast in index, die tot een vlakkere en bredere reflectie band HCG geven.
Ten tweede zal de fabricagefouten aanzienlijk HCG en moeten worden vermeden. De geïntroduceerd in fabricage ruwheid zal meer licht worden verstrooid veroorzaken, zodat de reflectie zal lager worden. De afwijking van de parameters in HCG fabricage waaronder lijn breedte, hoogte en pitch zal niet toestaan dat het apparaat optimaal te laten werken als in de simulatie. Bovendien is de reflectie van HCG sterk afhankelijk van de ets profiel, bijvoorbeeld de hoek van de zijwand. In figuur 11 wordt het effect van zijwand angleinzake de reflectie van HCG wordt numeriek berekend. Aangezien de zijwandhoeken afnemen van 90 ° tot 84 °, de gemiddelde reflectantie daalt van meer dan 90% tot minder dan 50%, omdat de HCG gedraagt zich meer als een kegelvormige antireflectielaag wanneer de zijwand hoek klein is.
Het optische rendement van het dispersieve element is belangrijk voor de algehele efficiëntie van de CPV systeem, zodat de reflectie van elke laag van HCG zo hoog mogelijk moet zijn. Gebaseerd op bovenstaande discussie, terwijl de optische efficiëntie van de vervaardigde laag ongeveer 60%, zijn er verschillende mogelijke verbeteringen voor een betere HCG reflectie. The TiO 2 sputteren voorwaarde kan verder worden geoptimaliseerd om de film met een hogere index minder oppervlakteruwheid en onderste optisch verlies. Het droog etsen recepten moet verder worden aangepast voor een betere ets profiel, waardoor het raster rechtere, die kan worden bereikt door de combinatie van gassen (C 4 F8, SF6 en O2) tot het etsen evenwicht en re-afzettingsproces. De nanoimprint en lift-off proces moet worden verbeterd om ruwheid en fabricagefouten voorkomen dat onnodige verstrooiing kan worden gereduceerd tot de totale optische efficiëntie.
Door stapeling van meerdere lagen van tweedimensionale HCGs verschillende plaatsen, kan de dispersieve spiegel werken in veel breder spectrum. De spiegel kan reflectief direct licht in verschillende hoeken afhankelijk van golflengten, op een wijze van verpakken alle HCG lagen vervolgens in verschillende kantelhoeken. Bovendien kan de dispersieve mirror worden vervaardigd met behulp nanoimprint lithografie (NIL) in een groot gebied en tegen lage kosten. Bovendien is het voorgestelde systeem is voorzien van een eenvoudige integratie met bestaande concentrator fotovoltaïsche (CPV) setup dus het heeft de potentie om op grote schaal worden aanvaard door de industrie om zonne-energie conversie-efficiëntie te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd gesteund als onderdeel van het Centrum voor Energie Nanoscience, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science onder Award Number DE-SC0001013. We willen ook Dr. Max Zhang Jianhua en Dr. Yang van HP Labs te bedanken voor hun hulp op TiO 2 film sputteren en brekingsindex meting.
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
- 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).
- Guter, W., et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight. Applied Physics Letters. 94, 223504 (2009).
- Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).
- Green, M. A. Potential for low dimensional structures in photovoltaics. Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).
- Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. Physics of near-wavelength high contrast gratings. Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J.
- Namiki, T. A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).
- Moharam, M. G., Gaylord, T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).
- Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: http://www.sopra-sa.com/ (2015).
- 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).
- 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).
- Solak, H. H., et al. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).
- Li, Z., et al. Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution. Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).
- 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).
