Name: 制造高对比度光栅的频谱分割色散元件的聚光光伏系统 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 8 s
Description: 学习使用纳米压印光刻和反应离子刻蚀技术制造高对比度光栅，用于聚光光伏系统的光谱分色元件。该方法可精确控制光学特性，提升宽带反射性能，为高效太阳能转换提供低成本解决方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究作为能源纳米科学中心的一部分获得支持，该中心是美国能源部科学办公室资助的能源前沿研究中心，资助编号为 DE-SC0001013。我们还要感谢惠普实验室的 Max Zhang 博士和 Jianhua Yang 博士在 TiO2 薄膜溅射和折射率测量方面提供的帮助。

1. 准备用于纳米压印模具的空白聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底
<ol>
	<li>硅片处理流程
	<ol>
		<li>用丙酮、甲醇和异丙醇冲洗一片4英寸硅片以进行清洗。</li>
		<li>使用氮气枪吹干。</li>
		<li>将硅片浸入piranha溶液（浓硫酸与30%过氧化氢按3:1比例混合）中15分钟，进行进一步清洗。</li>
		<li>用去离子水冲洗，并用氮气枪吹干。</li>
		<li>将硅片放入玻璃干燥器中，在干燥器内加入一滴释放剂（三氯硅烷）（20滴等于1毫升）。</li>
		<li>抽真空至真空表读数为-762 Torr，保持5小时。</li>
		<li>取出已处理过的硅片。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>PDMS薄膜的制备（用于纳米压印的模具）
	<ol>
		<li>称取10 g硅弹性体基础液和1 g固化剂。</li>
		<li>将两者加入同一玻璃烧杯中。</li>
		<li>用玻璃棒搅拌混合5分钟。</li>
		<li>将混合物置于真空干燥器中，抽真空至表压为-762 Torr，以去除所有夹带的气泡。</li>
		<li>将混合物均匀涂布在已处理的4英寸硅片上。</li>
		<li>将涂有PDMS的硅片放入真空烘箱中，在80 °C下烘烤7小时，使PDMS薄膜固化。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 准备纳米压印模具（从主模具复制）
<ol>
	<li>在洁净的空白硅片上滴加十二滴（20滴 = 1 ml）紫外光固化胶（15.2%），以1,500 rpm转速旋涂30秒。</li>
	<li>小心地从经处理的硅片上剥离一片PDMS薄膜。</li>
	<li>将PDMS薄膜置于紫外光固化胶上，使其吸收紫外胶5分钟，然后剥离。</li>
	<li>在同一片PDMS薄膜上重复步骤2.1–2.3两次，分别吸收紫外胶3分钟和1分钟。</li>
	<li>将经过三次吸收紫外胶的PDMS薄膜放置于硅模板上。</li>
	<li>将其放入氮气环境的腔室中。</li>
	<li>打开紫外灯，照射样品5分钟以完成固化。</li>
	<li>剥离PDMS薄膜，此时PDMS上的固化紫外胶将保留模板的负图案。</li>
	<li>使用射频O2等离子体处理PDMS模具（射频功率：30 W，压力：260 mTorr，时间：1分钟）。</li>
	<li>将PDMS模具放入真空腔室中，加入一滴（20滴 = 1 ml）脱模剂，处理2小时。</li>
</ol>
3. 纳米压印图案转移
<ol>
	<li>在待压印的基底上以 3,500 rpm 的转速旋涂八滴 PMMA（996k，3.1%）（20 滴 = 1 ml），持续 50 秒。</li>
	<li>在热板上于 120 °C 烘烤 5 分钟。</li>
	<li>等待样品冷却。</li>
	<li>在同一基底上旋涂八滴紫外光固化抗蚀剂（3.9%）（20 滴 = 1 ml）。</li>
	<li>将 PDMS 模具（在步骤 2 中制备）放置在样品上（同时含有紫外光抗蚀剂和 PMMA）。</li>
	<li>将其放入充满氮气环境的腔室中。</li>
