Waiting
Login processing...

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

Engineering

Integrering av Lys Overlappings sølv nanostrukturer i hydrogenert mikrokrystallinsk silisium solceller ved Transfer Printing

Published: November 9, 2015 doi: 10.3791/53276
Automatic Translation
1, 2, 2, 1, 1
1Renewable Energy Research Center, Fukushima Renewable Energy Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Koriyama, Fukushima, Japan, 2Research Center for Photovoltaic Technologies, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan

Introduction

Det har vært en langvarig behov for anvendelse av funksjonelle nanostrukturer i et bredt spekter av teknologiske feltet. En av forventninger til denne trenden er å åpne nye utformingen av enhets arkitekturer som fører til bedre eller nyskapende forestillinger. I feltet av solceller, for eksempel bruk av metallnanostrukturer har vært aktivt utforsket på grunn av deres spennende optiske (dvs. Plasmonic) egenskaper, en potensielt gunstig å konstruere effektive lys fangstsystemer. 2,3 Faktisk noen teoretiske studier 4 -6 har antydet at en slik plasmonic lys fangst kunne oppnå effekter som overskrider de vanlige ray optikk (teksture) -baserte lys fangst grense. 7 Som et resultat, utvikle strategier for å integrere ønskede metall nanostrukturer med solceller har blitt stadig viktigere for å realisere disse teoretiske forutsigelser.

En rekke strategier erblitt foreslått for å møte denne utfordring. 8-24 Disse inkluderer, for eksempel, enkel (low-cost) termisk gløding av metallfilmer 8,9 eller dispersjon av pre-syntetisert metall nanopartikler, 10,11 begge resulterte i vellykkede demonstrasjoner av plasmonic lys fangst. Det bør imidlertid påpekes at metallnanostrukturer fabrikkert av disse fremgangsmåtene er vanligvis vanskelig å samsvare med de teoretiske modellene. I motsetning til tradisjonelle Nanofabrication teknikker i halvlederindustrien, som for eksempel fotolitografi og elektronstråle-litografi, kan styre 12,13 strukturer godt under sub-100 nm-nivå, men de er ofte for kostbare og tidkrevende å gjelde for solceller, hvor stort område evne med lav kostnad er viktig. For å oppfylle den lave kostnader, høy gjennomstrømming, og krav med nanoskala kontrollerbarhet store-området, metoder som nanoimprint litografi, 14-16 myk litografi, 17,18 19-21 og hole-maske kolloidalt litografi 22-24 ville være lovende. Blant disse valgene, har vi utviklet en myk litografisk, avansert overføring utskrift teknikk. 25 Bruke en nanostrukturerte poly (dimetylsiloksan) (PDMS) frimerker og blokkopolymer-baserte klebesjiktene, kan fordelingen av bestilte metall nanostrukturer lett oppnås på en rekke teknologisk relevante materialer, inkludert de for solceller.

Fokus for denne artikkelen er å beskrive detaljert prosedyre for vår overføring utskrift tilnærming til å innlemme effektive lys fangst Plasmonic nanostrukturer i eksisterende solcelle strukturer. Som en demonstrative tilfellet Ag nanodisks og tynnfilm hydrogenert mikrokrystallinsk Si (mikrochipen-Si: H) solceller ble valgt i denne undersøkelsen (figur 1), 26 selv om andre typer av metaller og solceller er kompatible med denne tilnærmingen. Sammen med sin prosessenkelhet, ville tilnærmingen være av interesse for ulike forskere som et nyttig verktøy for å integrere funksjonelle metall nanostrukturer med enheter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Utarbeidelse av PDMS Stamps

