制造高对比度光栅的频谱分割色散元件的聚光光伏系统

展示了在聚光光伏系统中制造高对比度光栅作为平行光谱分光色散元件的制造。描述了包括纳米压印光刻、TiO₂ 溅射和反应离子蚀刻在内的制造工艺。反射率测量结果用于表征光学性能。

以下实验的总体目标是演示在聚光光伏系统中制造高对比度光谱分光元件。这是通过在覆盖有一层 UV 固化光刻胶的二氧化钛玻璃基板上进行 PDMS 纳米压印光刻来实现的。作为第二步，蚀刻掉残留的纳米压印光刻胶，并使用剥离技术生产图案化的铬硬掩模。

接下来，反应离子边缘用于根据光谱仪的测量结果形成二氧化钛和玻璃分级阵列。制造的高对比度分级具有宽带反射率，可用作聚光光伏系统中的色散元件。我们首先想到了这种方法，为什么发现与传统的缺陷问候不同，这些二氧化钛高对比度问候表现出异国情调的经过验证的反射率曲线。

因此，我们可以用它来构建光谱分裂色散元件，这将大大增强低成本单结太阳能电池的能量吸收。与现有方法相比，该技术的主要优势，例如使用昂贵的多结太阳能电池技术来吸收宽带太阳能，是光栅以较低的制造成本提供更高的吸收器效率，而印记图形是一种低成本的高产量制造技术，适用于制造大面积高对比度的问候。要开始微细加工过程，请将干净的硅晶片放入玻璃真空干燥杯中，然后将一滴液态三氯乙烯加入干燥杯内的小烧杯中。

关闭干燥盖并抽空腔室，直到真空计降至 1 个大气压以下。然后关闭源真空调节器，让汽化的正弦溶液在静态真空下涂覆晶圆表面 5 小时。处理后，释放真空并将晶片从干燥液中取出。

接下来，测量 10 克 PDMS 和 1 克 PDMS 固化剂 在一个中等大小的烧杯中，用玻璃棒将两个部分均匀混合，然后将培养皿放入真空干燥中 20 到 30 分钟，以脱气混合物中的所有气泡。脱气后，将晶片放入塑料培养皿中，然后将 PDMS 缓慢倒入硅晶片上。将晶圆转移到真空烘箱中，并在 80 摄氏度下固化 PDMS 7 小时。

最后，将固化的 PDMS 从烘箱中取出，让聚合物薄膜冷却至室温。从另一块硅片开始，将衬底放在旋转编码器上。卡盘在晶圆上滴出 12 滴 UV 固化光刻胶，并在光刻胶仍然湿润的情况下以 1500 RPM 的速度旋涂光刻胶 30 秒。

小心地从前一个晶圆上去除一段固化的 PDMS，然后将 PDMS 轻轻压在可 UV 固化光刻胶上。让 PDMS 与光刻胶保持接触 5 分钟，然后小心地将 PDMS 从光刻胶基材上剥离，以在柔软的光刻胶层上留下分级特征的印记。将 PDMS 薄膜轻轻压入包含感兴趣的负浮雕特征的现有 Silicon Master 模具上。

将 PDMS Silicon Master 组合放入紫外烘箱中，打开紫外灯，在氮气气氛下固化软质三明治光刻胶层 5 分钟。固化后，从硅主晶片上剥离 PDMS 模具。因此，PDMS 表面现在应该包含一层薄薄的固化光刻胶，其表面起伏对应于纳米级特征。

最后，用快速射频氧气等离子清洗处理固化的光刻胶表面。然后将 PDMS 模具放入真空干燥中，与一滴三氯乙烯一起孵育 2 小时。PDMS 光刻胶纳米压印模具上的特征现在可以将图案转移到任何给定的基材上。

首先，放置一个熔融石英器件晶圆，其表面有一层 340 纳米的溅射二氧化钛。在旋转编码器上，Chuck 在晶圆上分配 8 滴 PMMA，并以 3， 500 RPM 的速度对衬底进行旋转编码 50 秒。将晶圆转移到预热的热板上，温度设置为 120 摄氏度，然后将 PMMA 硬烤 5 分钟。

将晶圆冷却至室温后，将器件基板放回旋转卡盘上。在表面涂抹八滴 UV 固化光刻胶并旋涂。第二层光刻胶以 1500 RPM 保持 30 秒。

当 UV 光刻胶仍然湿润时，所得器件晶圆已准备好进行纳米压印转移步骤。轻轻地放置纳米印迹 PDMS 模具，固化光刻胶特征面朝下，与柔软的 UV 光刻胶表面接触。将整个三明治放入紫外线烘箱中，在氮气气氛下在紫外线照射下固化湿光刻胶层 5 分钟。

紫外线光刻胶固化后，将 PDMS 模具从器件晶圆上剥离，以去除位于分级特征凹陷区域内的剩余紫外线光刻胶。将晶圆转移到感应耦合等离子体蚀刻机中，并在此步骤结束时用氧气等离子体运行 UV 光刻胶蚀刻配方两分钟。PMMA 衬垫现在应该暴露在纳米结构的凹陷区域。

为了去除暴露的 PMMA 层并露出下面的二氧化钛薄膜，请从 Etcher 控制台中选择 PMMA 蚀刻程序，然后进行氧气等离子体处理两分钟。此时，器件晶圆已准备好进行金属沉积和图案化步骤，这些步骤将定义纳米分级的最终特征。在二氧化钛顶部创建铬蚀刻掩膜。

首先，从等离子体蚀刻机中取出晶片，并将衬底转移到包含铬源的电子束金属蒸发器中。腔室抽真空后，熔化金属源并以每秒 0.03 纳米的速度沉积 20 纳米的铬。从电子束蒸发器中取出晶片，将衬底浸入装满丙酮的玻璃容器中。

然后将容器放入超声波槽中，在室温下启动超声波槽 5 分钟。通过对晶圆进行超声波搅拌，溶剂将快速溶解下面的 PMMA 层，从而释放出任何尚未与二氧化钛表面紧密接触的铬。因此，留在晶圆上的稳定铬图案阵列将使用镊子定义分级的最终几何形状。

装置从丙酮浴中取出，用丙酮、甲醇和异丙醇冲洗去除所有痕量的 PMMA 和松散的金属屑。用温和的氮气流或压缩空气干燥晶圆，并在显微镜下简要检查是否有任何晶圆缺陷。然后将晶圆加载到等离子体蚀刻机中，开始二氧化钛蚀刻配方，蚀刻后卸载晶圆，并在显微镜下验证曝光的二氧化钛层是否去除，以定义二氧化钛下方的玻璃子分级特征。

将晶圆重新加载到等离子体蚀刻机中，然后开始二氧化硅蚀刻配方。卸下基板并在显微镜下检查晶圆是否有缺陷。最后，用速酸液去除硬铬面膜。

蚀刻、裸露的二氧化钛图案和玻璃凹槽沟槽都代表了高对比度分级的最终结构。测量氧化钛分级的宽带反射率。首先打开光学测量系统，并在样品架上放置一个参考标准镜。

将样品架与入射光束路径对齐并校准检测器，使标准镜的总测量反射率处于理论 100% 水平。接下来，用高对比度的氧化钛分级替换标准镜，并开始对设备进行宽带反射测量。保存测量数据并注销测量系统，同时提高基板温度。

在金属溅射过程中，会产生更大的二氧化钛晶粒尺寸和更高的折射率。在电子显微镜下观察时，与在较低温度下沉积的金属氧化物薄膜相比，其较高的表面粗糙度使其成为不理想的顶级材料。与捕获的反射率数据相比，可以很容易地看到双层渐变结构的纵横比侧壁角度、间距和线宽。

使用接受角小的普通探测器。具有更宽接收角的球面探测器可以捕获和表征较粗糙金属氧化物表面的渐变反射率和散射。正如数据所示，折射率的轻微增加会导致反射带宽的急剧增加。

此外，当侧壁角度偏离完美的直角时，反射带宽会急剧下降。一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在几个小时内完成。重要的是要记住在压印过程中控制缺陷。

看完这个视频后，你应该对如何使用纳米打印技术制造大面积、高对比度的束带，并将其应用于 Photo botta 系统架构有了很好的了解。