	<li>打开紫外灯，照射 5 分钟以完成固化。</li>
	<li>将 PDMS 模具从样品上剥离，PDMS 模具上的图案即被转移到样品上。</li>
</ol>
4. 铬剥离工艺
<ol>
	<li>反应离子刻蚀去除 UV 胶和 PMMA 的残留层 
	注意：ICP 机台的标准操作程序（SOP）可在以下网址找到 https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf&#160;
	<ol>
		<li>登录 RIE ICP 机台。</li>
		<li>装入一片空白的 4 英寸硅片，运行清洁程序 10 分钟。</li>
		<li>取出空白硅片。</li>
		<li>将样品固定在另一片洁净的硅片上，并装入机台。</li>
		<li>运行 UV 胶刻蚀程序 2 分钟（程序参见表 1）。</li>
		<li>取出样品，装入一片空白的 4 英寸硅片，重新运行清洁程序 10 分钟（程序参见表 1）。</li>
		<li>将样品固定在洁净的硅片上，并装入机台。</li>
		<li>运行 PMMA 刻蚀程序 2 分钟（程序参见表 1）。 
		注意：此时残留的光刻胶已被刻蚀去除，基底已暴露。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>铬（Cr）电子束蒸发
	<ol>
		<li>登录电子束蒸发设备。</li>
		<li>将铬（Cr）金属源和样品装入腔室。</li>
		<li>设定膜厚（20 nm）和沉积速率（0.03 nm/s）。</li>
		<li>抽真空至所需真空度（10-7 Torr）。</li>
		<li>启动沉积过程。</li>
		<li>沉积完成后取出样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>铬（Cr）剥离工艺
	<ol>
		<li>将样品浸入丙酮中，超声处理 5 分钟。</li>
		<li>用丙酮、甲醇和异丙醇依次冲洗样品进行清洗。 
		注意：沉积在光刻胶上的铬（Cr）将被剥离，从而形成用于基底刻蚀的铬掩模。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. TiO2 沉积
<ol>
	<li>加载样品。</li>
	<li>设置直流磁控溅射设备的参数
	<ol>
		<li>腔室压力设为 1.5 mTorr，氩气流量为 100 sccm，溅射功率为 130 W。</li>
		<li>温度设为 27 °C，样品台旋转速度为 20 rpm。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>启动溅射过程，并在达到所需厚度时停止。</li>
	<li>取出样品，并在氧气环境中于 300 °C 对 TiO2 薄膜退火 3 小时。</li>
</ol>
6. 高对比度光栅刻蚀
<ol>
	<li>登录电感耦合等离子体（ICP）反应离子刻蚀（RIE）设备。</li>
	<li>二氧化钛（TiO2）刻蚀
	<ol>
		<li>装载一片空白的4英寸硅片。</li>
		<li>启动并运行清洗程序（参见表1），持续10分钟。</li>
		<li>卸载空白硅片，装载带有铬掩模的样品。</li>
		<li>设定刻蚀时间，启动TiO2刻蚀程序。刻蚀过程将自动停止。</li>
		<li>卸载样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>二氧化硅（SiO2）刻蚀
	<ol>
		<li>重复步骤5.2，但使用SiO2刻蚀程序。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. 反射率测量
<ol>
	<li>登录并启动测量系统。</li>
	<li>将反射率标准镜放置在样品 holder 上，并对准光路。</li>
	<li>对系统进行 100% 反射率校准。</li>
	<li>取下反射率标准镜，放置 HCG。</li>
	<li>测量 HCG 的反射率。</li>
	<li>保存数据并退出测量系统。</li>
</ol>

