Introduction
La nostra società moderna non può sopravvivere senza spostare una parte significativa del consumo di energia alle fonti energetiche rinnovabili. Per ottenere tutto ciò, dobbiamo trovare un modo per raccogliere l'energia rinnovabile ad un costo inferiore rispetto alle fonti energetiche a base di petrolio nel prossimo futuro. L'energia solare è il più abbondante energia rinnovabile sulla terra. Nonostante che molti progressi sono stati fatti nella raccolta di energia solare, è ancora molto difficile competere con le fonti di energia a base di petrolio. Migliorare l'efficienza delle celle solari è uno dei modi più efficaci per abbassare il costo del sistema di raccolta di energia solare.
Lenti ottiche e riflettori per i piatti sono di solito utilizzati in fotovoltaici a più alta concentrazione (CPV) sistemi 1 per ottenere una elevata concentrazione di incidenza dell'energia solare sulle celle solari di piccola zona, quindi è economicamente sostenibile per sfruttare tandem costoso multi-giunzione celle solari 2 a sistemi CPV, e per mantenere un ragionevolecostare allo stesso tempo. Tuttavia, per la maggior parte dei sistemi fotovoltaici non concentrati, che di solito richiedono una grande area rata di celle solari, le celle solari tandem ad alto costo non possono essere incorporati, anche se di solito hanno una più ampia risposta spettro solare e una maggiore efficienza di conversione complessiva del celle solari singola giunzione 3.
Recentemente, con l'aiuto delle ottiche splitting spettro parallele (cioè dispersivo elemento), la divisione dello spettro tecnologia fotovoltaica parallelo 4 ha permesso che la copertura spettro simile o migliore e l'efficienza di conversione può essere realizzato senza utilizzare le celle solari tandem costoso. Lo spettro solare può essere diviso in diverse bande e ogni banda può essere assorbita e convertita in elettricità dalle celle solari a giunzione specializzati. In questo modo, i tandem costoso celle solari in sistemi CPV possono essere sostituiti da una distribuzione parallela di singola giunzione cella solares, senza alcun compromesso sulla performance.
L'elemento dispersivo che è stato progettato in questa relazione può essere applicato in un sistema CPV riflettente (che si basa su riflettori piatto) per realizzare splitting spettro parallelo per il miglioramento solare elettrica efficienza di conversione e costo ridotto. Multistrato grigliati alto contrasto (HCG) 5 viene utilizzato come elemento dispersivo progettando ogni strato di HCG per lavorare come un riflettore banda ottica. Le strutture ei parametri dell'elemento dispersivo sono numericamente ottimizzati. Inoltre, la realizzazione di griglie ad alto contrasto per l'elemento dispersivo utilizzando dielettrico (TiO2) sputtering, nanoimprint litografia 6 e attacco con ioni reattivi si studia e dimostrati.
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Protocol
1. Preparare il polidimetilsilossano Blank (PDMS) substrato per nanoimprint Mold
- Processo Silicon Wafer Trattamento
- Pulire un wafer di silicio da 4 pollici da risciacquo con acetone, metanolo e isopropanolo.
- Colpo asciugare usando la pistola di azoto.
- Pulire con soluzione Piranha (3: 1 miscela di acido solforico al 30% di perossido di idrogeno) immergendo all'interno per 15 min.
- Risciacquare con acqua deionizzata. Colpo secco utilizzando la pistola di azoto.
- Posizionare il wafer in un essiccatore di vetro. Aggiungere una goccia (20 gocce = 1 ml) di agente (triclorosilano) rilasciando in un essiccatore.
- Pompare giù un essiccatore fino a quando il misuratore legge -762 Torr e attendere 5 ore.
- Prendere wafer out, che è stato trattato con distaccante.
- Preparazione di PDMS Film (Utilizzato come Mold in nanoimprint)
- Pesare 10 g di elastomero siliconico base e 1 g di induritore.
- Aggiungeteli nello stesso bicchiere di vetro.
- StiR e mescolare con una bacchetta di vetro per 5 min.
- Mettere il composto in un essiccatore a vuoto fino a quando il misuratore legge -762 Torr a pompare fuori tutte le bolle d'aria intrappolate.
- Stendere uniformemente sul trattato wafer di silicio da 4 pollici.
- Cuocere la cialda con PDMS sulla parte superiore del forno a vuoto per 7 ore a 80 ° C per trattare la pellicola PDMS.