  1. Sett en nanohole mold (nanoimprinted cyclo olefinpolymer plastfilm, størrelse: 50 mm x 50 mm) i en polytetrafluoretylen (PTFE) container.
  2. Vei vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer (0,76 g for 50 mm x 50 mm mold) i en engangsglassflaske og bland det med Pt-divinyltetrametyldisiloksan kompleks (6 ul, ved hjelp av en digital mikro pipette med en disponibel polypropylen spiss) og 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ul, ved hjelp av en digital mikro pipette med en disponibel polypropylen tips).
  3. Legg methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer (0,24 ml, ved hjelp av en digital mikro pipette med en disponibel polypropylen spiss) i glassflaske og bland det raskt ved hjelp av et engangs glass pipette. Etter at overflaten av formen angitt i PTFE beholderen blåses av N2, hell den resulterende blanding ("hard" PDMS forpolymer) på formen og start spin-coating ved 1000 rpm i 40 sekunder for å oppnå en tykkelse på ~ 40 pm.
  4. Plasser spinn-belagt prøve i et varmt kammer forvarmet ved 65 ° C i 30 min til en kort tverrbinde de harde PDMS.
  5. Under oppvarmingen veie silikon (6 g) og bland det med katalysator (0,6 g) i en engangs glassflaske. Plasser glassflaske i en vakuumeksikator og anvend vakuum (~ 133 Pa) i 15 minutter for å fjerne den luft som er fanget i silikonblanding ("myk" PDMS forpolymer).
  6. Ta ut av formen og myke PDMS forpolymer fra varmekammeret og vakuumeksikator, henholdsvis, og raskt å helle den myke PDMS forpolymer på den oppvarmede formen. Tykkelsen av laget er mykt PDMS ~ 3 mm.
  7. Plasser den resulterende prøven i vakuumeksikator igjen for ytterligere avgassing ved ~ 133 Pa i det minste i 1 time.
  8. Overfør avgasset prøven til varmekammeret, og begynner å varme opp gradvis til 80 ° C (oppvarmingshastighet ~ 3 ° C / min). Hold denne temperaturen i fem timerå kryss-link harde og myke PDMS helt.
  9. Etter avkjøling av prøven ned til romtemperatur, skrelle av PDMS stemple forsiktig fra formen. Gjenbruk av formen for å fremstille den andre (eller flere) stempler, hvis det er nødvendig. Merk: Det samme form kan benyttes i det minste fem ganger uten degradering av stempel kvalitet.
  10. Skjær den resulterende nanopillar stempel (dobbeltlags hard / soft PDMS kompositt) 27 i stykker av ønsket størrelse (vanligvis 7 mm × 7 mm for våre solceller) ved hjelp av en kniv og lagre dem under luft før bruk.

2. Fremstilling av blokk-kopolymer Solutions

  1. Veie pulver av polystyren-blokk -poly-2-vinylpyridin (PS-b -P2VP) i en glassflaske og blande den med o-xylen i et forhold på 3 mg / ml (PS-b -P2VP / o-xylen) .
  2. Rør blandingen ved bruk av en PTFE-belagt magnetisk rørestav ved 70 ° C i 1 time.
  3. Hold den resulterende løsning i mer enn 24 timer ved romtemperatur uten rørering for å fullføre dannelsen av selv-sammensatte miceller. Tett forsegle løsning og lagre den under normale forhold. Merk: Kvaliteten på løsningen er uforandret selv ett år etter fremstilling.

3. Utarbeidelse av μ c-Si: H Underlag

  1. Vask glass dekket med SnO 2: F (betegne glass / SnO 2: F, heretter) med H2O (500 ml), vaskemidler (500 ml) og H2O (500 ml) ved romtemperatur ved bruk av et ultrasonisk bad (15 min for hver). Tørk dem ved å blåse N 2.
  2. Laste rengjort glass / SnO 2: F substrater i en substratholderen og depositum ZnO: Ga (20 nm) ved hjelp av en likestrøm (DC) sputtering system med de vilkårene som er angitt i tabell 2.
  3. Laste glass / SnO 2: F / ZnO: Ga substrater i en annen substratholderen og depositum μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm) og N (40 nm) lag med en plasma-forbedret kjemisk Vapor nedfall (PECVD) system med de vilkårene som er angitt i tabell 2.
  4. Lagre den resulterende μ c-Si: H (glass / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) underlag i vakuum eller N 2 til transfer-utskrift trinn.

4. Ag-belegg av PDMS Stamps

  1. Vask PDMS stempler (fremstilt i trinn 1) med EtOH (30 ml) ved hjelp av et ultralydbad i 15 minutter og tørre ved å blåse N2.
  2. Laste de rensede PDMS frimerker på en prøveholder med dobbeltsidig tape og deponere et Ag film (10-80 nm) ved hjelp av en elektronstråle (EB) fordampning system med følgende betingelser: avsmeltingseffekt = 5-10 Å / sek, trykk = ~ 1,5 × 10 -4 Pa.
  3. Ta ut Ag-belagte stempler fra EB fordampning systemet og bruke dem umiddelbart i følgende overføring utskrift trinn.

5. Overføring Utskrift av Ag Nanodisks på Tynn-film Si Overflater

  1. Ta ut tynnfilm Si substrater oppbevares under vakuum eller N2 og spin-coat med PS-b -P2VP løsning (0,3 ml for 50 mm x 50 mm prøve, ved hjelp av en digital mikro-pipette med en engangs-polypropylen spiss) på 5000 rpm i 40 sekunder.
  2. Fukt PS b -P2VP-belagt overflate med EtOH ved hjelp av en digital mikro pipette (5 mikrometer / celle-området) og anvende Ag-belagte PDMS stemple mykt til EtOH-vått underlag. Ikke trykk stempelet.
  3. Plasser tynnfilm Si-substrat med stempel i et vakuumkammer og anvend vakuum (~ 133 Pa).
  4. Etter 5 min, fylle vakuumkammeret med luft og ta ut tynnfilm Si underlaget.
  5. Fjern stempel fra tynnfilm Si underlaget ved å holde begge sider av stempel med pinsett for å overføre-utskrifts Ag nanodisks. Merk: Hvis de lykkes, er det spor av stempling synlig som en grønnaktig sted.
  6. Skyll overførings-trykt tynnfilm Si-substrat med en kontinuerlig strøm av ETOH i 15 sekunder (~ 30 ml) og tørr ved å blåse N2.
  7. Fjern PS-b-P2VP belegg ved hjelp av en Ar plasmasystem.
    1. Plasser overførings-trykt tynnfilm Si substrat i prosesskammeret av Ar plasmasystemet.
    2. Pumpe ut luften i prosesskammeret for ~ 5 min (trykk ~ 20 Pa).
    3. Åpne ventilen av en Ar gassledning og justere strømningshastigheten til 4 sccm manuelt. Vent til ~ 5 min å stabilisere trykket til 40 Pa.
    4. Generere Ar plasma for 108 sek.
    5. Stenge ventilen på Ar gassledningen, stopp pumping, og fylle luft inn i prosesskammeret for å ta ut plasma-renset, transfer-trykte tynnfilm Si substrater.

6. Gjennomføring av Thin-film Si Solar Cell Fabrication

  1. Fest metall masker til overføring trykt tynnfilm Si substrater etter Ar plasma behandling ved hjelp polyimidharpikser kassetter.
  2. Laste de maskerte substrater i et substrat innehaver av en DC-sputtering system og deponerest ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), og ZnO: Ga (40 nm) sekvensielt med de vilkårene som er angitt i tabell 2.
  3. Løsne metall masker fra underlag og fjerne de maskerte tynnfilm Si lag (dvs. området der ZnO: Ga og Ag ikke ble avsatt) med en ioneetsning (RIE) system.
    1. Plassere prøvene i prosesskammeret av RIE system.
    2. Pumpe ut luften i ferd kammeret etter produsentens anvisninger.
    3. Still prosessbetingelsene som følger etter produsentens anvisninger: SF 6 / O to strømningshastighet = 100/20 SCCM, trykk = 20 Pa, makt 100 W, tid = 1 min 20 sek.
    4. Åpne SF 6 og O to gassledninger, stabilisere trykket, og generere plasma.
    5. Steng ventilen av SF 6 og O to gassledningen, stopp pumping, og fylle N 2 inn i prosesskammeret for å ta ut prøver.
  4. Settprøver i et vakuumkammer og annealing gradvis begynner å varme opp til 175 ° C under vakuum (~ 133 Pa). Hold denne temperaturen i 2 timer, og deretter la den avkjøles til romtemperatur. Fylle luft i kammeret, og å ta ut prøver, som nå kan kalles celler.
  5. Loddetinn Sn-Zn-legering basert på forsiden gjennomsiktig elektrode (glass / SnO 2: F / ZnO: Ga, den eksponerte delen av RIE behandling) ved hjelp av en ultralyd-loddeanordning.

7. Måling av Ekstern Quantum Efficiency (EQE)

  1. Fest en lys-skjermende maske for å fremstille en celle ved bruk av polyimid tape og sette den maskerte celle i et celleholderen. Koble prober til fronten loddet elektrode (+) og tilbake Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  2. Mål EQE spektra ved hjelp av en EQE målesystemet etter produsentens anvisninger med et bølgelengdeområde og trinn av 300-1,100 nm og 5 nm, henholdsvis.

8. Måling av Photovoltaic Current-Voltage (JV) Tegnistics

  1. Kalibrere lysintensitet på et JV egenskaper målesystem ved hjelp av en amorf Si referansecelle.
    1. Angi den amorfe Si referansecellen til en celle innehaver av JV egenskaper målesystem, og lyser lyset.
    2. Les foto-strøm ved hjelp av en digital multi-meter utstyrt i JV egenskaper målesystem. Juster lysintensiteten til foto-strømmen viser den riktige verdi for referansecellen (8.34 mA / cm2).
  2. Fest en lys-skjermende maske til en celle og sette den maskerte celle i et celleholderen. Koble prober til fronten loddet elektrode (+) og tilbake Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  3. Belyse kalibrert lys (100 mW / cm 2, en sol) på celle og måle fotogenererte strømmer ved hjelp av JV egenskaper målesystemet etter produsentens anvisninger med en spenning trinn på 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 beskriver den generelle fremgangsmåten for overføring utskrift av Ag nanodisks på overflaten av mikrochipen-Si: H (n lag). I korthet, en Ag film (tykkelse: 10 til 80 nm) blir først avsettes på overflaten av en nanopillar PDMS stempel ved fordampning elektronstråle. Parallelt er en PS- b -P2VP løsning spin-belagt på overflaten av en nylaget mikrochipen-Si: H n lag. Deretter blir en dråpe av EtOH plassert på PS- b -P2VP-belagte overflate, og Ag-avsatte PDMS stempel er plassert på EtOH-våt PS- b -P2VP overflate. Ingen trykk er nødvendig for å stempel, fordi en intim kontakt mellom stempelet og underlaget danner spontant på grunn av overflatespenningen avledet fra fordamping av EtOH. Etter EtOH fordampes bort (ved hjelp av et redusert trykk), er stempelet frigjort fra substratet for å fullføre overføringen av Ag avsatt på den opphøyde område av nanopillar PDMS stempel. Til slutt, enAr plasma-behandling blir utført for å fjerne PS- b -P2VP belegg.

Vist i figur 3 er scanning-elektronmikroskope (SEM) bilder av den resulterende Ag nanodisk rekke på (i) mikrochipen-Si: H. Flater (celler) 26 Figur 3A og 3B er den øverste og vippet riss av en samme prøve. Den rotmiddelkvadrat ruhet (R rms) av underliggende mikrochipen-Si: H overflaten var 6,6 nm; likevel nesten fullstendig overføring av Ag nanodisks, hvis diameter, senter-til-senteravstanden, og tykkelsen av Ag nanodisks var 200, 460, og 40 nm. Figur 3C er henholdsvis, ble oppnådd tverrsnittsriss av en ferdig mikrochipen-Si: H cellestruktur, dvs. etter avsetningen (sputtering) ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lag på toppen av Ag nanodisk matrisen vist i figur 3A og 3B. Den innebygde Ag nanodisks rett på photovoltaic mikrochipen-Si: H m> p - i - n lagene ble tydelig observert.

Den EQE spektra av fabrikkerte cellene er vist i figur 4 i forhold til en referansecelle 26 (en mikrochipen-Si: H celle fremstilt samtidig med hoppe overføringstrykkeprosessen)., Den EQE spekteret for Ag nanodisk (tykkelse: 40 nm) inkorporert celle viste høyere signaler i det lange bølgelengdeområde (650-1,100 nm). Slik bølgelengde-selektiv ekstrautstyr tydelig angitt fortrinnsrett effekten av plasmonically aktive Ag nanodisks for solcelle; nemlig plasmonic lys fangst. Kvantifisering av graden av lyset fangst i 650-1,100 nm området observert i figur 3 ble utført ved å summere EQE verdiene for hver celle og å ta forholdet mellom dem (Ag nanodisk-inkorporert celle / referansecelle). Verdien var 1,60; Derfor, ble 60% EQE økning oppnåes med Ag nanodisk-mediert plasmonic lett overtrykk.

ent "> Tabell 1 oppsummerer de fotoelektriske egenskapene til de Ag nanodisk-inkorporert og referanseceller. 26 Det ble bekreftet, som forventet, at kortslutnings-strømtetthet (J sc) av Ag nanodisk-inkorporert celle økt sammenlignet med den i referansecellen (11,4 til 12,4 mA / cm 2) på grunn av EQE forbedring som er beskrevet ovenfor. Som i den åpne krets spenning (V oc) og fyll faktor (FF), de av de to celler var omtrent den samme (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Som en konsekvens av den photoconversion effektivitet (η) av Ag nanodisk-inkorporert celle forbedret (4,5% til 5,0%).

Figur 1
Figur 1. Skjematisk tverrsnitt av en Ag nanodisk-innarbeidet mikrochipen-Si. H solcelle AG nanodisks finner på baksiden av mikrochipen-Si: H solcelle.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Generell metode for overføring utskrift av Ag Nanodisks. AG-belagt nanopillar PDMS stempel er brukt på PS- b -P2VP belagt tynnfilm Si underlaget hvis overflaten er våt med EtOH. Ar plasma behandling anvendes for å fjerne PS-b-P2VP belegg og for å eksponere tynnfilm Si-lag. Etter denne prosessen, ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lag trenger å bli satt på toppen av overføringstrykt Ag nanodisks å fullføre hele solcellestrukturen vist i figur 1. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .


Figur 3. SEM Bilder av Transfer Rykket Ag Nanodisks (diameter = 200 nm, tykkelse = 40 nm) (A) ovenfra transferrykte Ag nanodisks på en mikrochipen-Si:. H overflate. (B) Skråstilt visning av transferrykte Ag nanodisks på en mikrochipen-Si: H overflaten. (C) Tverrsnitt av transferrykte Ag nanodisks (størrelse: 200 nm) innebygd i en mikrochipen-Si. H celle 26 Copyright 2014 Japan Society of Applied Physics. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .

Figur 4
Figur 4. EQE Spectra av mikrochipen-Si. H celler (blå linje) Ag nanodisk (ND) -incorporated celle. (Red stiplet linje)Referansecelle. 26 Bedre respons ble observert med den blå linjen på grunn av Ag ND-mediert lys fangst. Dette tallet har blitt forandret fra Ref. 26. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Tabell 1. Sammendrag av Photovoltaic JV Kjennetegn på mikrochipen-Si: H celler.

Celletype J sc (mA / cm 2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-innlemmet 12.4 0,526 0,764 5
Reference 11.4 0,521 0,763 4.5


Tabell 2. Nedfall forhold.

; "> Ar flyt = 200 SCCM, trykk = 0,133 Pa, likestrøm = 100 W, sample rotasjon = 10 rpm, deponering rate = ~ 6 Å / sek.
Steps Nedfall system Materialer Vilkår
3.2 Sputtering ZnO: Ga Ar strømningshastighet = 200 SCCM, trykk = 0,133 Pa, likestrøm = 200 W, sample rotasjon = 10 rpm, deponering rate = ~ 3,3 Å / sek.
3.3 CVD mikrochipen-Si: H p Strømningshastighet av SiH-4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm, overflatetemperatur = 140 ° C, trykk = 1,5 torr, radiofrekvens (RF) effekttetthet = 80 mW / cm 2, avsetningstiden = 5 min 45 sek (hastighet = ~ 0,3 Å / sek).
mikrochipen-Si: H i Strømningshastighet av SiH-4 / H 2 = 10,5 / 380 sccm, overflatetemperatur = 180 ° C, trykk = 200 Pa, RF-effekttetthet = 40 mW / cm 2, avsetningstiden = 1 t 2 min (hastighet = ~ 1,3 Å / sek).
mikrochipen-Si: H n Strømningshastighet av SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 SCCM, overflatetemperatur = 195 ° C, trykk = 40 Pa, RF effekttetthet = 80 mW / cm 2, deponering time = 23 min (rate = ~ 0,3 Å / sek).
6.2 Sputtering ZnO: Ga Ar flyt = 200 SCCM, trykk = 0,133 Pa, likestrøm = 200 W, sample rotasjon = 10 rpm, deponering rate = ~ 3,3 Å / sek.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne artikkelen, ble en tolags harde / myke PDMS sammensatte brukt som stempel materialer. 27 Denne kombinasjonen ble funnet å være avgjørende for å nøyaktig gjenskape den overordnede nanostrukturen i formen, som var en hexagonally tettpakket runde hull matrise hvis diameter på 230 nm, dybde på 500 nm, og hole senter-til-senter avstand på 460 nm. Når bare myke PDMS ble anvendt, stempelet alltid resultert i en dårlig nanostrukturerte overflate (for eksempel ingen skarp kant i den inverterte søylestrukturen) på grunn av den lave elastisitetsmodul, 28 derfor, overføring trykking av Ag nanodisks aldri var oppnåelig.

Bruken av spin-belagt blokkopolymer (PS b -P2VP) tynnfilmer som binde lag er en annen viktig for vellykket overføring utskrift på mikrochipen-Si: H overflater, som ikke er glatt (R rms = ~ 6,6 nm). Selv om transfer-utskrift av metallkonstruksjoner ble opprinnelig utviklet ved hjelp av små organiske molekyler WHIch danner selv montert monolayers (SAMS) på overflater, 29 fant vi at bruk av Sams (3-merkaptopropyltrimetoksysilan) fungerer ikke for de (litt) strukturert mikrochipen-Si: H overflater. I tillegg tar dannelsen av Sams med god kvalitet tid (~ et par timer), mens foreliggende fremgangsmåte krever mindre enn 1 min (40 sek ved spinnbelegging). Dette punktet kan være viktig for materialer som trenger raske operasjoner for å unngå ugunstige overflatehendelser, for eksempel dannelsen av overflødig oksider eller forurensing.

Rollene til EtOH i overføring utskrift bør også vektlegges. Den første oppgave er, som allerede beskrevet, for å hjelpe dannelsen av den intime kontakt mellom stempel og måloverflaten ved hjelp av overflatespenningen ved fordampning. Den andre oppgave er å rekonstruere PS- b -P2VP tynn film, som sikrer fange av metaller (Ag) på PDMS stempler ved dannelse av metall-pyridin koordinasjonsbindinger. 25 Vi tror at such dynamisk hendelse på stempel / underlaget grensesnitt er viktig for overføring utskrift spesielt på strukturerte overflater.

Når overføringen utskrift av prosedyren ovenfor var mislykket, grunnen var for det meste i frimerker ansatt. Siden konformal kontakt mellom et stempel og et substrat er kritisk, er den planhet av stempeloverflaten meget viktig. Planhet bestemmes av status av en original form; Derfor, når overføring utskrift svikter, vil det være tid for endring av formen. Ifølge vår erfaring, er det antall ganger en støpeform kan gjenbrukes fem, men det ville økes ved passende rensing og lagring av formen. Flathet av et stempel vil også ha en betydelig innvirkning på det området som kan være jevnt overføring trykt. I dette gjelder, har vi vist en 20 mm x 20 mm-skala mønster med et stempel fremstilt fra en ny støpeform. 25

Som for mønsteret utformingen av mold / stempel,runde hull / søylekonstruksjoner med diameter på 230/200 nm ble anvendt (med mindre diameter av søylen er på grunn av den koniske form av det opprinnelige hullet). Dette valget var rett og slett fordi en slik mold (nanoimprinted plastfolie) var kommersielt tilgjengelig, og det var ikke en fabrikkert spesielt til våre solcelle søknad. Det betyr igjen at det er god plass for mønster design, noe som vil føre til mye bedre lys fangst evne i forhold til resultatet vises her. I denne forbindelse ville bruken av optisk simulering være nyttig for å søke bedre mønstre. Selv om fremstillingen av selve støpeformer (sannsynligvis ved hjelp av elektronstråle litografi) kan være kostbart, når fremstilt, kan de tilsvarende stempler gjentas så mange ganger som nødvendig. Således kan den totale prosesskostnadene bli betydelig undertrykket, noe som er en stor fordel for overføringstrykkfremgangsmåter.

I form av metaller transfer-utskrivbare ved prosedyren beskrevet hennee, Au, Cu og Ni ble bekreftet å være aktuelt. Det bør nevnes at ingen av disse metaller gitt bedre lys fangst effekter sammenlignet med tilfellet av Ag. Annet metall testet var Al, som regnes som en god kandidat for Plasmonic lys fangst applikasjoner. 30 Det ble funnet, er imidlertid at overføring utskrift av Al mislykket, muligens på grunn av den sterke slektskap med PDMS. Derfor modifikasjoner av PDMS overflater 31 kan bli pålagt å legge til rette for overføring utskrift ved å redusere samspillet mellom PDMS og deponert Al.

Annet enn mikrochipen-Si: H, kan fremgangsmåten brukes med en rekke materialer, inkludert svært grov (strukturerte) overflater (R rms ≥ 20 nm) 25 Faktisk har vi tidligere adressert muligheten for synergisteksture / plasmon-. mediert lys fangst ved å fabrikkere celler med strukturert glass / SNO. 2: F underlag 17 I tillegg har en lignende lys fangst effect er blitt dokumentert ved hjelp av hydrogenert amorf Si-celler. 32 Andre teknologisk viktige materialer, slik som krystallinsk Si, GaAs, InP, og metalloksider, er også kompatible med fremgangsmåten, og dermed ytterligere anordning applikasjoner (ikke bare for solceller) ville bli forventet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nanohole mold Scivax FLH230/500-120
PTFE container Eishin n/a Custom made
Hard-PDMS materials
Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer Gelest VDT-731
 Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex Gelest SIP6831.1
Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer Gelest HMS-301
2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane Sigma-Aldrich 396281 Additive for hard-PDMS
Soft-PDMS materials Dow Corning Sylgard-184 Silicone precursor
PS-b-P2VP Polymer Source P5742-S2VP Mn × 103 = 133-b-132
Glass/SnO2:F substrates Asahi Glass Co. Ltd. Type VU Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces
Detergent Fruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm		 Semico-clean 56 Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates
ZnO:Ga supputtering target AGC Ceramics Co. Ltd. 5.7GZO
Ag supputtering target Mitsubishi Materials Co. 4NAg
Double-sided adhesive tape Nisshin EM Co. 732
Polyimide tape Dupont Kapton 650S#25
Sn-Zn-based Solder Kuroda Techno Co., Ltd. Cerasolzer AL-200
Digital micro pipette Nichiryo 00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
Heating chamber Tokyo Rikakikai Co., Ltd. VOS-201SD
Electron beam evaporator Canon-Anelva n/a Custom made
Electron beam evaporator Arios n/a Custom made
Sputtering system Ulvac SBR-2306
PECVD system Shimadzu Emit Co. Ltd. SLCM-13
Ar plasma system Diner Electric Gmbh Femto
RIE system Samco Inc. RIE-10NR
Ultrasonic soldering device Colby-Eishin Enterprises, Inc. SUNBONDER
EQE measurement system Bunkoukeiki Co. Ltd. CEP-25BXS
J-V characteristics measurement system Bunkoukeiki Co. Ltd. OTENTOSUN-5S-I/V
Amorphous Si reference cell Bunkoukeiki Co. Ltd. WPVS-NPB-S1 For light intensity calibration
Digital multi-meter Keithley Instruments Inc. 2400

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
  2. Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
  3. Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
  4. Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
  5. Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
  6. Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
  7. Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
  8. Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
  9. Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
  10. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
  11. Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
  12. Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
  13. Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
  14. Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
  15. Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
  16. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
  17. Na, S. -I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
  18. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
  19. Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
  20. Hsu, C. -M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
  21. Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
  22. Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
  23. Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
  24. Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
  25. Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
  26. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
  27. Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
  28. Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
  29. Loo, Y. -L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
  30. Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
  31. Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
  32. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).

Tags

Engineering Transfer print Nanofabrication Stamp Poly (dimetylsiloksan) Silver Plasmon Lys fangst Solcelle Silicon
Integrering av Lys Overlappings sølv nanostrukturer i hydrogenert mikrokrystallinsk silisium solceller ved Transfer Printing
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K.,… More

Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing. J. Vis. Exp. (105), e53276, doi:10.3791/53276 (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