<ol><li>Horne, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Solid+500+Sun+Compound+Concentrator+PV+Design%5BTitle%5D)+AND+%22Photovoltaic+Energy+Conversion%2C+Conference+Record+of+the+2006+IEEE+4th+World+Conference+on%22%5BJournal%5D)">A Solid 500 Sun Compound Concentrator PV Design.</a> Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on. , 694-697(2006).</li>
<li>Guter, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current-matched+triple-junction+solar+cell+reaching+41.1%25+conversion+efficiency+under+concentrated+sunlight%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight.</a> Applied Physics Letters. 94, 223504(2009).</li>
<li>Shockley, W., Queisser, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detailed+Balance+Limit+of+Efficiency+of+p-n+Junction+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells.</a> Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).</li>
<li>Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Potential+for+low+dimensional+structures+in+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering%3A+B%22%5BJournal%5D)">Potential for low dimensional structures in photovoltaics.</a> Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).</li>
<li>Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physics+of+near-wavelength+high+contrast+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Physics of near-wavelength high contrast gratings.</a> Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).</li>
<li>Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoimprint+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%3A+Microelectronics+and+Nanometer+Structures%22%5BJournal%5D)">Nanoimprint lithography.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 14, 4129-4133 (1996).</li>
<li>Namiki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+FDTD+algorithm+based+on+alternating-direction+implicit+method.+Microwave+Theory+and+Techniques%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on%22%5BJournal%5D)">A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques.</a> IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).</li>
<li>Moharam, M. G., Gaylord, T. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rigorous+coupled-wave+analysis+of+planar-grating+diffraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction.</a> J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).</li>
<li>Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.sopra-sa.com/">http://www.sopra-sa.com/</a> (2015).</li>
<li>Yao, Y., Liu, H., Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectrum+splitting+using+multi-layer+dielectric+meta-surfaces+for+efficient+solar+energy+harvesting%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A%22%5BJournal%5D)">Spectrum splitting using multi-layer dielectric meta-surfaces for efficient solar energy harvesting.</a> Appl. Phys. A. 115, 713-719 (2014).</li>
<li>Yao, Y., Liu, H., Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+high-contrast+gratings+for+a+parallel+spectrum+splitting+dispersive+element+in+a+concentrated+photovoltaic+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Fabrication of high-contrast gratings for a parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B. 32, 06FG04-06FG04-6 (2014).</li>
<li>Solak, H. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-50+nm+period+patterns+with+EUV+interference+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography.</a> Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+nanoimprint%E2%88%92+soft+lithography+with+sub-15+nm+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+letters%22%5BJournal%5D)">Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution.</a> Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).</li>
<li>Yu, Z., Chen, L., Wu, W., Ge, H., Chou, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+nanoscale+gratings+with+reduced+line+edge+roughness+using+nanoimprint+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Fabrication of nanoscale gratings with reduced line edge roughness using nanoimprint lithography.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B. 21, 2089-2092 (2003).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