2. Preparare il Mold nanoimprint (duplicazione dal Master Mold)
- Spin dodici gocce (20 gocce = 1 ml) di UV curable resist (15,2%) su un wafer di silicio pulito vuoto per 30 secondi a 1500 rpm.
- Sbucciare con attenzione un pezzo di pellicola PDMS fuori wafer di silicio trattata.
- Mettere la pellicola PDMS sul UV curabile resistere e lasciare assorbire resistere alla UV per 5 min allora sbucciarla fuori.
- Ripetere 2.1-2.3 sulla stessa pellicola PDMS per due volte. Assorbire resistere UV per 3 minuti e 1 min, rispettivamente.
- Collocare la pellicola PDMS (dopo tre volte UV resistono assorbimento) su uno stampo maestro di silicio.
- Mettetelo in una camera con l'ambiente di azoto.
- Accendere lampada UV per curare il campione per 5 min.
- Staccare la pellicola PDMS. Resistete alla curato UV sui PDMS manterrà il modello negativo dello stampo maestro.
- Usa RF O 2 al plasma per il trattamento stampo PDMS. (Potenza RF: 30 W, pressione: 260 mTorr, tempo: 1 min)
- Collocare lo stampo PDMS in una camera a vuoto con una goccia (20 gocce = 1 ml) di agente di distacco per 2 ore.
3. nanoimprint modello Transfer
- Spin otto gocce (20 gocce = 1 ml) di PMMA (996k, 3,1%) sul substrato da impresso per 50 secondi a 3.500 giri.
- Cuocere su una piastra per 5 minuti a 120 ° C.
- Attendere che il campione si raffreddi.
- Spin otto gocce (20 gocce = 1 ml) di UV curable resist (3,9%) sullo stesso substrato.
- Mettere lo stampo PDMS (preparata al punto 2) sul campione (sia con UV resistere e PMMA).
- Mettetelo in una camera con l'ambiente di azoto.
- Accendere la lampada UV per curare per 5 min.
- Peel lo stampo PDMS off il campione e il modello sullo stampo PDMS viene trasferito al campione.
4. Cr processo Lift-off
- Ion etching reattivo strato residuo di UV resistere e PMMA
Nota: Il SOP per la macchina ICP sono disponibili all'indirizzo https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf- Entra in macchina RIE ICP.
- Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici. Eseguire la ricetta pulita per 10 min.
- Prendete il wafer di silicio vuoto fuori.
- Montare il campione su un altro wafer di silicio pulito e caricarlo nella macchina.
- Eseguire il UV resistono ricetta acquaforte per 2 minuti (la ricetta può essere trovato in Tabella 1).
- Prendere il campione fuori. Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici. Eseguire nuovamente la ricetta pulito (si possono trovare nella tabella 1) per 10 minuti.
- Montare il campione su un wafer di silicio pulitoe caricarlo in macchina.
- Eseguire la ricetta acquaforte PMMA (si possono trovare nella tabella 1) per 2 minuti.
Nota: Ora la residua resist è stato inciso e substrato è esposto.
- Cr E-beam di evaporazione
- Log in e-beam evaporatore.
- Caricare la sorgente di metallo Cr e del campione nella camera.
- Impostare lo spessore (20 nm) e velocità di deposizione (0,03 nm / sec).
- Pompare la camera fino a vuoto richiesto (10 -7 Torr) è raggiunto.
- Avviare il processo di deposizione.
- Prendere il campione fuori al termine di deposizione.
- CR Lift-off Procedura
- Immergere il campione in acetone con agitazione ad ultrasuoni per 5 min.
- Pulire il campione mediante risciacquo con acetone, metanolo e isopropanolo.
Nota: Il Cr evaporato sul resist sarà rimosso e una maschera Cr per substrato attacco è formato.
5. TiO2 Deposizione
- Caricare il campione.
- Impostare i parametri per la macchina diretta magnetron sputtering corrente
- Utilizzare una pressione della camera di 1,5 mTorr, Ar flusso di 100 sccm e una potenza di 130 W. sputtering
- Utilizzare una temperatura di 27 ° C e una velocità di rotazione di fase 20 rpm.
- Avviare il processo di polverizzazione e fermarsi a spessore desiderato.
- Prelevare il campione fuori e ricuocere il film TiO 2 in ambiente di ossigeno a 300 ° C per 3 ore.
6. Forte contrasto stridente Acquaforte
- Entra nella macchina plasma ad accoppiamento induttivo (ICP) attacco con ioni reattivi (RIE).
- TiO2 acquaforte
- Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici.
