Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Fabrikation af høj kontrast Riste til Spectrum Splitting spredende element i en koncentreret solcelleanlæg

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

Introduction

Vores moderne samfund vil ikke overleve uden at flytte en betydelig del af energiforbruget til vedvarende energikilder. For at gøre dette ske, er vi nødt til at finde en måde at høste vedvarende energi til en pris lavere end oliebaserede energikilder i nær fremtid. Solenergi er den mest rigelige vedvarende energi på jorden. Trods at en masse skrider er foretaget i solenergi høst, er det stadig meget udfordrende at konkurrere med oliebaserede energikilder. Forbedring af solceller er en af ​​de mest effektive måder at sænke systemets omkostninger ved solenergi høst.

Optiske linser og parabol reflektorer er normalt anvendes i de fleste koncentrerede fotovoltaiske (CPV) systemer 1 at opnå en høj koncentration af solenergi incidens på mindre områder solceller, så det er økonomisk rentabelt at udnytte dyre tandem multi-junction solceller 2 i CPV-systemer, og for at opretholde en rimeligkoste samtidig. Men for de fleste ikke-koncentrerede fotovoltaiske systemer, som normalt kræver en stor-areal rate af solceller, de høje omkostninger tandem solceller ikke kan integreres, selv om de normalt har et bredere solspektret respons og en højere samlet virkningsgrad end den single junction solceller 3.

For nylig, med hjælp af de parallelle spektrum opdele optik (dvs. spredende element), har den parallelle spektrum opdeling solcelle-teknologi 4 gjort det muligt, at en tilsvarende eller bedre spektrum dækning og omdannelseseffektiviteten kan opnås uden brug af dyre tandem solceller. Solens spektrum kan opdeles i forskellige bands, og hvert bånd kan absorberes og omdannes til elektricitet ved de specialiserede single-junction solceller. På denne måde kan de dyre tandem solceller i CPV-systemer erstattes med en parallel distribution af single-kryds solcelles uden ethvert kompromis på ydeevne.

Den spredende element, der er designet i denne rapport kan anvendes i et reflekterende CPV-system (som er baseret på parabol reflektorer) at realisere parallelle spektrum opdeling for den forbedrede sol-elektricitet konvertering effektivitet og reducerede omkostninger. Flerlags høj kontrast riste (hCG) 5 anvendes som det spredende element ved at designe hvert lag af HCG til at arbejde som et optisk bånd reflektor. Strukturerne og parametre for den spredende element er numerisk optimeres. Desuden er fremstillingen af høj kontrast riste for spredende element ved hjælp af dielektrikum (TiO2) sputtering, nanoimprint litografi 6 og reaktiv ion ætsning undersøgt og demonstreret.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forbered Blank Polydimethylsiloxan (PDMS) Substrat for Nanoimprint Mold

  1. Silicon Wafer behandlingsproces
    1. Rense en 4 tommer siliciumskive ved skylning med acetone, methanol og isopropanol.
    2. Blæse det tørre ved hjælp af kvælstof pistol.
    3. Rens det med Piranha-opløsning (3: 1 blanding af svovlsyre med 30% hydrogenperoxid) ved gennemvædning inde i 15 min.
    4. Skyl den med DI vand. Blæse tør under anvendelse af nitrogen pistol.
    5. Placer skiven i et glas ekssikkator. Tilføj en dråbe (20 dråber = 1 ml) af slipmiddel (trichlorsilan) i ekssikkatoren.
    6. Pump ned ekssikkator, indtil måleren læser -762 Torr og vente i 5 timer.
    7. Tag wafer ud, som er blevet behandlet med slipmiddel.
  2. Udarbejdelse af PDMS Film (Bruges som Mold i Nanoimprint)
    1. 10 g silicone elastomer base og 1 g hærder vejes.
    2. Tilføj dem i samme bægerglas.
    3. Stir og blandes med en glasstav i 5 min.
    4. Sæt blandingen i en vakuumekssikkator indtil måleren læser -762 Torr at pumpe alle de fangne ​​luftbobler.
    5. Sprede dem jævnt på det behandlede 4-inch siliciumskive.
    6. Bage wafer med PDMS oven i vakuumovnen i 7 timer ved 80 ° C for at hærde PDMS filmen.