首先，TiO2 薄膜的质量对 HCG 性能至关重要。若 TiO2 薄膜的损耗和表面粗糙度更小，则反射峰将更高。同时，具有较高折射率的 TiO2 薄膜更有利，因为折射率差值增大可增强光学模式的限制效应，从而在 HCG 中产生更平坦且更宽的反射带。
其次，制造误差会对高对比度光栅（HCG）产生显著影响，应予以避免。制造过程中引入的表面粗糙度会增加光的散射，从而导致反射率降低。HCG制造中的参数偏差，包括线宽、高度和周期，将导致器件无法像仿真中那样实现最优性能。此外，HCG的反射率强烈依赖于刻蚀轮廓。 即 侧壁的角度。在 图11，数值计算了侧壁角度对高对比度光栅（HCG）反射率的影响。当侧壁角度从90°减小到84°时，平均反射率从超过90%下降至不足50%，因为当侧壁角度较小时，HCG 更类似于锥形的抗反射涂层。
色散元件的光学效率对于聚光光伏（CPV）系统的整体效率至关重要，因此高对比度光栅（HCG）每一层的反射率...

如果没有将相当一部分能源消耗转向可再生能源，我们现代社会将难以持续。为了实现这一目标，我们必须在不久的将来找到一种成本低于石油能源的可再生能源采集方式。太阳能是地球上最丰富的可再生能源。尽管在太阳能采集方面已取得诸多进展，但其仍难以与石油能源竞争。提高太阳能电池的转换效率是降低太阳能采集系统成本最有效的方法之一。
在大多数聚光光伏（CPV）系统中，通常使用光学透镜和碟形反射器1，以在小面积太阳能电池上实现高倍太阳光辐照度，从而在经济上可行地应用成本较高的串联多结太阳能电池2，同时保持合理的系统成本。然而，对于大多数非聚光光伏系统而言，由于通常需要大面积安装太阳能电池，难以采用高成本的串联太阳能电池，尽管这类电池通常比单结太阳能电池具有更宽的太阳光谱响应范围和更高的整体转换效率3。
近年来，借助平行光谱分束光学元件（即 色散元件），平行光谱分束光伏技术4使得在不使用昂贵的叠层太阳能电池的情况下，也能实现相似甚至更优的光谱覆盖范围和转换效率成为可能。太阳光谱可被分割为不同的波段，每个波段可由专用的单结太阳能电池吸收并转化为电能。通过这种方式，聚光光伏系统（CPV）中昂贵的叠层太阳能电池可被单结太阳能电池的并行分布所取代，且性能不会有任何妥协。
本报告中设计的色散元件可用于基于碟式反射器的反射式聚光光伏系统（CPV），以实现并行光谱分离，从而提高太阳能-电能转换效率并降低成本。通过设计多层高对比度光栅（HCG）5 的每一层作为光学带反射器，将其用作色散元件。对该色散元件的结构和参数进行了数值优化。此外，研究并展示了采用介电材料（TiO2）溅射、纳米压印光刻6 和反应离子刻蚀技术制备用于该色散元件的高对比度光栅的方法。

<table><tbody><tr><td>184 号硅酮弹性体套件</td><td>Sylgard</td><td></td><td>聚二甲基硅氧烷（PDMS）</td></tr><tr><td>4 英寸硅晶圆</td><td>Universitywafer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4 英寸熔融石英晶圆</td><td>Universitywafer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚甲基丙烯酸甲酯</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>182265</td><td></td></tr><tr><td>紫外光固化抗蚀剂</td><td></td><td></td><td>目前市场上无货</td></tr><tr><td>PlasmaLab System 100</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>ICP IRE 刻蚀机</td></tr><tr><td>用于纳米压印制造的紫外光固化系统</td><td></td><td></td><td>目前市场上无货</td></tr><tr><td>Ocean Optics HR-4000&amp;nbsp;</td><td>Ocean Optics</td><td>HR-4000</td><td>带标准探测器的光谱仪</td></tr><tr><td>Lambda 950 紫外/可见光谱仪</td><td>PerkinElmer</td><td></td><td>带半球积分探测器的光谱仪</td></tr><tr><td>JSM-7001F-LV</td><td>JEOL</td><td></td><td>场发射扫描电子显微镜</td></tr><tr><td>直流磁控溅射设备</td><td></td><td></td><td>设备位于惠普实验室，由其协助完成 TiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 的溅射</td></tr><tr><td>金属电子束蒸发仪</td><td>Temescal</td><td>BJD-1800</td><td></td></tr></tbody></table>

用于聚光光伏系统中光谱分束色散元件的高对比度光栅制备

Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System

高对比度光栅被设计并制备，其在一种并行光谱分束色散元件中的应用也被提出，该元件可提高聚光光伏系统的太阳能转换效率。所提出的系统还将通过以低成本的单结太阳能电池替代昂贵的叠层太阳能电池，从而降低聚光光伏系统中的太阳能电池成本。针对该色散元件的高对比度光栅结构与参数已通过数值方法进行了优化。大面积高对比度光栅的制备通过纳米压印光刻与干法刻蚀技术在实验上得以实现。光栅材料的质量及所制备器件的性能均通过实验进行了表征。通过分析测量结果，讨论了制备工艺可能带来的副作用，并提出了若干有望改进制备工艺的方法，这些方法有助于提高所制备器件的光学效率。

图1展示了色散元件（多层高对比度光栅（HCG））在聚光光伏系统中的实现方式。太阳光首先被主反射镜反射，随后入射到反射式色散元件上，光束在此处被反射并分解为不同波长的多个波段。每个波段将入射到太阳能电池阵列的特定位置，以实现最佳的吸收和电能转换。该系统的关键在于色散元件的设计与实现，该元件由多层HCG构成。
图2展示了色散元件中每一层的数值优化结果。该结果由基于有限差分时域（FDTD）7 方法的商用仿真软件“Lumerical”计算得出，并进一步通过严格耦合波分析（RCWA）8 进行验证。TiO2 的折射率数据来自 SOPRA9 在线数据库。优化后的六层色散元件在整个太阳光谱范围内可实现超过90%的总反射率10,11。
为了在实验上验证高对比度光栅（HCG）的宽带反射特性，采用纳米压印技术制备了色散元件HCG结构中的六层之一。如图3</s...

