Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Fabrikasjon av høy kontrast Gitter for Spectrum Splitting Dispersive Element i en konsentrert Photovoltaic System

Published: July 18, 2015 doi: 10.3791/52913

Introduction

Vårt moderne samfunn vil ikke overleve uten å flytte en betydelig del av energiforbruket til fornybare energikilder. For å få til dette, må vi finne en måte å høste fornybar energi til en pris lavere enn oljebaserte energikilder i nær fremtid. Solenergi er den mest tallrike fornybar energi på jorden. Til tross for at mange utvikler har blitt gjort i solenergi høsting, er det fortsatt svært utfordrende å konkurrere med petroleumsbaserte energikilder. Effektivisering av solceller er en av de mest effektive måtene å redusere kostnadene for systemet solenergi høsting.

Optiske linser og oppvask reflektorer er vanligvis brukes i de fleste konsentrert fotovoltaiske (CPV) systemer en å oppnå en høy konsentrasjon av solenergi forekomst på små-området solceller, så det er økonomisk forsvarlig å utnytte dyrt tandem multi-junction solceller 2 i CPV-systemer, og for å opprettholde en rimeligkoste på samme tid. Men for de fleste ikke-konsentrerte solenergianlegg, som vanligvis krever en stor område utgaven av solceller, de høye kostnader tandem solceller kan ikke bli innarbeidet, selv om de vanligvis har en bredere solspektret respons og en høyere total konvertering effektivitet enn singel junction solceller 3.

Nylig, med hjelp av de parallelle spektrum splitte optikk (dvs. spredende element), har den parallelle spektrum splitting solcelleteknologi 4 gjorde det mulig at en tilsvarende eller bedre spektrum dekning og omdannelseseffektiviteten kan oppnås uten anvendelse av den kostbare tandem solceller. Solspekteret kan deles inn i forskjellige band, og hvert band kan absorberes og omdannes til elektrisitet ved spesialiserte single-krysset solceller. På denne måten kan kostbare tandem solceller i CPV systemer erstattes av en parallell fordeling av enkelt-forbindelsessolcelles uten kompromiss på ytelsen.

Den spredende element som er utformet i denne rapporten kan brukes i et reflekterende CPV system (som er basert på oppvask reflektorer) for å realisere parallelle spektrum splitting for den forbedrede solar-strøm konvertering effektivitet og reduserte kostnader. Multilayer rister høy kontrast (hCG) 5 brukes som spredt element ved å designe hvert lag av HCG å jobbe som en optisk bandet reflektor. Strukturene og parametere for den spredende element er numerisk optimalisert. Dessuten er fremstillingen av gitterrister med høy kontrast for de spredende element ved hjelp av dielektrikum (TiO2) sputtering, nanoimprint litografi 6 og reaktiv ioneetsing studert og vist.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Klargjør Blank Polydimethylsiloxane (PDMS) Underlag for Nanoimprint Mold

  1. Silicon Wafer behandlingsprosessen
    1. Rens en 4 tommers silisiumskive ved skylling med aceton, metanol og isopropanol.
    2. Blåse den tørre å bruke nitrogen pistol.
    3. Rens det med piraja løsning (3: 1 blanding av svovelsyre med 30% hydrogen peroxide) ved soaking inne i 15 min.
    4. Skyll den med DI vann. Føn hjelp av nitrogen pistol.
    5. Plasser platen i et glass eksikator. Tilsette en dråpe (20 dråper = 1 ml) av frigjøringsmiddel (triklorsilan) inn i eksikator.
    6. Pumpe ned eksikkatoren til måleren viser -762 Torr og vente i 5 timer.
    7. Ta ut skiven, som er behandlet med slippmiddel.
  2. Utarbeidelse av PDMS Film (Brukes som Mold i Nanoimprint)
    1. Vei opp 10 g av silikon-elastomer base og 1 g av herdemiddel.
    2. Legge dem i samme begerglass.
    3. Stir og bland med en glasstav i 5 min.
    4. Ha blandingen i en vakuumeksikator til måleren viser -762 Torr å pumpe ut alle de innestengte luftbobler.
    5. Spre dem jevnt på behandlet 4-tommers silisium wafer.
    6. Bake wafer med PDMS på toppen i vakuumovn i 7 timer ved 80 ° C for å herde filmen PDMS.

