Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

Das übergeordnete Ziel dieser Transferdrucktechnik ist es, eine praktikable Methodik zur Integration funktionaler plasmonischer Nanostrukturen in Bauelemente wie Solarzellen bereitzustellen. Diese Methode kann dazu beitragen, die praktische Anwendung von Meta-Nanostrukturen wie prismischen Solarzellen voranzutreiben. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass man schnell gewünschte oder gestaltete Meta-Nanostrukturen in bestehende Gerätestrukturen einführen kann, was zu signifikanten Änderungen im ursprünglichen Herstellungsprozess führt.

Obwohl diese Methode speziell für Solarzellen entwickelt wurde, kann sie auch auf andere Bauelemente mit plasmonischen Eigenschaften wie rechtsstrahlenden Dioden und Sensoren angewendet werden. Setzen Sie zunächst eine Nanolochform in einen Behälter aus Polytetrafluorethylen ein. Als nächstes werden 0,76 Gramm Vinylmethyl-Suboxan-Dimethyl-Suboxan-Copolymer in eine Einweg-Glasflasche gegeben.

Verwenden Sie eine Mikropipette mit einer Einwegspitze aus Polypropylen, um dem Copolymer sechs Mikroliter Platindivinyltetraethyldioxankomplex hinzuzufügen. Als nächstes fügen Sie mit einer Mikropipette mit einer Einwegspitze aus Polypropylen 24 Mikroliter 2 4 6 8 Tetraethyltetravinylcyclotetrasuboxane zum Copolymer hinzu und mischen Sie die Lösung. Diese Volumina werden bei Bedarf kurz verändert, um im gleichen Verhältnis mit dem Copolymer zu bleiben.

Geben Sie dann 240 Mikroliter Methylhydros, Laane Dimethylsuboxan Copolymer, in die Glasflasche und mischen Sie es schnell Mit einer Einweg-Glaspipette blasen Sie die Oberfläche der Mischung kurz mit Stickstoff und gießen Sie dann das resultierende harte PDMS-Prepolymer auf eine kommerziell erhältliche gemusterte Form, die auf eine Schleuderspinnschicht gelegt wurde, beschichten Sie die Form bei 1000 U/min für 40 Sekunden, um eine Schichtdicke von etwa 40 Mikrometern zu erreichen. Legen Sie dann die mit Schleuderfolie beschichtete Probe für 30 Minuten in eine vorgeheizte Kammer bei 65 Grad Celsius. Um das harte PDMS während des Erhitzens kurz zu vernetzen, mischen Sie sechs Gramm Silikon mit 0,6 Gramm Katalysator in einer Einweg-Glasflasche.

Variieren Sie bei Bedarf die Menge des Katalysators, um ein Verhältnis von eins zu 10 mit dem Silikon beizubehalten. Stellen Sie dann die Glasflasche in ein Vakuum-Trockenmittel und wenden Sie ein Vakuum von ca. 133 Pascal für 15 Minuten an, um die Mischung zu entgasen. Gießen Sie anschließend die DGAs-Mischung schnell auf die erhitzte Form, um eine weiche PDMS-Schicht von etwa drei Millimetern Dicke zu erzeugen.

Legen Sie die resultierende Probe wieder in das Vakuum, trocknen Sie sie und entgasen Sie sie für eine weitere Stunde. Anschließend wird die Degas-Probe in die Heizkammer überführt und von Raumtemperatur auf 80 Grad Celsius mit einer Geschwindigkeit von etwa drei Grad Celsius pro Minute erhitzt. Halten Sie die Probe fünf Stunden lang bei 80 Grad Celsius, um das harte und weiche PDMS nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur vollständig zu vernetzen.

Ziehen Sie den PDMS-Stempel vorsichtig aus der Form ab. Verwenden Sie die Form bis zu fünfmal wieder, um bei Bedarf zusätzliche Stempel vorzubereiten. Schneiden Sie den entstandenen Nano-Säulenstempel mit einem Messer in sieben mal sieben Millimeter große Stücke und lagern Sie sie bis zur Verwendung unter Luft.

Bereiten Sie zusätzlich die Blockcopolymer-Bindungsschichtlösung und die hydrierten mikrokristallinen Silikonsubstrate vor, wie in dem begleitenden Textprotokoll beschrieben. Waschen Sie die PDMS-Stempel 15 Minuten lang in 30 Milliliter Ethanol in einem Ultraschallbad und trocknen Sie dann den Stempel, indem Sie ihn mit reinem Stickstoff anblasen. Befestigen Sie anschließend die gereinigten PDMS-Stempel mit doppelseitigem Klebeband auf einem Probenhalter.

Anschließend geben Sie die Proben in ein Elektronenstrahlverdampfungssystem und scheiden mit einer Abscheidungsrate von fünf bis 10 Angström pro Sekunde und einem Druck von etwa 3,5 mal 10 bis minus vier Pascal einen 10 bis 80 Nanometer dicken Silberfilm auf die Stempel auf. Nehmen Sie die silberbeschichteten Stempel aus dem Verdampfungssystem und verwenden Sie sie sofort im Transferdruckschritt. Man nehme die Dünnschicht-Siliziumsubstrate, die wie im beigefügten Textprotokoll beschrieben hergestellt worden seien, und beschichte sie 40 Sekunden lang mit 0,3 Millilitern der Blockcopolymer-Bindungslösung bei 5.000 U/min.

Befeuchten Sie anschließend die Oberfläche der beschichteten Substrate mit einer digitalen Mikropipette mit Ethanol und tragen Sie dann den silberbeschichteten PDMS-Stempel sanft auf die Ethanol-Nassoberfläche auf. Drücken Sie den Stempel nicht, wenn Sie den PDM-Stempel auf die Unterrate anwenden. Bitte vermeiden Sie es, es zu drücken.

Es genügt, einfach zu drücken. Der Stempel stellt aufgrund der Oberflächenspannung von Ethanol spontan einen engen Kontakt zwischen der Oberflächenrate her. Als nächstes legen Sie das Dünnschicht-Siliziumsubstrat zusammen mit einem Stempel in eine Vakuumkammer und legen ein Vakuum von etwa 133 Pascal an.

Füllen Sie nach fünf Minuten die Vakuumkammer mit Luft und nehmen Sie das Dünnschicht-Siliziumsubstrat heraus. Entfernen Sie den Stempel vom Dünnschicht-Silikonsubstrat, indem Sie beide Seiten der Stempelpinzette festhalten, um gedruckte Silber-Nanoscheiben zu übertragen. Wenn dies erfolgreich ist, ist die Spur des Stempelns als grüner Fleck sichtbar.

Spülen Sie das transferbedruckte Dünnschicht-Siliziumsubstrat 15 Sekunden lang mit einem kontinuierlichen Strom von Ethanol und trocknen Sie dann das Substrat, indem Sie es mit Stickstoffgas besprühen. Legen Sie anschließend das transfergedruckte Dünnschicht-Siliziumsubstrat in die Prozesskammer einer Argonne-Plasmaanlage. Pumpen Sie die Luft in der Prozesskammer etwa fünf Minuten lang ab, um einen Druck von etwa 20 Pascal zu erreichen.

Öffnen Sie dann das Ventil der Argonnengasleitung und stellen Sie die Durchflussrate manuell auf etwa vier SCCM oder die zur Plasmaerzeugung erforderliche Durchflussmenge ein. Warten Sie etwa fünf Minuten, bis sich der Druck auf 40 Pascal stabilisiert hat. Schalten Sie dann das System ein, um Argonnenplasma für 108 Sekunden zu erzeugen.

Schließen Sie abschließend das Ventil der Gasleitung, stoppen Sie das Pumpen und füllen Sie Luft in die Prozesskammer, um das gereinigte Plasma herauszunehmen und bedruckte Dünnschicht-Silikonsubstrate zu übertragen. Befolgen Sie den Rest des begleitenden Textprotokolls, um zu erfahren, wie Sie die Herstellung der Dünnschicht-Siliziumsolarzelle abschließen und ihren Wirkungsgrad und ihre Leistung messen können. Diese Rasterelektronenmikroskopie-Bilder des resultierenden Silber-Nanoscheiben-Arrays auf hydrierten mikrokristallinen Siliziumsubstraten zeigen deutlich einige der nanoskaligen Merkmale, die in das Design integriert sind.

Der Durchmesser der Nanoscheiben beträgt durchschnittlich 200 Nanometer. Der Abstand zwischen Zentrum und Zentrier beträgt durchschnittlich 460 Nanometer und die Dicke der Silber-Nanoscheiben beträgt durchschnittlich 40 Nanometer. Die externen Quanteneffizienzspektren der hergestellten Zellen werden hier im Vergleich zu einer Referenzzelle gezeigt.

Die in die Silber-Nanoscheibe eingebaute Zelle zeigte höhere Signale im langen Wellenlängenbereich von 650 bis 1.100 Nanometern. Eine solche wellenlängenselektive Verstärkung zeigt deutlich die bevorzugte Wirkung der plasmonenaktiven Silber-Nanoscheiben für den Einsatz in Solarzellen. Nämlich die plasmonische Lichtfalle muss einmal eingehalten werden, dass der Transferdruckprozess in weniger als 30 Minuten abgeschlossen werden kann, wenn er ordnungsgemäß durchgeführt wird.