本文展示了在聚光光伏系统中作为平行光谱分离色散元件的高对比度光栅的制备。描述了包括纳米压印光刻、TiO2 溅射和反应离子刻蚀在内的制备工艺。利用反射率测量结果对光学性能进行表征。

高对比度光栅的设计与制备及其在并行光谱分束色散元件中的应用研究，有望提升……

以下实验的总体目标是展示在聚光光伏系统中制备高对比度光谱分束元件的过程。该过程首先在覆盖有紫外光固化光刻胶层的二氧化钛玻璃基底上进行聚二甲基硅氧烷（PDMS）纳米压印光刻。第二步，通过剥离技术去除残留的纳米压印光刻胶，并形成图案化的铬硬掩模。接下来，利用反应离子刻蚀边缘，基于光谱仪的测量结果来制备二氧化钛和玻璃的高对比度梯度阵列。所制备的高对比度梯度结构表现出宽带反射率，可用作聚光光伏系统中的色散元件。我们最初提出该方法的思路，源于发现与传统低对比度梯度结构不同，这些二氧化钛高对比度梯度结构展现出一种独特的、经验证的反射谱特征。因此，我们可以利用它来构建一种分光色散元件，从而以低成本的单结太阳能电池大幅提高能量吸收效率。与现有方法（例如使用昂贵的多结太阳能电池技术来吸收宽谱太阳光）相比，该技术的主要优势在于，光栅结构能够在更低的制造成本下实现更高的吸收效率。此外，压印光刻是一种低成本、高产率的制造技术，适用于大面积高对比度光栅结构的制备。开始微加工过程时，将一片洁净的硅片放入玻璃真空干燥器中，并在干燥器内的一个小烧杯中加入一滴液态三氯乙烯。关闭干燥器盖子，并抽真空至压力表读数低于一个大气压。然后关闭真空源调节阀，使气化的硅烷溶液在静态真空条件下沉积涂层于晶圆表面，持续五小时。处理结束后，释放真空，将晶圆从干燥器中取出。接下来，称取10克PDMS和1克PDMS固化剂，放入一个中等大小的烧杯中，用玻璃棒将两部分均匀混合，然后将烧杯置于真空干燥器中抽真空20至30分钟，以去除混合物中的所有气泡。脱泡完成后，将硅片放入一个塑料培养皿中，缓慢将PDMS倒入硅片表面。随后将硅片转移至真空烘箱中，在80摄氏度下固化PDMS七小时。最后，将固化的PDMS从烘箱中取出，让聚合物薄膜冷却至室温。取另一片硅片，将基底放置在旋涂仪上。在硅片上滴加12滴紫外光固化光刻胶，然后在光刻胶仍处于湿润状态时，以1500 RPM的转速旋涂30秒。小心地从之前的晶圆上取下一段固化的PDMS，并轻轻将PDMS压在紫外光固化型抗蚀剂上。让PDMS与光刻胶保持接触五分钟，然后小心地将PDMS从光刻胶基底上剥离，从而在柔软的光刻胶层上形成梯度结构的印记。再将PDMS薄膜轻轻压在已有的硅模板模具上，该模具含有目标负浮雕结构。将PDMS硅模板组合放入紫外烘箱中，并打开紫外灯，在氮气氛围下对夹层中的光刻胶层照射紫外线固化五分钟。固化完成后，从硅母板上剥离PDMS模具。结果应为：PDMS表面形成一层薄薄的固化光刻胶，其表面浮雕结构与纳米梯度特征相对应。最后，用快速射频氧等离子体清洗处理固化后的光刻胶表面。然后将PDMS模具置于真空干燥器中，并加入一滴三氯乙烯孵育两小时。PDMS光刻胶纳米压印模具上的微结构现已准备就绪，可转印至任意指定基底上。首先，取一片表面已溅射有340纳米厚二氧化钛层的熔融石英器件晶圆。将晶圆置于旋涂机载物台上，滴加八滴PMMA溶液，以3,500 RPM的转速旋涂50秒。随后将晶圆转移至预热至120摄氏度的热板上，对PMMA进行5分钟的坚膜烘烤。将晶圆冷却至室温后，将器件基底重新放回旋涂夹具上。在表面滴加八滴紫外光固化抗蚀剂，并进行旋涂。以1500 RPM转速旋涂抗蚀剂第二层，持续30秒。所得的器件晶圆在紫外光刻胶仍湿润的状态下，即可进行纳米压印转移步骤。将已完成纳米压印的PDMS模具轻轻放置，使其带有固化光刻胶结构的一面朝下，与柔软的紫外光刻胶表面接触。将整个夹层结构放入紫外光固化炉中，在氮气氛围下，通过紫外光照射固化湿润的光刻胶层，持续照射五分钟。紫外光刻胶固化后，将PDMS模具从器件晶圆上剥离，以去除分级结构凹陷区域中残留的紫外光刻胶。将晶圆转移至电感耦合等离子体刻蚀机中，在本步骤结束时使用氧气等离子体执行紫外光刻胶刻蚀程序，持续两分钟。此时，纳米结构的凹陷区域中应已暴露出下方的PMMA层。为了去除暴露的 PMMA 层并暴露其下方的二氧化钛薄膜，从刻蚀机控制台中选择 PMMA 刻蚀程序，并施加两分钟的氧气等离子体处理。此时，器件晶圆已准备好进行金属沉积和图形化步骤，这些步骤将定义纳米分级结构的最终特征。在二氧化钛上方形成铬刻蚀掩模。首先，将晶圆从等离子体刻蚀机中取出，然后将基底转移至含有铬源的电子束金属蒸发仪中。在腔体抽真空后，熔化金属源，并以每秒0.03纳米的速率沉积20纳米厚的铬层。将晶圆从电子束蒸发仪中取出，随后将基底浸入盛有丙酮的玻璃容器中。然后将容器放入超声波清洗槽中，在室温下启动超声波清洗槽处理五分钟。通过对晶圆施加超声搅拌，溶剂将迅速溶解下方的PMMA层，从而释放出未与二氧化钛表面紧密接触的铬。结果，晶圆上残留的稳定铬图案阵列将使用镊子定义梯度的最终几何形状。将器件从丙酮浴中取出，依次用丙酮、甲醇和异丙醇冲洗，以彻底去除残留的PMMA和松散的金属碎屑。用温和的氮气或压缩空气气流吹干晶圆，并在显微镜下快速检查晶圆是否存在缺陷。随后将晶圆装入等离子刻蚀仪，启动二氧化钛刻蚀程序，刻蚀完成后取出晶圆，并在显微镜下确认暴露的二氧化钛层已被去除，从而显现出二氧化钛下方的玻璃分级结构特征。将晶圆重新装入等离子刻蚀机中，并启动二氧化硅刻蚀程序。取出基底，在显微镜下检查晶圆是否存在缺陷。最后，用少量酸快速去除铬硬掩模。刻蚀暴露的二氧化钛图案和玻璃凹槽沟槽，二者共同构成高对比度分级结构的最终形貌。为测量二氧化钛分级结构的宽带反射率，首先开启光学测量系统，并将参考标准镜置于样品台上。将样品架与入射光束路径对齐，并校准探测器，使标准镜面的总反射率测量值达到理论上的100%水平。接着，用高对比度的二氧化钛梯度样件替换标准镜，开始对器件进行宽带反射率测量。保存测量所得数据，并在升高基底温度的同时从测量系统中注销。在金属溅射过程中，会形成较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，其较高的表面粗糙度使其相较于在较低温度下沉积的金属氧化物薄膜，成为一种不理想的顶层分级材料。与采集的反射率数据相比，双层分级结构的高宽比侧壁角度、节距和线宽可清晰可见。使用小接收角的普通探测器时，无法有效捕获来自较粗糙金属氧化物表面的分级反射和散射信号。而采用接收角更宽的球形探测器，则能够捕捉并表征此类反射和散射特性。数据表明，折射率的微小增加即可引起反射带宽的显著增大。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，只要操作得当，该技术可在数小时内完成。在压印过程中控制缺陷非常重要。观看本视频后，您应能充分理解如何利用纳米印刷技术制备大面积、高对比度的网格结构，并将其应用于光子晶体系统架构中。

fabrication-high-contrast-gratings-for-spectrum-splitting-dispersive

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

制造高对比度光栅的频谱分割色散元件的聚光光伏系统

在玻璃基板上制备多晶硅薄膜太阳能电池，通过沉积掺硼和掺磷的硅层，随后进行晶化、缺陷钝化和金属化。通过在硅电池表面形成银纳米颗粒，并在其上覆盖一层漫反射层，引入等离激元光捕获结构，可实现约45%的光电流增强。...

具有等离激元增强型光捕获的多晶硅薄膜太阳能电池

本文介绍了一种用于太阳能生产的电荷分离型半导体纳米晶体复合材料的通用设计策略。我们展示了将给体-受体纳米晶体结构域组装于单一纳米颗粒几何结构中，可实现光催化功能；而给体-受体纳米晶体薄膜的体相异质结则可用于光伏能量转换。...

利用电荷分离型纳米晶体及其固体收集太阳能

研制出一种集成器件，结合了染料敏化太阳能电池和三重态-三重态湮灭上转换单元，能够从更宽的太阳光谱范围内增强光捕获能力。在适度辐照条件下，该器件对低能光子的响应显著增强，使染料敏化太阳能电池的性能指标达到创纪录水平。...

将三重态-三重态湮灭上转换系统整合以增强染料敏化太阳能电池对亚带隙光的响应

采用单个二维棋盘式相位光栅，沿四个方向同时测量同步辐射X射线源的横向相干性的测量方案及数据分析方法。该简单技术可用于X射线源和X射线光学器件横向相干性的完整表征。...

利用二维棋盘式相位光栅沿多个方向测量X射线束相干性

本文介绍了一种使用微型狭缝介电涂布机制备有机薄膜太阳能电池的方案，以及利用同步辐射散射技术进行相关在线结构表征的方法。...

体异质结太阳能电池的打印制备 原位 形态学表征

本方案描述了无机纳米晶体的逐层合成及其溶液沉积方法，用于在非导电表面制备薄膜电子器件。经溶剂稳定的墨水可通过旋涂和喷雾涂覆，在玻璃基底上形成完整的光伏器件，随后进行沉积后配体交换和烧结处理。...

全溶液法制备无机纳米晶光伏器件

我们通过比较晶体结构、态密度、能级以及最终的太阳能电池性能，对有机/无机钙钛矿薄膜不同制备方法的影响进行了深入研究。...

不同钙钛矿薄膜制备方法对成膜特性、电子结构及太阳能电池性能的影响

玻璃非球面双合透镜（ADG）菲涅耳透镜利用两种色散特性不同的材料，以减小色差并提高可实现的聚光能力。本文介绍了一种对ADG菲涅耳透镜进行全面表征的实验方案。...

用于聚光光伏的玻璃消色差双合透镜菲涅耳透镜效率及辐照光斑的室内实验评估

本文介绍了一种制备高性能GaP/Si异质结太阳能电池的方案，该电池具有较高的Si少子寿命。...

开发高性能GaP/Si异质结太阳能电池

本文演示并指导如何在实验室X射线仪器上开展和分析卷对卷狭缝涂布的非富勒烯有机光伏材料上墨水干燥过程的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验。...

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

本方案描述了一种低成本、分立式、光纤耦合且空气间隔的法布里-珀罗标准具的构建方法，可用于痕量气体光谱学等多种应用。只要有标准光学实验室设备，任何实验场所均可完成该器件的制备。...

低成本、光纤耦合及空气间隔法布里-珀罗标准具的制备

学习使用纳米压印光刻和反应离子刻蚀技术制造高对比度光栅，用于聚光光伏系统的光谱分色元件。该方法可精确控制光学特性，提升宽带反射性能，为高效太阳能转换提供低成本解决方案。

用于聚光光伏系统中光谱分束色散元件的高对比度光栅制备

探索更多视频