- Avviare ed eseguire la ricetta pulito (si possono trovare nella tabella 1) per 10 minuti.
- Scaricare caricare il wafer vuoto e caricare il campione con maschera Cr.
- Imposta tempo di attacco. Inizia TiO2 acquaforte ricetta. La volontà di auto processo di incisioneautomaticamente smettere.
- Scaricare il campione.
- SiO 2 Acquaforte
- Ripetere il punto 5.2 eccezione di usare il SiO 2 acquaforte ricetta.
7. riflettanza Misurazione
- Esegui il login e accendere il sistema di misurazione.
- Posizionare lo specchio campione di riflessione sul portacampioni e allineare il percorso ottico.
- Calibrare il sistema di riflettanza 100%.
- Togliere lo standard specchio di riflessione e posizionare il HCG.
- Misurare la riflettanza della HCG.
- Salvare i dati e uscire dal sistema di misura.
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Representative Results
La Figura 1 mostra l'implementazione dell'elemento dispersivo (multistrato alta reticolo contrasto (HCG)) in un impianto fotovoltaico concentrato. La luce del sole viene prima riflessa dallo specchio primario e incide sull'elemento riflettente dispersivo, dove il fascio viene riflesso e diviso in diverse bande di lunghezze d'onda diverse. Ogni banda graverà su una certa posizione sulla matrice di celle solari per il miglior assorbimento e la conversione in energia elettrica. La chiave di questo sistema è la progettazione e realizzazione dell'elemento dispersivo, che è composta da più strati di HCG.
La Figura 2 mostra il risultato ottimizzazione numerica per ogni strato nell'elemento dispersivo. I risultati sono stati calcolati dal dominio del tempo alle differenze finite (FDTD) 7 sulla base di software di simulazione commerciale "Lumerical" e ulteriormente convalidata da una rigorosa analisi accoppiata-wave (RCWA) 8. L'indice di rifrazionedi TiO 2 è stato dal database online SOPRA 9. I sei strati elemento dispersivo ottimizzata può fornire una riflessione totale di oltre il 90% sull'intero spettro solare 10,11.
Per dimostrare la riflettanza banda larga di HCG sperimentalmente, una delle sei strati nella struttura dell'elemento HCG dispersivo fabbricati usando nanoimprint fabbricazione. Come mostrato in figura 3, ogni blocco reticolo costituito da due parti. Il materiale del reticolo superiore è TiO 2 ed il materiale del reticolo sub è silice fusa. Il passo del HCG 2D è 453 nm. La larghezza della linea di ogni reticolo è di 220 nm. L'altezza del reticolo sia superiore e sub è 340 nm. Il materiale del substrato è lo stesso del reticolo sub.
TiO2 è stato depositato il silice fusa in HP Labs utilizzando una macchina diretta magnetron sputtering corrente. La pressione della camera era 1,5 mTorr con un flusso di Ar circa 100 sccm. Il potere Sputterera di 130 W e la tariffa era 4 nm / min. Due lotti di TiO 2 film sono state atomizzate a diverse temperature, 27 ° C e 270 ° C rispettivamente. Per ottenere una deposizione di film, la rotazione fase substrato è stato attivato (20 rpm) durante sputtering. Entrambe le serie di TiO 2 film sono stati ricotti a 300 ° C per 3 ore dopo sputtering per migliorare la qualità del film. Dopo la deposizione, entrambe le serie di TiO 2 film sono stati esaminati con un microscopio elettronico a scansione (SEM) (Figura 4). Gli indici di rifrazione di TiO 2 film sono stati anche misurati (figura 5). Gli indici di rifrazione misurati inferiori del 10% rispetto database standard, perché il film era porosa che può anche essere osservato in Figura 4. Una temperatura sputtering superiore potrebbe aumentare l'indice di rifrazione, ma l'asperità del film era molto più alto. Per raggiungere un buon equilibrio tra indici di rifrazione e rugosità pellicola, la pellicola TiO 2 che è stato sputregistrata a 27 ° C è stato scelto come materiale reticolo.
Le fasi principali per nanoimprint fabbricazione sono schematicamente mostrati in figura 6. In primo luogo, uno stampo con certi schemi viene premuta contro la UV-curable resist sul substrato. Poi si applica la luce UV per curare il resistere. Dopo la polimerizzazione, lo stampo può essere separato dal substrato e la forma di resist è esattamente l'opposto dello stampo. Il modello stampato può essere utilizzato come maschera per incidere residuo resistere, deposito metallico, sollevare e infine etch nel substrato. In questo modo, la forma dello stampo viene trasferito nel substrato.
Per realizzare 2D HCG, una muffa è duplicato da un 1D periodica maestro silicio grata che è stato fabbricato da interferenze litografia 12. Poi lo stesso stampo viene utilizzato per imprimere due volte in direzioni ortogonali sullo stesso substrato di silicio al modello una matrice fori 2D (figura 7). Il nanoimprint ibrido <sup> 13 processo può fare i campioni di grande superficie con alta risoluzione e piccoli difetti. I risultati impresse (matrice silicio matrice foro 2D) è mostrato nella Figura 8. La rugosità dei bordi può essere ulteriormente ridotto con l'aiuto delle tecnologie di punta 14 lisciatura.
Dopo nanoimprint patterning e la matrice maschera Cr è completata, una macchina ICP RIE è usato per incidere il campione. Due differenti ricette di attacco sono stati sviluppati per TiO 2 e silicio fuso, rispettivamente, che è mostrato in Tabella 1. La struttura fabbricata è mostrata nella Figura 9.
La riflettanza (dalla incidenza normale) di 2D HCG è stata misurata utilizzando due spettrometri differenti con differenti tipi di rivelatori, rilevatore normale e il rilevatore integrazione sfera. In contrasto con rilevatore integrazione sfera, il rivelatore normale ha un angolo relativamente piccolo di accettazione e quindi non riceverà il l sparsiight. Come mostrato in Figura 10, la differenza di curve di riflettanza misurati da entrambi i rivelatori indica che la luce viene diffusa dal HCG a causa della struttura rugosità. La differenza fra la misura sfera di integrazione e di dati di simulazione è dovuto principalmente alla perdita di errori materiali e di fabbricazione. Le curve di riflessione in grado di dimostrare che il dispositivo fabbricato può funzionare come un riflettore di banda come uno strato nell'elemento dispersivo. Grazie all'elevato contrasto di indice compreso tra reticolo e substrato, HCG ha buona indipendenza angolazione. La curva di riflettanza non cambia molto quando l'angolo di incidenza è inferiore a 15 °.
Figura 1: L'attuazione del elemento dispersivo (multiplayer HCG) in un impianto fotovoltaico concentrato (CPV).
Figura 2: curve di riflettanza numericamente ottimizzato per la progettazione elemento dispersivo (sei strati impilati HCG) che può coprire la maggior parte dello spettro solare.
Figura 3: la struttura ottimizzata di un HCG per la dimostrazione di nanoimprint fabbricazione.
Figura 4: Le immagini SEM (sezione) di atomizzate TiO 2 film a (a) 27 ° C e (b) 270 ° C. Cliccate qui per vedere una più grandeversione di questa figura.
Figura 5: misura e di rifrazione standard (banca dati SOPRA) indici di atomizzate TiO 2 film.
Figura 6:. Processo di fabbricazione nanoimprint Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 7: L'immagine SEM del maestro matrice buco silicio 2D (vista dall'alto).
Figura 8: La foto di matrice buco maestro silicio 2D fabbricato da nanoimprint-based PDMS.
Figura 9: L'immagine SEM (vista in sezione) del fabbricato 2D HCG.
Figura 10: Una curva di riflettanza simulato e due curve di riflettanza misurati utilizzando rivelatore integrazione sfera e rilevatore normale rispettivamente.
Figura 11: (a) Effetto di rifrazionesu HCG di riflessione; (B) Effetto dell'angolo fianco su HCG riflettanza. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| ICP Potenza | Potenza Diretta | SF 6 Flusso | C 4 F 8 Flusso | O 2 Flusso | Pressione | Acquaforte Tasso | |
| TiO 2 | 0 W | 25 W | 25 sccm | 10 sccm | 10 sccm | 10 mTorr | 43 nm / min |
| Silice fusa | 0 W | 100 W | 0 sccm | 15 sccm | 15 sccm | 10 mTorr | 20 nm / min |
| Resistere | 0 W | 25 W | 25 sccm | 15 sccm | 0 | 10 mTorr | 22 nm / min |
| PMMA | 0 W | 30 W | 0 | 0 | 30 sccm | 2 mTorr | 55 nm / min |
| Pulito | 1.000 W | 200 W | 0 | 0 | 50 sccm | 50 mTorr | N / A |
Tabella 1: Le ricette di attacco per TiO 2, silice fusa, UV resistere, PMMA e pulito.
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Discussion
In primo luogo, la qualità del film TiO 2 è molto importante per le prestazioni HCG. Il picco riflettanza sarà maggiore se il film TiO 2 ha meno perdita e rugosità superficiale. Il film TiO 2 con un indice di rifrazione superiore è anche favorevole perché la modalità confinamento ottico sarà arricchito da un elevato contrasto di indice, che può dar luogo ad una più piatta e banda riflettanza più ampia HCG.
In secondo luogo, gli errori di fabbricazione avranno effetti significativi sulla HCG e deve essere evitato. La rugosità introdotto nella fabbricazione causerà più leggero per essere dispersi, in modo che il fattore di riflessione diventa inferiore. La deviazione dei parametri nella HCG fabbricazione, tra cui la larghezza della linea, l'altezza e il passo non permetterà al dispositivo di funzionare in modo ottimale come nella simulazione. Inoltre, la riflettanza di HCG dipende fortemente dal profilo di attacco, ovvero l'angolo di sidewall. Nella Figura 11, l'effetto dell'angolo sidewalls sulla riflettanza di HCG viene calcolato numericamente. Come gli angoli laterali scendono da 90 ° a 84 °, la riflettanza media scende da oltre il 90% a meno del 50%, poiché il HCG comporta più come un rivestimento anti-riflesso conico quando l'angolo sidewall è piccola.
L'efficienza ottica dell'elemento dispersivo è importante per l'efficienza complessiva del sistema CPV, in modo che il fattore di riflessione di ogni strato di HCG dovrebbe essere il più alto possibile. Sulla base di quanto detto sopra, mentre l'efficienza ottica per lo strato fabbricato è di circa il 60%, vi sono diversi miglioramenti possibili per una migliore HCG riflettanza. La condizione TiO 2 sputtering può essere ulteriormente ottimizzata per generare la pellicola con un indice maggiore, meno rugosità superficiale e perdita ottica inferiore. Le ricette attacco a secco devono essere ulteriormente regolati per un profilo incisione meglio, rendendo il dritto reticolo, che può essere ottenuta regolando la combinazione di gas (C 4 F8, SF 6 e O 2) per bilanciare l'incisione e ri-deposizione di processo. Il processo nanoimprint e lift-off dovrebbe essere migliorato per evitare errori di rugosità e di fabbricazione in modo che la dispersione non necessaria può essere ridotta per aumentare l'efficienza ottica complessiva.
Sovrapponendo strati multipli di HCGs bidimensionali con passi diversi, lo specchio dispersivo può operare nello spettro molto più ampio. Lo specchio può luce riflessivo diretta in diversi angoli secondo le lunghezze d'onda, in un modo di confezionare tutti i livelli di HCG successivamente in diversi angoli di ribaltamento. Inoltre, lo specchio dispersivo può essere fabbricato utilizzando nanoimprint litografia (NIL) in una vasta area e ad un basso costo. Inoltre, il sistema proposto presenta una facile integrazione con gli attuali fotovoltaico concentratore (CPV) messa a punto in modo che ha il potenziale per essere accettato ampiamente dal settore per migliorare solare efficienza di conversione energetica.
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Acknowledgments
Questa ricerca è stata supportata come parte del Centro per l'Energia Nanoscienze, un Frontier Centro di ricerca energetica finanziata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science sotto Premio Numero DE-SC0001013. Vogliamo anche ringraziare il Dr. Max Zhang e il Dr. Jianhua Yang di HP Labs per il loro aiuto su misura TiO 2 sputtering pellicola e indici di rifrazione.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 184 Silcone elastomer kit | Sylgard | Polydimethylsiloxane (PDMS) | |
| 4 inch silicon wafer | Universitywafer | ||
| 4 inch fused silica wafer | Universitywafer | ||
| Poly(methyl methacrylate) | Sigma-Aldrich | 182265 | |
| UV-curable resist | Nor available on market | ||
| PlasmaLab System 100 | Oxford Instruments | ICP IRE machine | |
| UV curing system for nanoimprint fabrication | Not available on market | ||
| Ocean Optics HR-4000 | Ocean Optics | HR-4000 | Spectrometer with normal detector |
| Lambda 950 UV / VIS | PerkinElmer | spectrometer with hemisphere intergration detector | |
| JSM-7001F-LV | JEOL | Field emission SEM | |
| DC magnetron sputtering machine | Equipment is in HP labs, who helped us to sputter the TiO2 | ||
| Metal e-beam evaporator | Temescal | BJD-1800 |
References
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