介绍了一种基于可转移印刷的可行方法,用于在太阳能电池中引入等离激元金属纳米结构。利用纳米柱状聚二甲基硅氧烷印章,将基于银的有序纳米盘阵列与标准的氢化微晶硅太阳能电池集成,通过等离激元光捕获效应显著提升了器件性能。
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介绍了一种基于可转移印刷的可行方法,用于在太阳能电池中引入等离激元金属纳米结构。利用纳米柱状聚二甲基硅氧烷印章,将基于银的有序纳米盘阵列与标准的氢化微晶硅太阳能电池集成,通过等离激元光捕获效应显著提升了器件性能。
金属纳米结构的潜在应用之一是在太阳能电池中实现光捕获,其中纳米尺度金属所特有的光学性质(通常称为等离激元效应)起着重要作用。然而,由于难以制备包含所需功能金属纳米结构的器件,该领域的研究一直受到阻碍。为解决这一问题,本文展示了一种基于转移印刷的技术,可实现将设计好的金属纳米结构快速、低成本地集成到包括太阳能电池在内的多种器件结构中。纳米柱状聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章是以市售的纳米孔塑料膜作为母模制备而成。在该纳米图案化PDMS印章上沉积银(Ag)薄膜,随后将其转移印刷至涂有嵌段共聚物(粘合层)的氢化微晶硅(µc-Si:H)表面,从而形成有序的Ag纳米圆盘结构。结果证实,与未转移印刷Ag纳米圆盘的太阳能电池相比,集成Ag纳米圆盘的µc-Si:H太阳能电池表现出更优异的性能,这归因于Ag纳米圆盘所产生的等离激元光捕获效应。由于该方法具有简便性和通用性,未来还可将其拓展应用于其他类型的器件。
长期以来,功能纳米结构在广泛的技术领域中应用的需求一直存在。这一趋势的一个预期目标是开辟新型器件结构的设计途径,从而实现性能的提升或创新。例如,在太阳能电池领域,由于金属纳米结构具有引人注目的光学(即,等离激元)特性1,其应用已被积极地探索,有望用于构建高效的光捕获系统2,3。事实上,一些理论研究4-6表明,此类等离激元光捕获效应有可能超越传统的基于射线光学(表面织构)的光捕获极限7。因此,为了实现这些理论预测,开发将目标金属纳米结构与太阳能电池集成的策略变得日益重要。
已有多种策略被提出以应对这一挑战。8-24 例如,对金属薄膜进行简单的(低成本)热退火8,9,或分散预先合成的金属纳米颗粒10,11,这些方法均成功实现了等离激元光捕获。然而需要指出的是,通过这些方法制备的金属纳米结构通常难以与理论模型精确匹配。相比之下,半导体工业中的传统纳米加工技术,如光刻和电子束光刻12,13,能够将结构精度控制在100 nm以下,但这些技术往往成本过高且耗时较长,难以应用于太阳能电池领域,而该领域对大面积、低成本制造能力有迫切需求。为了满足低成本、高通量、大面积以及纳米尺度可控性的要求,诸如纳米压印光刻14-16、软光刻17,18、纳米球光刻19-21和孔掩模胶体光刻22-24等方法具有良好的应用前景。在这些选项中,我们开发了一种基于软光刻的先进转印印刷技术25。利用具有纳米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章和基于嵌段共聚物的粘附层,可在多种技术相关材料上便捷地实现有序金属纳米结构的图案化,包括太阳能电池所用材料。
本文的重点是详细描述我们采用的转移印刷技术,以将高效的光捕获等离激元纳米结构整合到现有的太阳能电池结构中。作为示范案例,本研究选用了银纳米盘与薄膜氢化微晶硅(µc-Si:H)太阳能电池(图1)26,尽管该方法同样适用于其他类型的金属和太阳能电池。结合其工艺的简便性,该方法可作为一种便捷工具,引起广泛研究人员的兴趣,用于将功能性金属纳米结构与器件相集成。
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1. PDMS印章的制备
2. 嵌段共聚物溶液的制备
3. 准备 µc-Si:H 衬底
4. PDMS印章的银涂层处理
5. 在薄膜硅表面转移印刷银纳米盘
6. 薄膜硅太阳能电池制备的完成
7. 外量子效率(EQE)的测量
8. 光伏电流-电压(J-V)特性的测量
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图2 概述了将银纳米盘转移印刷到 µc-Si:H(n 层)表面的一般流程。简而言之,首先通过电子束蒸发在纳米柱状 PDMS 印模表面沉积一层银薄膜(厚度:10–80 nm)。与此同时,将 PS-b-P2VP 溶液旋涂在新制备的 µc-Si:H n 层表面。随后,在涂有 PS-b-P2VP 的表面滴加一滴乙醇(EtOH),并将沉积有银的 PDMS 印模放置在被 EtOH 润湿的 PS-b-P2VP 表面上。此过程中无需施加压力,因为随着 EtOH 蒸发所产生的表面张力,印模与基底之间会自发形成紧密接触。待 EtOH 在减压条件下完全蒸发后,将印模从基底上剥离,从而完成银材料从纳米柱状 PDMS 印模凸起区域的转移。最后,通过氩等离子体处理去除残留的 PS-b-P2VP 涂层。
如图所示 图3 是所得银纳米盘阵列在(上)的扫描电子显微镜(SEM)图像 µc-Si:H 表面(电池)26
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本文采用双层硬/软聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料作为印章材料。27 研究发现,这种组合对于精确复制模具中的母体纳米结构至关重要,该纳米结构为六方密排的圆形孔阵列,孔径为 230 nm,深度为 500 nm,孔中心间距为 460 nm。若仅使用软质 PDMS,则由于其杨氏模量较低,所得印章表面纳米结构不完整(例如,倒置柱状结构无清晰边缘);28 因此,无法实现银纳米圆盘的转移印刷。
使用旋涂法制备的嵌段共聚物(PS-b-P2VP)薄膜作为粘合层,是成功在非光滑 µc-Si:H 表面(Rrms ≈ 6.6 nm)上实现转移印刷的另一个关键因素。尽管金属结构的转移印刷最初是利用可在表面形成自组装单分子层(SAMs)的小分子有机物实现的29,但我们发现,自组装单分子层(3-巯基丙基三甲氧基硅烷)在(轻微)织构化的 µc-Si:H 表面上无法有效形成。此外,高质量 SAMs 的形成需要较长时间(约数小时),而我们的工艺仅需不到 1 分钟(旋涂 40 秒)。这一点对于需要快速操作以避免...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢日本经济产业省(METI)下属新能源与产业技术开发组织(NEDO)提供的资金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 纳米孔模具 | Scivax | FLH230/500-120 | |
| 聚四氟乙烯容器 | Eishin | n/a | 定制 |
| 硬质PDMS材料 | |||
| 乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物 | Gelest | VDT-731 | |
| 铂-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物 | Gelest | SIP6831.1 | |
| 甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物 | Gelest | HMS-301 | |
| 2,4,6,8-四甲基四乙烯基环四硅氧烷 | Sigma-Aldrich | 396281 | 硬质PDMS添加剂 |
| 软质PDMS材料 | Dow Corning | Sylgard-184 | 硅酮前驱体 |
| PS-b-P2VP | Polymer Source | P5742-S2VP | Mn × 103 = 133-b-132 |
| 玻璃/SnO2:F基底 | Asahi Glass Co. Ltd. | 型号VU | 由D-process公司(http://d-process.jp/index.html)进行化学机械抛光以平整表面 |
| 清洗剂 | Fruuchi Chemical Co. http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm | Semico-clean 56 | 用于清洗玻璃/SnO2:F基底 |
| ZnO:Ga溅射靶材 | AGC Ceramics Co. Ltd. | 5.7GZO | |
| Ag溅射靶材 | Mitsubishi Materials Co. | 4NAg | |
| 双面胶带 | Nisshin EM Co. | 732 | |
| 聚酰亚胺胶带 | Dupont | Kapton 650S#25 | |
| 锡锌基焊料 | Kuroda Techno Co., Ltd. | Cerasolzer AL-200 | |
| 数字微量移液器 | Nichiryo | 00-NPX2-20 00-NPX2-200 00-NPX2-1000 | |
| 加热腔室 | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | VOS-201SD | |
| 电子束蒸发仪 | Canon-Anelva | n/a | 定制 |
| 电子束蒸发仪 | Arios | n/a | 定制 |
| 溅射系统 | Ulvac | SBR-2306 | |
| 等离子体增强化学气相沉积系统 | Shimadzu Emit Co. Ltd. | SLCM-13 | |
| 氩等离子体系统 | Diner Electric Gmbh | Femto | |
| 反应离子刻蚀系统 | Samco Inc. | RIE-10NR | |
| 超声波焊接装置 | Colby-Eishin Enterprises, Inc. | SUNBONDER | |
| 外量子效率测量系统 | Bunkoukeiki Co. Ltd. | CEP-25BXS | |
| J-V特性测量系统 | Bunkoukeiki Co. Ltd. | OTENTOSUN-5S-I/V | |
| 非晶硅参考电池 | Bunkoukeiki Co. Ltd. | WPVS-NPB-S1 | 用于光强校准 |
| 数字多用表 | Keithley Instruments Inc. | 2400 |
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