2. Forbered Nanoimprint Mold (Duplisering fra Master Mold)

  1. Spin tolv dråper (20 dråper = 1 ml) av UV-herding motstår (15,2%) på en ren blank silikonplate i 30 sek ved 1500 rpm.
  2. Fjern forsiktig en del av PDMS filmen av det behandlede silisiumskive.
  3. Sett PDMS film på UV kureres motstå og la den absorbere UV motstå for 5 min så skrelle den av.
  4. Gjenta 2,1 til 2,3 på den samme film for PDMS to ganger. Absorbere UV motstå for 3 min og 1 min hhv.
  5. Plasser PDMS film (etter tre-tiden UV motstå absorpsjon) på en silisium mester mold.
  6. Sett det inn i et kammer med nitrogen miljø.
  7. Slå på UV-lampe for å kurere prøven for 5 min.
  8. Skrelle av PDMS film. Det herdede UV-motstand på PDMS vil holde den negative mønsteret av master formen.
  9. Bruk RF O to plasma for å behandle PDMS formen. (RF power: 30 W, trykk: 260 mTorr, tid: 1 min)
  10. Plasser PDMS formen i et vakuumkammer med en dråpe (20 dråper = 1 ml) av frigjøringsmiddel i 2 timer.

3. Nanoimprint Pattern Transfer

  1. Spinne åtte dråper (20 dråper = 1 ml) av PMMA (996k, 3,1%) på underlaget til å bli trykt i 50 sek ved 3500 rpm.
  2. Bake den på en kokeplate i 5 minutter ved 120 ° C.
  3. Vent til prøven for å kjøle ned.
  4. Spin åtte dråper (20 dråper = 1 ml) av UV-herding motstår (3,9%) på det samme substratet.
  5. Plasser PDMS formen (fremstilt i trinn 2) på prøven (med både UV motstå og PMMA).
  6. Sett det inn i et kammer med nitrogen miljø.
  7. Slå på UV-lampe for å kurere for 5 min.
  8. Peel PDMS formen av prøven og mønsteret på PDMS formen blir overført til prøven.

4. Cr Lift-off Process

  1. Ioneetsning rest lag av UV-motstand og PMMA
    Merk: SOP for ICP-maskin kan bli funnet på https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
    1. Logg inn RIE ICP maskin.
    2. Legg i en tom 4 tommers silisium wafer. Kjør ren oppskrift på 10 min.
    3. Ta blank silisium wafer ut.
    4. Monter prøven på en annen ren silisium wafer og legger det inn i maskinen.
    5. Kjør UV motstå etsing oppskrift i 2 min (oppskriften kan finnes i Tabell 1).
    6. Ta prøven ut. Legg i en tom 4 tommers silisium wafer. Re kjøre ren oppskrift (kan finnes i tabell 1) i 10 min.
    7. Monter prøven på en ren silisium waferog legger det inn i maskinen.
    8. Kjør PMMA etsning oppskriften (kan finnes i tabell 1) i 2 min.
      Merk: Nå rest motstår har blitt etset og underlaget er utsatt.
  2. Cr E-beam Fordampning
    1. Logg inn i e-bjelke fordamperen.
    2. Installering av Cr metallkilden og prøven inn i kammeret.
    3. Sett tykkelse (20 nm) og avsetningshastighet (0,03 nm / sek).
    4. Pump kammeret inntil ønsket vakuum (10 Torr -7) er nådd.
    5. Start avsetningsprosessen.
    6. Ta prøven ut etter avsetnings ferdig.
  3. CR Lift-off Prosedyre
    1. Dyppe prøven i aceton med ultralyd omrøring i 5 min.
    2. Rens prøven ved skylling med aceton, metanol og isopropanol.
      Merk: Cr fordampet på resisten vil bli løftet av og en Cr maske for substrat etsing dannes.

5. TiO 2 Deposition

  1. Load prøven.
  2. Still inn parameterne for likestrøm sputtering maskin
    1. Bruk et kammertrykk på 1,5 mTorr, Ar gjennomstrømning på 100 sccm, og en sputtering kraft på 130 W.
    2. Bruke en temperatur på 27 ° C og en scene rotasjonshastighet på 20 rpm.
  3. Start frese prosessen og stoppe på ønsket tykkelse.
  4. Ta prøven ut og gløde TiO 2 film i oksygen miljø ved 300 ° C i 3 timer.

6. High Contrast Gittre Etching

  1. Logg på induktivt koblet plasma (ICP) ioneetsning (RIE) maskin.
  2. TiO 2 etsing
    1. Legg i en tom 4-tommers silisium wafer.
    2. Starte og drive den rene oppskriften (kan finnes i tabell 1) i 10 minutter.
    3. Losse laste blank wafer og laste prøven med Cr maske.
    4. Still etsing tid. Begynn TiO 2 etsing oppskrift. Etsning prosessen vil automatisk stopp.
    5. Losse prøven.
  3. SiO 2 Etching
    1. Gjenta trinn 5.2 unntatt bruke SiO 2 etsing oppskrift.

7. Refleksjon måling

  1. Logg inn og slå på målesystem.
  2. Plasser refleksjon standard speil på prøveholderen og justere den optiske banen.
  3. Kalibrere systemet for 100% refleksjon.
  4. Ta av refleksjon standard speil og plasser HCG.
  5. Måle reflektansen av HCG.
  6. Lagre data og logge ut av målesystemet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser gjennomføringen av spredende element (flerlags høy kontrast rist (HCG)) i konsentrert fotoelektrisk system. Sollys blir først reflekteres av det primære speil og støter mot den reflekterende spredende element, hvor strålen blir reflektert og delt inn i forskjellige bånd av forskjellige bølgelengder. Hvert band vil støte på et bestemt sted på solcelle array for best absorpsjon og konvertering til elektrisitet. Nøkkelen til dette systemet er utformingen og gjennomføring av spredende element, som er sammensatt av flere lag av HCG.

Figur 2 viser den numerisk optimaliserings resultatet for hvert lag i det spredende element. Resultatene ble beregnet ved endelig-forskjellen time-domene (FDTD) 7 basert kommersielle simuleringsprogram "Lumerical" og videre validert av strenge kombinert-wave analyse (RCWA) 8. Brytningsindeksenav TiO 2 var fra SOPRA 9 online database. Den optimaliserte seks-lags spredende element kan gi en total refleksjon på mer enn 90% over hele solspekteret 10,11.

For å demonstrere bredbånds reflektansen for HCG eksperimentelt, en av de seks lag i den spredende element HCG struktur fremstilles ved hjelp av nanoimprint fabrikasjon. Som vist i figur 3, består hvert gitter blokk av to deler. Materialet av den øvre rist er TiO 2 og materialet av under gitter er smeltet kvarts. Banen av 2D HCG er 453 nm. Linjebredden på hvert gitter er 220 nm. Høyden på både over- og undergitter er 340 nm. Materialet i underlaget er den samme som undergitter.

TiO 2 ble avsatt på smeltet silisiumdioksyd ved HP Labs ved hjelp av en likestrømsmagne frese maskin. Kammeret Trykket var 1,5 mTorr med Ar flyt ca 100 SCCM. Frese maktvar 130 W og hastigheten var 4 nm / min. To grupper av TiO 2 film ble forstøvet ved forskjellige temperaturer, 27 ° C og 270 ° C respektivt. For å sikre en jevn film avsetning, ble substratet trinn rotasjon slått på (20 opm) i løpet av sputtering. Begge grupper av TiO to filmer ble glødet ved 300 ° C i 3 timer etter sputtering å forbedre filmkvalitet. Etter avsetning ble begge grupper av TiO 2 filmer undersøkt ved bruk av et scanning elektronmikroskop (SEM) (figur 4). Brytningsindeksene av TiO to filmer ble også målt (figur 5). De målte brytningsindekser var 10% lavere enn standard database, fordi filmen var porøs, som også kan observeres i figur 4. En høyere temperatur sputtering kunne øke brytningsindeksen, men ruheten av filmen var mye høyere. For å nå en god balanse mellom brytningsindekser og film ruhet, den TiO 2 filmen som ble sputtrert ved 27 ° C ble valgt som gittermaterialet.

De viktigste fremgangsmåten for fabrikasjon nanoimprint er skjematisk vist i figur 6. Først blir en støpeform med visse mønstre trykkes mot UV-herdbare motstå på substratet. Da UV-lys anvendes for å herde motstå. Etter herding kan formen skilles fra substratet og formen motstå er nøyaktig det motsatte av formen. Trykt mønster kan anvendes som maske for å etse den gjenværende motstand, innskuddsmetall, løftes av og til slutt etse inn i substratet. På denne måten blir den form som formen overføres til substratet.

Å dikte 2D HCG, er en form duplisert fra en 1D periodiske gitter silisium mester som ble fabrikkert av interferens litografi 12. Da den samme form benyttes for å prege to ganger i ortogonale retninger på samme silikonsubstratet å mønstre et 2D hull array (figur 7). Hybrid nanoimprint <sup> 13 prosessen kan ta prøver med høy oppløsning og lite mangler store-området. Avtrykks resultater (2D hull matrise silisium array) er vist i figur 8. Ruheten av kantene kan reduseres ytterligere ved hjelp av kantutjevning 14 teknologier.

Etter nanoimprint mønster og Cr masken matrisen er fullført, blir et ICP RIE maskin som brukes for å etse prøven. To forskjellige etsing oppskrifter ble utviklet for TiO 2 og smeltet silisiumdioksyd henholdsvis, som er vist i tabell 1. Den fremstilte struktur er vist i figur 9.

Reflektansen (fra normal forekomst) av 2D-HCG ble målt ved bruk av to forskjellige spektrometre med forskjellige typer av detektorer, normaldetektoren og sfæren integrering detektoren. I motsetning til sfære integrering detektor, har den vanlige detektor en forholdsvis liten åpningsvinkel, og derfor ikke vil motta spredt light. Som vist i figur 10, indikerer at lyset spres av HCG på grunn av strukturen ruhet forskjell i refleksjonskurvene målt ved begge detektorene. Forskjellen mellom integrasjon sfære måling og simuleringsdata er hovedsakelig på grunn av tap av materiale og fabrikasjonsfeil. Reflektansmålingene kurver kan godtgjøre at fabrikkert enheten kan fungere som et band reflektor som ett lag i spredt element. På grunn av den høye kontrasten i indeks mellom gitteret og underlaget, har HCG god vinkel uavhengighet. Reflektansen kurven vil ikke endres mye når innfallsvinkelen er mindre enn 15 °.

Figur 1
Figur 1: Gjennomføringen av spredt element (multiplayer HCG) i en konsentrert photovoltaic (CPV) system.


Figur 2: Numerisk optimalisert refleksjonskurver for den spredende element design (seks-lags stablet HCG) som kan dekke mesteparten av solspekteret.

Figur 3
Figur 3: Den optimaliserte strukturen i en HCG for demonstrasjon av nanoimprint fabrikasjon.

Figur 4
Figur 4: SEM bilder (snitt) av påsprutede TiO 2 filmer på (a) 27 ° C og (b) 270 ° C. Klikk her for å se et størreversjon av denne figuren.

Figur 5
Figur 5: Målt og standard refraktiv (SOPRA database) indekser påsprutede TiO 2 filmer.

Figur 6
Figur 6:. Nanoimprint fabrikasjon prosessen Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: SEM bilde av 2D hull rekke silisium master (ovenfra og ned).

"Figur Figur 8: Bildet av 2D hull rekke silisium mester fabrikkert av PDMS-baserte nanoimprint.

Figur 9
Figur 9: SEM-bilde (snitt) av det fabrikkerte 2D HCG.

Figur 10
Figur 10: En simulert reflektans kurve og to målte refleksjonskurver ved hjelp av kule integrering detektor og normal detektoren hhv.

Figur 11
Figur 11: (a) Virkning av brytningsindekspå HCG refleksjon; (B) Effekt av sideveggen vinkel HCG refleksjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

ICP Strøm Forward Strøm SF 6 Flow C 4 F 8 Flow O 2 Flow Trykk Etsing Rate
TiO 2 0 W 25 W 25 SCCM 10 SCCM 10 sccm 10 mTorr 43 nm / min
Smeltet silisiumdioksid 0 W 100 W 0 SCCM 15 SCCM 15 SCCM 10 mTorr 20 nm / min
Motstå 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
Ren 1000 W 200 W 0 0 50 SCCM 50 mTorr NA

Tabell 1: etse oppskrifter for TiO2, smeltet silisiumdioksid, UV motstand, PMMA og ren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

For det første er kvaliteten på TiO 2 filmen svært avgjørende for HCG ytelse. Reflektansen toppen vil være høyere hvis TiO 2 film har mindre tap og overflateruhet. Den TiO 2 film med en høyere brytningsindeks er også fordelaktig fordi den optiske modusen begrensnings vil bli styrket ved en høyere kontrast i indeksen, som kan gi opphav til en flatere og bredere refleksjonsbånd i HCG.

For det andre, vil de fabrikasjonsfeil har signifikante effekter på HCG og bør unngås. Ruheten innført i fabrikasjon vil føre til mer lett å bli spredt, slik at reflektansen vil bli lavere. Avviket parametere i HCG fabrikasjon, inkludert linje bredde, høyde og banen vil ikke tillate at enheten skal fungere optimalt som i simulering. Videre avhenger sterkt av reflektansen til HCG på etseprofil, dvs. vinkelen til sideveggen. I figur 11, er virkningen av sideveggen vinkels på reflektansen for HCG er tallmessig beregnet. Som sideveggvinkler minske fra 90 ° til 84 °, synker den gjennomsnittlige reflektans fra over 90% til under 50%, fordi HCG oppfører seg mer som en kjegleformet antirefleksbelegg når sideveggvinkelen er liten.

Den optiske effektiviteten av spredende element er viktig for den totale effektiviteten av CPV-systemet, slik at refleksjon av hvert lag av HCG bør være så høy som mulig. Basert på diskusjonen ovenfor, mens den optiske virkningsgrad for fabrikerte laget er omtrent 60%, er det flere mulige forbedringer for en bedre HCG reflektans. Den TiO 2 katodeforstøvningstilstand kan videre optimaliseres for å generere film med en høyere indeks, mindre overflateruhet og nedre optiske tap. Tørretsingen oppskriftene bør videre justert for en bedre etseprofil, noe som gjør gitteret rettere, som kan oppnås ved å justere kombinasjonen av gasser (C 4 F8, SF 6 og O 2) for å balansere etsing og gjenavsetningsprosessen. Den nanoimprint og lift-off prosess bør forbedres for å unngå ruhet og fabrikasjonsfeil, slik at unødvendig spredning kan bli redusert for å øke den totale optiske effektivitet.

Ved å stable flere lag av to-dimensjonale HCGs med forskjellige stigninger, kan den dispersive speilet operere på langt bredere spektrum. Speilet kan reflektert lys direkte inn i forskjellige vinkler i henhold til bølgelengder på en måte for emballasje alle HCG sjikt deretter i ulike vippevinkler. Videre kan dispersive speilet fremstilles ved hjelp av nanoimprint litografi (NIL) i et stort område og til en lav kostnad. Dessuten har den foreslåtte systemet en enkel integrasjon med eksisterende konsentrator fotovoltaiske (CPV) setup så det har potensial til å bli allment akseptert av industrien for å forbedre solenergi konvertering effektivitet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet som en del av Senter for Energi nanovitenskap, en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science i henhold Award Antall DE-SC0001013. Vi ønsker også å takke Dr. Max Zhang og Dr. Jianhua Yang av HP Labs for deres hjelp på TiO 2 film sputtering og brytningsindekser måling.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Engineering Parallel spekteret splitting spredt element høy kontrast grating konsentrert photovoltaic system nanoimprint litografi ioneetsning
Fabrikasjon av høy kontrast Gitter for Spectrum Splitting Dispersive Element i en konsentrert Photovoltaic System
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication More

Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System. J. Vis. Exp. (101), e52913, doi:10.3791/52913 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter