Fabricación de rejillas de alto contraste para la División del espectro de dispersión de elementos en un Sistema de Concentración Fotovoltaica

Summary

Se demuestra la fabricación de rejillas de alto contraste como elemento dispersivo de división de espectro paralelo en un sistema fotovoltaico concentrado. Se describen los procesos de fabricación, incluida la litografía de nanoimpresión, la pulverización catódica de TiO₂ y el grabado iónico reactivo. Los resultados de la medición de reflectancia se utilizan para caracterizar el rendimiento óptico.

Abstract

Se diseñan y fabrican rejillas de alto contraste y se propone su aplicación en un elemento dispersivo de división de espectro paralelo que puede mejorar la eficiencia de conversión solar de un sistema fotovoltaico concentrado. El sistema propuesto también reducirá el costo de las células solares en el sistema fotovoltaico concentrado al reemplazar las costosas células solares en tándem con las células solares de unión única rentables. Se optimizaron numéricamente las estructuras y los parámetros de las rejillas de alto contraste para los elementos dispersivos. La fabricación de rejillas de alto contraste en grandes superficies se demostró experimentalmente mediante litografía de nanoimpresión y grabado en seco. La calidad del material de rejilla y el rendimiento del dispositivo fabricado se caracterizaron experimentalmente. Al analizar los resultados de las mediciones, se discuten los posibles efectos secundarios de los procesos de fabricación y se proponen varios métodos que tienen el potencial de mejorar los procesos de fabricación, lo que puede ayudar a aumentar la eficiencia óptica de los dispositivos fabricados.

Introduction

Nuestra sociedad moderna no sobrevivirá sin mover una parte significativa del consumo de energía de fuentes de energía renovables. Para que esto suceda, tenemos que encontrar una manera de cosechar la energía renovable a un costo más bajo que las fuentes de energía a base de petróleo en un futuro próximo. La energía solar es la más abundante de las energías renovables en la tierra. A pesar de que muchos de los avances se han hecho en el aprovechamiento de la energía solar, todavía es muy difícil competir con las fuentes de energía a base de petróleo. La mejora de la eficiencia de las células solares es una de las formas más eficaces de reducir el coste del sistema de captación de energía solar.

Lentes ópticas y reflectores plato se utilizan generalmente en fotovoltaicos más concentrada (CPV) sistemas ¹ para lograr una alta concentración de incidencia de la energía solar sobre las células solares de área pequeña, por lo que es económicamente viable para explotar en tándem caro células solares multi-unión ² en sistemas CPV, y para mantener una razonablecostar al mismo tiempo. Sin embargo, para la mayoría de los sistemas fotovoltaicos no concentradas, que por lo general requieren un tramo de gran superficie de las células solares, las células solares en tándem de alto costo no pueden ser incorporados, a pesar de que generalmente tienen una respuesta de espectro solar más amplia y una mayor eficiencia global de la conversión de la células solares de unión simple ^3.

Recientemente, con la ayuda de la óptica de división del espectro paralelas (es decir dispersivo elemento), el paralelo tecnología fotovoltaica división espectro ⁴ ha hecho posible que un espectro de cobertura similar o mejor eficiencia de conversión y pueden lograrse sin el uso de las células solares en tándem caro. El espectro solar se puede dividir en diferentes bandas y cada banda puede ser absorbida y convertida en electricidad por las células solares de unión simple especializados. De esta manera, las células solares en tándem caro en sistemas CPV pueden ser reemplazados por una distribución paralela de célula solar de una sola unións sin cualquier compromiso en la actuación.

El elemento dispersivo que fue diseñado en este informe se puede aplicar en un sistema de CPV reflectante (que se basa en reflectores de antena parabólica) para darse cuenta de la división de espectro paralelo para la mejora de la eficiencia de conversión solar-electricidad y coste reducido. Rejillas de múltiples capas de alto contraste (hCG) ⁵ se utiliza como el elemento dispersivo mediante el diseño de cada capa de HCG para trabajar como un reflector de banda óptica. Las estructuras y los parámetros del elemento dispersivo son numéricamente optimizados. Por otra parte, la fabricación de rejillas de alto contraste para el elemento dispersivo mediante el uso de dieléctrico _(TiO2) de pulverización catódica, la litografía por nanoimpresión ⁶ y grabado iónico reactivo se estudiaron y demostraron.

Protocol

1. Prepare el polidimetilsiloxano en blanco (PDMS) Sustrato para nanoimpresión Mold

1. Proceso de Tratamiento oblea de silicio
   1. Limpiar una oblea de silicio de 4 pulgadas por lavado con acetona, metanol e isopropanol.
   2. Blow secar usando el arma de nitrógeno.
   3. Limpie usando solución de pirañas (3: 1 mezcla de ácido sulfúrico con peróxido de hidrógeno al 30%) por inmersión en el interior durante 15 minutos.
   4. Enjuague con agua DI. Golpe seco usando la pistola de nitrógeno.
   5. Coloque la oblea en un desecador de vidrio. Añadir una gota (20 gotas = 1 ml) de agente (triclorosilano) liberar en el desecador.
   6. Bombee hasta el desecador hasta que el manómetro lee -762 Torr y espere durante 5 horas.
   7. Tome el hojaldre, que ha sido tratado con agente de liberación.
2. Preparación de PDMS de Cine (Utilizado como moho en nanoimpresión)
   1. Pesar 10 g de la base de elastómero de silicona y 1 g de agente de curado.
   2. Añadir en el mismo vaso de vidrio.
   3. Stir y mezclar con una varilla de vidrio durante 5 min.
   4. Ponga la mezcla en un secador de vacío hasta que el manómetro lee -762 Torr para bombear todas las burbujas de aire atrapadas.
   5. Difundir de manera uniforme sobre el tratado oblea de silicio de 4 pulgadas.
   6. Hornee la oblea con PDMS en la parte superior en el horno de vacío durante 7 horas a 80 ° C para curar la película de PDMS.

2. Prepare el molde de nanoimpresión (Duplicación del Molde Maestro)

1. Haga girar doce gotas (20 gotas = 1 ml) de curado UV resisten (15,2%) sobre una oblea de silicio en blanco limpia durante 30 segundos a 1.500 rpm.
2. Retire con cuidado un trozo de película de PDMS de la oblea de silicio tratada.
3. Ponga la película de PDMS en el curado UV resisten y se deja absorber la radiación UV resistir durante 5 minutos entonces la pela apagado.
4. Repita 2.1 a 2.3 en la misma película PDMS por dos veces. Absorbe UV resistir durante 3 min y 1 min respectivamente.
5. Coloque la película de PDMS (después de tres veces UV resistir la absorción) en un molde maestro de silicio.
6. Póngalo en una cámara con ambiente de nitrógeno.
7. Encienda la lámpara UV para curar la muestra durante 5 minutos.
8. Despegar la película de PDMS. El curado UV resistir en el PDMS mantendrá el patrón negativo del molde maestro.
9. Uso RF O ₂ plasma para tratar el molde de PDMS. (Potencia de RF: 30 W, presión: 260 mTorr, el tiempo: 1 min)
10. Colocar el molde de PDMS en una cámara de vacío con una gota (20 gotas = 1 ml) de agente de liberación para 2 hr.

3. nanoimpresión dibujo de transferencia

1. Haga girar ocho gotas (20 gotas = 1 ml) de PMMA (996k, 3,1%) sobre el sustrato a imprimir para 50 segundos a 3.500 rpm.
2. Hornear sobre una placa caliente durante 5 min a 120 ° C.
3. Espere a que la muestra se enfríe.
4. Girar ocho gotas (20 gotas = 1 ml) de UV curable resisten (3,9%) en el mismo sustrato.
5. Colocar el molde de PDMS (preparado en la etapa 2) sobre la muestra (tanto con UV resistir y PMMA).
6. Póngalo en una cámara con ambiente de nitrógeno.
7. Encienda la lámpara UV para curar durante 5 minutos.
8. Peel el molde de PDMS de la muestra y el patrón en el molde de PDMS se transfiere a la muestra.

4. Proceso de despegue Cr

1. Grabado por iones reactivos capa residual de UV resistir y PMMA
   Nota: El SOP para la máquina de la PIC se puede encontrar en https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Entrar máquina RIE ICP.
   2. Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas. Ejecutar la receta limpia durante 10 minutos.
   3. Tome la oblea de silicio en blanco a cabo.
   4. Montar la muestra en otra oblea de silicio limpio y cargarlo en la máquina.
   5. Ejecute el UV resisten receta grabado durante 2 minutos (la receta se puede encontrar en la Tabla 1).
   6. Tomar la muestra fuera. Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas. Vuelva a ejecutar la receta limpio (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 10 min.
   7. Montar la muestra sobre una oblea de silicio limpiay cargarlo en la máquina.
   8. Ejecutar la receta de grabado PMMA (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 2 min.
      Nota: Ahora el residual resisten ha sido grabado y el sustrato está expuesto.
2. Cr E-beam evaporación
   1. Inicie sesión en el evaporador de haz de electrones.
   2. Cargar la fuente de metal Cr y la muestra en la cámara.
   3. Ajuste el espesor (20 nm) y la tasa de deposición (0,03 nm / seg).
   4. Bomba de la cámara hasta que el vacío requerido (10 ^-7 Torr) se alcanza.
   5. Iniciar el proceso de deposición.
   6. Tomar la muestra después de los acabados de deposición.
3. CR Levante-off Procedimiento
   1. Sumergir la muestra en acetona con agitación ultrasónica durante 5 min.
   2. Limpiar la muestra mediante lavado con acetona, metanol e isopropanol.
      Nota: El Cr se evaporó en la resisten se despegó y se forma una máscara Cr para el grabado sustrato.

5. _TiO2 DepOSICIÓN

1. Cargue la muestra.
2. Establezca los parámetros de la máquina de pulverización catódica magnetrón de corriente continua
   1. Use una presión de la cámara de 1,5 mTorr, el flujo de Ar de 100 sccm y una potencia de 130 W. pulverización catódica
   2. Usa una temperatura de 27 ° C y una velocidad de rotación de fase de 20 rpm.
3. Iniciar el proceso de pulverización catódica y parar en el espesor deseado.
4. Tomar la muestra y recocer la película de _TiO2 en el entorno de oxígeno a 300 ° C durante 3 horas.

6. Contraste alto Rejas Aguafuerte

1. Entre la máquina de plasma de acoplamiento inductivo (ICP) grabado por iones reactivos (RIE).
2. _TiO2 grabado
   1. Cargar un blanco oblea de silicio de 4 pulgadas.
   2. Iniciar y ejecutar la receta limpia (se puede encontrar en la Tabla 1) durante 10 minutos.
   3. Descargue cargar la oblea en blanco y cargar la muestra con máscara Cr.
   4. Establecer tiempo de grabado. Iniciar _TiO2 receta grabado. La voluntad de auto proceso de grabadoticamente parar.
   5. Descargue la muestra.
3. _SiO2 Aguafuerte
   1. Repita el paso 5.2, excepto usar la receta de grabado _SiO2.

7. Medición de reflectancia

1. Entrar y encienda el sistema de medición.
2. Coloque el espejo patrón de reflexión en el soporte de muestra y alinear la trayectoria óptica.
3. Calibrar el sistema para la reflectancia 100%.
4. Quítese el espejo patrón de reflexión y colocar el HCG.
5. Medir la reflectancia de la HCG.
6. Guarde los datos y cerrar la sesión del sistema de medición.

Results

La figura 1 muestra la aplicación de la elemento dispersivo (de múltiples capas de alta rejilla contraste (HCG)) en un sistema fotovoltaico concentrado. La luz del sol se refleja en primer lugar por el espejo primario y incide sobre el elemento dispersivo reflectante, donde el haz se refleja y se divide en diferentes bandas de longitudes de onda diferentes. Cada banda incidirá en un lugar determinado en el conjunto de células solares para la mejor absorción y conversión a la electricidad. La clave de es...

Discussion

En primer lugar, la calidad de la película de TiO ₂ es muy crucial para el rendimiento de HCG. El pico de reflectancia será mayor si la película de _TiO2 tiene menos pérdidas y rugosidad de la superficie. La película de TiO ₂ con un índice de refracción más alto también es favorable porque el confinamiento modo óptico se verá reforzada por un mayor contraste en el índice, lo que puede dar lugar a una más plana y la banda de reflectancia más amplio en HCG.

En s...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
184 Kit de elastómero de silicona	Sylgard		Polidimetilsiloxano (PDMS)
Oblea de silicio de 4 pulgadas	Universitywafer
Oblea de sílice fundida de 4 pulgadas	Universitywafer
Poli(metacrilato de metilo)	Sigma-Aldrich	182265
		al curado UV	Ni disponible en el mercado
PlasmaLab System 100	Máquina Oxford Instruments		ICP IRE
Sistema de curado UV para la fabricación de			No disponible en el mercado
Ocean Optics HR-4000	Ocean Optics	HR-4000	Espectrómetro con detector normal
Lambda 950 UV / VIS	PerkinEspectrómetro Elmer		con detector de integración de hemisferios
JSM-7001F-LV	JEOL		Máquina
		de pulverización catódica de magnetrón	El equipo está en los laboratorios de HP, que nos ayudaron a pulverizar el evaporador de haz electrónico de TiO2
Metal	Temescal	BJD-1800