2. Forbered Nanoimprint Mold (Dobbeltarbejde fra Master Mold)

  1. Spin tolv dråber (20 dråber = 1 ml) af UV hærdbar modstå (15,2%) på en ren tom siliciumskive i 30 sekunder ved 1.500 rpm.
  2. Træk forsigtigt et stykke PDMS filmen af ​​behandlede siliciumskive.
  3. Sæt PDMS film på UV hærdende modstå og lad det absorbere UV modstå i 5 min og derefter flå det af.
  4. Gentag 2,1-2,3 på samme PDMS film til to gange. Absorbere UV modstå i 3 minutter og 1 min hhv.
  5. Placer PDMS film (efter tre-tiden UV modstå absorption) på en silicium mester mug.
  6. Sætte det ind i et kammer med nitrogen miljø.
  7. Tænd UV-lampe til hærdning af prøven i 5 min.
  8. Skrælle PDMS filmen. Den hærdede UV modstå de PDMS vil holde den negative mønster af master formen.
  9. Brug RF O 2 plasma til behandling PDMS formen. (RF-effekt: 30 W, tryk: 260 mTorr, tid: 1 min)
  10. Placer PDMS formen i et vakuumkammer med en dråbe (20 dråber = 1 ml) af slipmiddel i 2 timer.

3. Nanoimprint Mønster Transfer

  1. Spin otte dråber (20 dråber = 1 ml) af PMMA (996k, 3,1%) på substratet som skal præges til 50 sekunder ved 3.500 rpm.
  2. Bage det på en varmeplade i 5 minutter ved 120 ° C.
  3. Vente på prøven for at køle ned.
  4. Spin otte dråber (20 dråber = 1 ml) af UV-hærdende modstå (3,9%) på samme substrat.
  5. Placer PDMS mug (udarbejdet i trin 2) på prøve (med både UV modstå og PMMA).
  6. Sætte det ind i et kammer med nitrogen miljø.
  7. Tænd UV-lampen til at hærde i 5 minutter.
  8. Peel PDMS skimmel off prøven og mønstret på PDMS støbeformen bliver overført til prøven.

4. Cr Lift-off Process

  1. Reaktiv ion ætsning tilbageværende lag af UV modstå og PMMA
    Bemærk: SOP for ICP maskine kan findes på https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
    1. Log ind RIE ICP maskine.
    2. Læg en tom 4 tommer silicium wafer. Kør ren opskrift i 10 min.
    3. Tag den tomme siliciumskive ud.
    4. Monter prøven på en anden ren silicium wafer og indlæse den i maskinen.
    5. Kør UV modstå ætsning opskrift i 2 min (kan opskriften findes i tabel 1).
    6. Tag prøven ud. Læg en tom 4 tommer silicium wafer. Re-kør rent opskrift (kan findes i tabel 1) i 10 min.
    7. Monter prøven på en ren silicium waferog indlæse den i maskinen.
    8. Kør PMMA ætsning opskrift (kan findes i tabel 1) i 2 minutter.
      Bemærk: Nu den resterende resist er blevet ætset og substrat er udsat for.
  2. Cr E-beam Fordampning
    1. Log ind på e-beam fordamper.
    2. Indlæse Cr metal kilden og prøven ind i kammeret.
    3. Indstille tykkelsen (20 nm) og belægningshastighed (0,03 nm / s).
    4. Pump kammeret, indtil krævede vakuum (10 -7 torr) er nået.
    5. Start afsætningsprocessen.
    6. Tag prøven ud efter deposition færdig.
  3. CR Lift-off Procedure
    1. Fordyb prøven i acetone med ultralyd omrøring i 5 min.
    2. Rengør prøven ved skylning med acetone, methanol og isopropanol.
      Bemærk: Den Cr fordampet på modstå, vil blive løftet og et Cr maske til underlaget ætsning dannes.

5. TiO2 DepHOLDNING

  1. Load prøve.
  2. Indstil parametrene for jævnstrøm magnetronforstøvning maskine
    1. Brug en kammertryk på 1,5 mTorr, Ar flow på 100 sccm og en sputtering effekt på 130 W.
    2. Anvende en temperatur på 27 ° C og en fase rotationshastighed på 20 omdrejninger i minuttet.
  3. Start sputter-processen og stopper ved ønskede tykkelse.
  4. Tag prøven ud og anneale TiO2 film i oxygen miljø ved 300 ° C i 3 timer.

6. Høj kontrast rist Ætsning

  1. Log på induktivt koblet plasma (ICP) reaktiv ion ætsning (RIE) maskine.
  2. TiO2 ætsning
    1. Læg en tom 4-tommer silicium wafer.
    2. Starte og køre den rene opskrift (kan findes i tabel 1) i 10 minutter.
    3. Losse indlæse tomme wafer og indlæse prøven med Cr maske.
    4. Indstil ætsning tid. Start TiO2 ætsning opskrift. Ætsning proces vil autotisk stoppe.
    5. Losse prøven.
  3. SiO2 Etching
    1. Gentag trin 5.2 bortset bruge SiO2 ætsning opskrift.

7. Reflektans Måling

  1. Log på og tænd for målesystemet.
  2. Placer refleksionsmåleren spejl på prøveholderen og tilpasse den optiske vej.
  3. Kalibrere systemet for 100% reflektans.
  4. Tag refleksionsmåleren spejlet og placere HCG.
  5. Måle reflektansen af ​​HCG.
  6. Gem dataene, og logge af målesystemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser gennemførelsen af den spredende element (flerlagede høj kontrast rist (HCG)) i en koncentreret fotovoltaisk system. Solens lys først reflekteres af den primære spejl og indvirker på den reflekterende spredende element, hvor strålen reflekteres og opdelt i forskellige bånd af forskellige bølgelængder. Hvert bånd vil kolliderer med en bestemt placering på solcelle array til den bedste absorption og konvertering til elektricitet. Nøglen til dette system er det design og implementering af den spredende element, som er sammensat af flere lag af HCG.

Figur 2 viser den numeriske optimering resultat for hvert lag i det spredende element. Resultaterne blev beregnet ved finite-forskel tid-domæne (FDTD) 7 baseret kommerciel simulation software "Lumerical", og yderligere valideret af streng koblede-bølge analyse (RCWA) 8. Brydningsindeksetaf TiO2 var fra SOPRA 9 online database. Den optimerede seks-lags spredende element kan give en total refleksion på mere end 90% over hele solspektret 10,11.

For at demonstrere bredbånd reflektans af HCG eksperimentelt, en af ​​de seks lag i spredende element HCG struktur er fremstillet ved hjælp nanoimprint fabrikation. Som vist i figur 3, hver rist blok består af to dele. Materialet i den øverste rist er TiO2 og materialet af underområdet gitteret kvartsglas. Tonehøjden for 2D HCG er 453 nm. Linjen Bredden af ​​hver rist er 220 nm. Højden af ​​både top og sub rist er 340 nm. Materialet på substratet er den samme som den sub rist.

TiO 2 blev afsat på smeltet silica ved HP Labs anvendelse af en jævnstrøm magnetron sputter maskine. Trykkammeret var 1,5 mTorr med en Ar flow omkring 100 sccm. Sputter magtvar 130 W og satsen var 4 nm / min. To batches af TiO 2 film blev forstøvet ved forskellige temperaturer, 27 ° C og 270 ° C. At sikre en jævn film deposition blev substratscene rotation tændt (20 rpm) under pådampning. Begge partier af TiO 2 film blev udglødet ved 300 ° C i 3 timer efter katodeforstøvning at forbedre filmkvalitet. Efter aflejring blev begge batches af TiO 2 film undersøgt ved anvendelse af et scanningselektronmikroskop (SEM) (figur 4). Brydningsindeks TiO 2 film blev også målt (figur 5). De målte brydningsindekser var 10% lavere end standard database, fordi filmen var porøs som også kan observeres i figur 4. En højere temperatur sputtering kunne øge brydningsindeks imidlertid ruhed af filmen var meget højere. For at nå en god balance mellem brydningsindeks og film ruhed, at TiO2 film, der blev sputstreres ved 27 ° C blev valgt som gitteret materiale.

De vigtigste trin for nanoimprint fremstilling er skematisk vist i figur 6. Først en form med bestemte mønstre presses mod UV-hærdelige modstå på substratet. Derefter UV-lys anvendes til at hærde modstå. Efter hærdning kan formen adskilles fra substratet og formen af ​​modstå er nøjagtigt det modsatte af formen. Det trykte mønster kan anvendes som masken til at ætse den resterende modstå, deponering metal, løft og endelig etch ind i substratet. På denne måde bliver formen af ​​støbeformen overført til substratet.

At fremstille 2D HCG, er en støbeform duplikeres fra en 1D periodisk gitter silicium master, som blev fremstillet ved litografi interferens 12. Så det samme støbeform anvendes til at trykke to gange i ortogonale retninger på samme silicium substrat til mønster et 2D hul array (figur 7). Den hybride nanoimprint <sup> 13 proces kan gøre stort område prøver med høj opløsning og små defekter. De prægede resultater (2D hul-array silicium array) er vist i figur 8. Ruheden af kanterne kan reduceres yderligere ved hjælp af kant udjævning teknologier 14.

Efter nanoimprint mønster og Cr maske array er fuldført, en ICP RIE maskine, der anvendes til at ætse prøven. To forskellige ætsning opskrifter udviklet til TiO 2 og smeltet silica henholdsvis, som er vist i tabel 1. Den fremstillede struktur er vist i figur 9.

Reflektansen (fra vinkelret indfald), i 2D HCG blev målt ved anvendelse af to forskellige spektrometre med forskellige typer af detektorer, den normale detektor og kuglen integration detektoren. I modsætning til sfære integration detektor, den normale detektor har en relativt lille vinkel på accept og vil derfor ikke modtage det spredte light. Som vist i figur 10, er forskellen i reflektanskurverne målt ved begge detektorer indikerer, at lyset spredes af HCG grund af strukturen ruhed. Forskellen mellem integration sfære måling og simulering data er primært på grund af tab af materiale og fabrikationsfejl. Reflektanskurverne kan påvise, at den fremstillede enhed kan arbejde som et band reflektor som et lag i spredende element. Grund af den høje kontrast indeks mellem gitteret og substratet, HCG har god vinkel uafhængighed. Reflektansen-kurven vil ikke ændre meget, når indfaldsvinklen er mindre end 15 °.

Figur 1
Figur 1: Gennemførelsen af spredende element (multiplayer HCG) i et system koncentreret solcelle (CPV).


Figur 2: Numerisk optimeret reflektanskurverne for spredende element design (seks-lag stablet HCG), der kan dække de fleste af solens spektrum.

Figur 3
Figur 3: Den optimerede struktur af et HCG til demonstration af nanoimprint fabrikation.

Figur 4
Figur 4: De SEM billeder (tværsnit) af katodeforstøvede TiO2 film på (a) 27 ° C og (b) 270 ° C. Klik her for at se et størreversion af denne figur.

Figur 5
Figur 5: Målte og standard refraktive (SOPRA database) indekser for katodeforstøvede TiO 2 film.

Figur 6
Figur 6:. Nanoimprint produktionsprocessen Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: SEM billede af 2D hul-array silicium master (top-down visning).

"Figur Figur 8: Billedet af 2D hul vifte silicium mester fremstillet af PDMS-baserede nanoimprint.

Figur 9
Figur 9: SEM-billede (tværsnit) af det fremstillede 2D HCG.

Figur 10
Figur 10: Et simuleret reflektionskurve og to målte reflektanskurverne igennem sfære integration detektor og normal detektor henholdsvis.

Figur 11
Figur 11: (a) Effekt af brydningsindekspå HCG reflektans; (B) Effekt af dæksiden vinkel på HCG reflektans. Klik her for at se en større version af dette tal.

ICP Power Forward Power SF 6 Flow C 4 F 8 Flow O 2 Flow Tryk Ætsning Rate
TiO2 0 W 25 W 25 SCCM 10 SCCM 10 SCCm 10 mTorr 43 nm / min
Smeltet silica 0 W 100 W 0 SCCM 15 SCCM 15 SCCM 10 mTorr 20 nm / min
Modstå 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
Ren 1.000 W 200 W 0 0 50 SCCM 50 mTorr NA

Tabel 1: De ætsning opskrifter til TiO 2, kvartsglas, UV modstå, PMMA og ren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Første, er meget afgørende for HCG ydeevne kvaliteten af TiO 2 film. Reflektansen peak vil være højere, hvis TiO2 filmen har mindre tab og overfladeruhed. Den TiO2 film med en højere brydningsindeks er også gunstig, fordi den optiske tilstand indespærring vil blive styrket gennem en højere kontrast i indekset, der kan give anledning til en fladere og bredere reflektans band i HCG.

For det andet vil fabrikation fejl få væsentlig indvirkning på HCG og bør undgås. Ruheden indført i fabrikation vil forårsage mere lys til at blive spredt, så reflektansen vil blive lavere. Afvigelsen af ​​parametre i HCG fabrikation, herunder linje bredde, højde og pitch vil ikke lade enheden fungere optimalt som i simuleringen. Desuden reflektansen af HCG stærkt afhænger af ætsning profil, dvs. vinklen på sidevæggen. I figur 11, er virkningen af sidevæggen vinkels på reflektans af HCG er numerisk beregnet. Som sidevæggen vinkler gradvist fra 90 ° til 84 °, den gennemsnitlige reflektans falder fra over 90% til under 50%, fordi HCG opfører sig mere som en kegleformet antireflekterende belægning, når sidevæggen vinkel er lille.

Den optiske effektivitet spredende element er vigtig for den samlede effektivitet af CPV-systemet, så reflektansen af ​​hvert lag af HCG bør være så højt som muligt. Baseret på den ovenstående diskussion, mens det optiske effektivitet for den fremstillede lag er omkring 60%, der er flere mulige forbedringer for et bedre HCG reflektans. TiO2 sputtering tilstand kan optimeres yderligere for at generere film med en højere indeks, mindre overfladeruhed og lavere optisk tab. De tørre ætsning opskrifter bør desuden justeret for en bedre ætsning profil, hvilket gør gitteret mere lige, hvilket kan opnås ved at justere blanding af gasser (C4 F8, SF 6 og O 2) for at afbalancere ætsning og re-afsætningsprocessen. Den nanoimprint og lift-off processen bør forbedres for at undgå ruhed og fabrikation fejl, således at unødvendig spredning kan reduceres til at øge den samlede optiske effektivitet.

Ved at stable flere lag af todimensionale HCGs med forskellige pladser, kan den dispersive spejl fungere i meget bredere spektrum. Spejlet kan reflekteret direkte lys i forskellige vinkler efter bølgelængder, på en måde emballageforbrug alle HCG lag efterfølgende i forskellige hældende vinkler. Desuden kan den dispersive spejl fremstilles ved anvendelse nanoimprint litografi (NIL) i et stort område og til en lav pris. Desuden er den foreslåede ordning har en nem integration med eksisterende koncentrator solceller (CPV) setup, så det har potentiale til at blive bredt accepteret af branchen for at forbedre solenergi virkningsgrad.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet som en del af Center for Energi Nanoscience, en Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of Science under Award nummer DE-SC0001013. Vi vil også gerne takke Dr. Max Zhang og Dr. Jianhua Yang HP Labs for deres hjælp på TiO2 film sputtering og brydningsindeks måling.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Engineering Parallel spektrum opdeling spredende element høj kontrast rist koncentreret solcelleanlæg nanoimprint litografi reaktiv ion ætsning
Fabrikation af høj kontrast Riste til Spectrum Splitting spredende element i en koncentreret solcelleanlæg
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter