يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تصنيع حواجز شبكية عالية التباين لتقسيم الطيف المتشتتة عنصر في نظام الضوئية المركزة

10.1K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/52913

⸱

يوليو 18, 2015

 ,  , 
1Department of Electrical Engineering, University of Sothern California

في هذه المقالة

ملخص

يتم توضيح تصنيع حواجز شبكية عالية التباين كعنصر تشتيت لتقسيم الطيف المتوازي في نظام كهروضوئي مركز. يتم وصف عمليات التصنيع بما في ذلك الطباعة الحجرية النانوية ، والاخرق TiO2 والنقش الأيوني التفاعلي. تستخدم نتائج قياس الانعكاس لتوصيف الأداء البصري.

الملخص

تم تصميم وتصنيع حواجز شبكية عالية التباين < p class = 'jove_content'> ويقترح تطبيقها في عنصر تشتيت لتقسيم الطيف المتوازي يمكن أن يحسن كفاءة التحويل الشمسي للنظام الكهروضوئي المركز. سيؤدي النظام المقترح أيضا إلى خفض تكلفة الخلايا الشمسية في النظام الكهروضوئي المركز عن طريق استبدال الخلايا الشمسية الترادفية باهظة الثمن بالخلايا الشمسية أحادية الوصلة الفعالة من حيث التكلفة. تم تحسين هياكل ومعلمات حواجز شبكية عالية التباين للعناصر المشتتة عدديا. تم إثبات تصنيع المساحات الكبيرة لحواجز شبكية عالية التباين تجريبيا باستخدام الطباعة الحجرية النانوية والنقش الجاف. تم تمييز جودة المواد الشبكية وأداء الجهاز المصنع تجريبيا. من خلال تحليل نتائج القياس ، تتم مناقشة الآثار الجانبية المحتملة لعمليات التصنيع واقتراح العديد من الطرق التي لديها القدرة على تحسين عمليات التصنيع ، والتي يمكن أن تساعد في زيادة الكفاءة البصرية للأجهزة المصنعة.

المقدمة

سيكون لدينا مجتمع حديث لا البقاء على قيد الحياة دون تحريك جزء كبير من استهلاك الطاقة إلى مصادر الطاقة المتجددة. لتحقيق ذلك، علينا أن نجد وسيلة لحصاد الطاقة المتجددة في أقل من المصادر النفطية للطاقة في المستقبل القريب حيث التكلفة. الطاقة الشمسية هي الطاقة المتجددة الأكثر وفرة على الأرض. على الرغم من أن هناك الكثير من أوجه التقدم قد أحرز في حصاد الطاقة الشمسية، فإنه لا يزال تحديا كبيرا للتنافس مع مصادر الطاقة المعتمدة على النفط. تحسين كفاءة الخلايا الشمسية هي واحدة من أكثر الطرق فعالية لخفض تكلفة نظام حصاد الطاقة الشمسية.

وعادة ما تستخدم العدسات البصرية وعاكسات طبق في الضوئية الأكثر تركيزا أنظمة 1 (CPV) لتحقيق نسبة عالية من الإصابة الطاقة الشمسية على الخلايا الشمسية في منطقة صغيرة، لذلك هو مجد اقتصاديا لاستغلال مكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية متعددة التقاطع 2 في نظم CPV، والحفاظ على معقولتكلف في نفس الوقت. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم النظم الكهربائية الضوئية غير المركزة، والتي تتطلب عادة الدفعة منطقة كبيرة من الخلايا الشمسية، لا يمكن دمج الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب ذات التكلفة العالية، على الرغم من أنها عادة ما يكون لها رد الطيف الشمسية على نطاق أوسع وأعلى كفاءة تحويل الكلية من تقاطع واحد الخلايا الشمسية 3.

في الآونة الأخيرة، مع مساعدة من موازية البصريات الطيف تقسيم (أي التشتت عنصر)، جعلت الطيف تقسيم موازية التكنولوجيا الضوئية 4 من الممكن أن تغطية الطيف مماثلة أو أفضل وكفاءة التحويل لا يمكن أن يتحقق دون استخدام الخلايا الشمسية مكلفة جنبا إلى جنب. يمكن تقسيم الطيف الشمسي في نطاقات مختلفة، ويمكن أن تستوعب كل فرقة وتحويلها إلى كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية أحادية تقاطع المتخصصة. في هذه الطريقة، ومكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية في أنظمة CPV يمكن الاستعاضة عن توزيع مواز من واحد تقاطع الخلايا الشمسيةالصورة دون التأثير على الأداء.

عنصر التشتت التي تم تصميمها في هذا التقرير يمكن تطبيقها في نظام CPV العاكسة (التي تقوم على عاكسات طبق) لتحقيق مواز تقسيم الطيف من أجل تحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية الكهرباء وخفض التكاليف. يستخدم متعدد الطبقات حواجز شبكية عالية التباين (HCG) 5 كعنصر التشتت من خلال تصميم كل طبقة من HCG في العمل بوصفه عاكس الفرقة البصرية. يتم تحسين الهياكل والمعلمات للعنصر التشتت عدديا. وعلاوة على ذلك، تدرس تصنيع حواجز شبكية عالية التباين للعنصر التشتت باستخدام عازل (تيو 2) الاخرق، nanoimprint الطباعة الحجرية 6 و رد الفعل ايون النقش وأظهر.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد Polydimethylsiloxane فارغ (PDMS) الركيزة لNanoimprint القالب

  1. عملية رقاقة السيليكون العلاج
    1. تنظيف 4 بوصة رقاقة السيليكون قبل الشطف مع الأسيتون والميثانول والأيزوبروبانول.
    2. ضربة الجافة باستخدام بندقية النيتروجين.
    3. تنظيفه باستخدام حل سمكة البيرانا (3: 1 خليط من حامض الكبريتيك مع 30٪ بيروكسيد الهيدروجين) عن طريق نقع داخل لمدة 15 دقيقة.
    4. شطفه بالماء DI. ضربة الجافة باستخدام بندقية النيتروجين.
    5. وضع رقاقة في مجفف الزجاج. إضافة قطرة (20 نقطة = 1 مل) من الإفراج عن وكيل (trichlorosilane) في المجفف.
    6. ضخ أسفل مجفف حتى يقرأ مقياس -762 عربة والانتظار لمدة 5 ساعة.
    7. أخذ يفر بها، والتي تم التعامل مع الافراج عن وكيل.
  2. إعداد PDMS فيلم (كما تستخدم القالب في Nanoimprint)
    1. تزن 10 غرام من السيليكون قاعدة المطاط الصناعي و 1 غرام من وكيل علاج.
    2. إضافتها في نفس زجاج الدورق.
    3. الأمراض المنقولة جنسياص وتخلط مع قضيب الزجاج لمدة 5 دقائق.
    4. وضع الخليط في مجفف فراغ حتى يقرأ مقياس -762 عربة لضخ جميع فقاعات الهواء المحتبسة.
    5. نشرها بالتساوي على تعامل 4 بوصة رقاقة السيليكون.
    6. خبز الرقاقة مع PDMS على رأس القائمة في الفرن فراغ لمدة 7 ساعة عند 80 ° C لعلاج الفيلم PDMS.

2. إعداد قالب Nanoimprint (الازدواجية من القالب الرئيسي)

  1. تدور اثني عشر قطرات (20 نقطة = 1 مل) من الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة (15.2٪) على تنظيف رقاقة السيليكون فارغة لمدة 30 ثانية في 1500 دورة في الدقيقة.
  2. قشر بعناية قطعة من الفيلم PDMS قبالة رقاقة السيليكون المعالجة.
  3. وضع الفيلم PDMS على الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة والسماح لها استيعاب الأشعة فوق البنفسجية مقاومة لمدة 5 دقائق ثم قشر تشغيله.
  4. كرر 2،1-2،3 في نفس الفيلم PDMS لمرتين. امتصاص الأشعة فوق البنفسجية مقاومة لمدة 3 دقائق و 1 دقيقة على التوالي.
  5. وضع الفيلم PDMS (بعد ثلاث مرات للأشعة فوق البنفسجية مقاومة امتصاص) على القالب الرئيسي السيليكون.
  6. وضعه في غرفة مع البيئة النيتروجين.
  7. تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية لعلاج العينة لمدة 5 دقائق.
  8. تقشر الفيلم PDMS. الأشعة فوق البنفسجية الشفاء مقاومة على PDMS سيبقي نمط سلبي من القالب الرئيسي.
  9. استخدام RF O 2 البلازما لعلاج العفن PDMS. (الطاقة RF: 30 W، الضغط: 260 mTorr، والوقت: 1 دقيقة)
  10. وضع قالب PDMS في فراغ الغرفة مع قطرة واحدة (20 نقطة = 1 مل) من الإفراج عن وكيل لمدة 2 ساعة.

3. Nanoimprint نقل نمط

  1. تدور ثمانية قطرات (20 نقطة = 1 مل) من PMMA (996k، 3.1٪) على الركيزة أن مطبوع لمدة 50 ثانية في 3500 دورة في الدقيقة.
  2. خبز على موقد لمدة 5 دقائق في 120 ° C.
  3. الانتظار للحصول على نموذج ليبرد.
  4. تدور ثمانية قطرات (20 نقطة = 1 مل) من الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة (3.9٪) على نفس الركيزة.
  5. وضع القالب PDMS (المعد في الخطوة 2) على عينة (مع كل من الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وPMMA).
  6. وضعه في غرفة مع البيئة النيتروجين.
  7. تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية لعلاج لمدة 5 دقائق.
  8. قشر العفن PDMS من العينة ونمط على قالب PDMS يحصل على تحويلها إلى نموذج.

4. الكروم، يقلع عملية

  1. أيون رد الفعل الحفر طبقة المتبقية من الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وPMMA
    ملاحظة: SOP لآلة ICP يمكن العثور عليها في https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford٪20Chlorine٪20Etcher٪20SOP.pdf
    1. تسجيل الدخول آلة ري ICP.
    2. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون. تشغيل وصفة نظيفة لمدة 10 دقيقة.
    3. خذ رقاقة السيليكون فارغة بها.
    4. جبل العينة على رقاقة السيليكون نظيف آخر وتحميله في الجهاز.
    5. تشغيل الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وصفة النقش لمدة 2 دقيقة (وصفة يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1).
    6. أخذ عينة من. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون. إعادة تشغيل صفة نظيفة (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 10 دقيقة.
    7. جبل العينة على رقاقة السيليكون نظيفةوتحميله في الجهاز.
    8. تشغيل وصفة النقش PMMA (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 2 دقيقة.
      ملاحظة: الآن المتبقي مقاومة وقد حفرت وتتعرض الركيزة.
  2. كر E-شعاع التبخر
    1. تسجيل الدخول إلى البريد شعاع المبخر.
    2. تحميل المصدر المعادن الكروم وعينة في الغرفة.
    3. تعيين سمك (20 نانومتر) ومعدل الترسيب (0.03 نانومتر / ثانية).
    4. ضخ الغرفة حتى فراغ المطلوبة (10 -7 عربة) يتم التوصل إليه.
    5. بدء عملية الترسيب.
    6. أخذ عينة من بعد انتهاء الترسيب.
  3. CR انطلاقه الداخلي
    1. تزج العينة في الأسيتون مع الإثارة بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق.
    2. تنظيف العينة قبل الشطف مع الأسيتون والميثانول والأيزوبروبانول.
      ملاحظة: يبخر الكروم على مقاومة سيتم انطلق ويتكون قناع الكروم لالركيزة الحفر.

5. تيو 2 قسمosition

  1. عينة الحمل.
  2. تعيين المعلمات من أجل المباشرة الحالية آلة المغنطرون الاخرق
    1. استخدام ضغط الغرفة 1.5 mTorr، وتدفق عار 100 SCCM وقوة الاخرق من 130 W.
    2. استخدام درجة حرارة 27 ° C، وسرعة دوران المرحلة من 20 دورة في الدقيقة.
  3. بدء عملية تفل والتوقف عند سمك المطلوب.
  4. أخذ عينة من ويصلب الفيلم تيو 2 في بيئة الأكسجين عند 300 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.

6. التباين العالي المشبك الحفر

  1. تسجيل الدخول في الجهاز إضافة بالحث البلازما (ICP) رد الفعل ايون النقش (ري).
  2. تيو 2 النقش
    1. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون.
    2. بدء وتشغيل وصفة نظيفة (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 10 دقيقة.
    3. تفريغ تحميل رقاقة فارغة وتحميل عينة مع قناع الكروم.
    4. ضبط الوقت الحفر. بدء تيو 2 الحفر وصفة. عملية الحفر إرادة السياراتوقف تلقائياً.
    5. تفريغ العينة.
  3. شافي 2 النقش
    1. كرر الخطوة 5.2 باستثناء استخدام الحفر صفة شافي 2.

7. قياس الانعكاس

  1. تسجيل الدخول وتشغيل نظام القياس.
  2. وضع مرآة مستوى الانعكاس على صاحب العينة ومواءمة مسار بصري.
  3. معايرة نظام لالانعكاس بنسبة 100٪.
  4. خلع معيار مرآة الانعكاس ووضع HCG.
  5. قياس الانعكاس للHCG.
  6. حفظ البيانات وتسجيل الخروج من نظام القياس.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ويبين الشكل 1 تنفيذ عنصر التشتت (عالية متعدد الطبقات صريف النقيض من (HCG)) في نظام الضوئية المركزة. وينعكس ضوء الشمس لأول مرة من قبل المرآة الأولية واعتداء على عنصر التشتت العاكسة، حيث ينعكس شعاع وتقسيمها إلى نطاقات مختلفة من أطوال موجية مختلفة. سيكون لكل فرقة يمس موقع معين على مجموعة الخلايا الشمسية للحصول على أفضل امتصاص وتحويل الكهرباء. المفتاح لهذا النظام هو تصميم وتنفيذ عنصر التشتت، التي تتألف من طبقات متعددة من HCG.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

أولا، نوعية الفيلم تيو 2 هو أمر بالغ الأهمية لأداء HCG. سوف ذروة الانعكاس تكون أعلى إذا كان الفيلم تيو 2 ديها أقل خسارة وخشونة السطح. الفيلم تيو 2 مع ارتفاع مؤشر الانكسار هو أيضا مواتية لأنه سيتم تعزيز وضع الحبس البصري على النقيض العالي في المؤشر، والتي يمكن أن تؤدي إلى تملق والفرقة الانعكاس أوسع في HCG.

وثانيا، فإن أخطاء تلفيق يكون لها آثار كبيرة على HCG وينبغي تجنبها. وخشونة قدم...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

وأيد هذا البحث كجزء من مركز علم النانو للطاقة، وهو مركز أبحاث الطاقة الحدودي الذي تموله وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم تحت بجائزة عدد DE-SC0001013. نحن نريد أيضا أن أشكر الدكتور ماكس تشانغ والدكتور جيان هوا يانغ من مختبرات HP لمساعدتهم على تيو 2 الاخرق فيلم ومؤشرات قياس الانكسار.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
184 طقم المطاط الصناعي SilconeSylgardPolydimethylsiloxane (PDMS)
4 بوصة رقاقة السيليكونUniwafer
4 بوصة رقاقة السيليكا المنصهرةجامعة رقاقة
بولي (ميثيل ميثاكريلات)Sigma-Aldrich182265
مقاومةولا متوفرة في السوق
نظام PlasmaLab 100Oxford InstrumentsICP IRE
آلة نظام المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية لتصنيعالنانوية غير متوفر في السوق
Ocean Optics HR-4000 & nbsp ؛Ocean OpticsHR-4000مع كاشف عادي
Lambda 950 UV / VISPerkinElmerمع كاشف التكامل في نصف الكرة الأرضية
JSM-7001F-LVJEOLانبعاث المجال SEM
DC آلةالمغنطرون المعدات موجودة في مختبرات HP ، والتي ساعدتنا في رش مبخر الشعاع الإلكتروني TiO2< / sub>
تيميسكالBJD-1800
للأشعة فوق البنفسجية البصمات مطياف الاخرق

المراجع

  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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

PDMS
تصنيع حواجز شبكية عالية التباين لتقسيم الطيف المتشتتة عنصر في نظام الضوئية المركزة
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.