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

El objetivo general del siguiente experimento es demostrar la fabricación del elemento de división de espectro de alto contraste en un sistema fotovoltaico concentrado. Esto se logra mediante la realización de litografía de nanoimpresión PDMS sobre un sustrato de vidrio de dióxido de titanio cubierto con una capa de fotorresistencia curable por UV. Como segundo paso, se graba la fotorresistencia residual de nanoimpresión y se produce una máscara dura de cromo estampada utilizando técnicas de levantamiento.

A continuación, los bordes de iones reactivos utilizados para formar la matriz de clasificación de dióxido de titanio y vidrio se basan en los resultados de medición de un espectrómetro. La granulometría de alto contraste fabricada exhibe una reflectancia de banda ancha que se puede utilizar como elementos dispersivos en un sistema fotovoltaico concentrado. Primero tuvimos la idea de este método, por lo que descubrimos que, a diferencia de los saludos deficientes tradicionales, estos saludos de alto contraste de dióxido de titanio exhiben un perfil de reflectancia exótico probado.

Por lo tanto, podemos usarlo para construir un elemento dispersivo de división de espectro que mejoraría en gran medida la absorción de energía con células solares de unión simple de bajo costo. La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como el uso de la costosa tecnología de células solares de unión múltiple para absorber la luz solar de banda ancha, es que las rejillas ofrecen una mayor eficiencia de los absorbentes a un menor costo de fabricación, y la grafía de impresión es una tecnología de fabricación de alto rendimiento y bajo costo que es adecuada para la fabricación de saludos de alto contraste en grandes áreas. Para comenzar el proceso de microfabricación, coloque una oblea de silicona limpia en un desecado al vacío de vidrio y agregue una gota de tricloroetileno líquido en un vaso de precipitados pequeño dentro del desecado.

Cierre la tapa del desecador y evacúe la cámara hasta que el medidor descienda por debajo de una atmósfera. A continuación, apague el regulador de vacío de la fuente y permita que la solución sinusoidal vaporizada cubra la superficie de la oblea durante cinco horas bajo vacío estático. Después del tratamiento, suelte el vacío y saque la oblea del desecado.

A continuación, mida 10 gramos de PDMS y un gramo de agente de curado PDMS En un vaso de precipitados de tamaño mediano, mezcle ambas partes uniformemente con una varilla de vidrio y coloque el plato dentro de un desecador al vacío durante 20 a 30 minutos para desgasificar todas las burbujas de la mezcla. Después de la desgasificación, coloque la oblea en una placa de Petri de plástico y vierta lentamente el PDMS sobre la oblea de silicio. Transfiera la oblea a un horno de vacío y cure el PDMS durante siete horas a 80 grados centígrados.

Finalmente, saque el PDMS solidificado del horno y deje que la película de polímero se enfríe a temperatura ambiente. Comenzando con otra pieza de oblea de silicio, coloque el sustrato en un codificador de espín. El mandril dispensa 12 gotas de fotorresistencia curable por UV en la oblea y centrifuga la resistencia a 1500 RPM durante 30 segundos mientras la fotorresistencia aún está húmeda.

Retire con cuidado una sección del PDMS curado de la oblea anterior y presione suavemente el PDMS sobre el resistente curable por UV. Deje que el PDMS permanezca en contacto con una fotorresistencia durante cinco minutos y despegue con cuidado el PDMS del sustrato de fotorresistencia para crear una impresión de las características de gradación en la capa suave de fotorresistencia. Presione suavemente la película PDMS sobre un molde maestro de silicio existente que contenga las características de relieve negativo de interés.

Coloque la combinación PDMS Silicon Master en un horno UV y encienda la lámpara UV para curar la capa fotorresistente suave intercalada durante cinco minutos bajo una atmósfera de nitrógeno. Después del curado, pele el molde PDMS de la oblea maestra de silicona. Como resultado, la superficie del PDMS ahora debería contener una capa delgada de fotorresistencia curada con un relieve superficial correspondiente a las características de nanogradación.

Por último, trate la superficie fotorresistente curada con una limpieza rápida de plasma de oxígeno RF. A continuación, coloque el molde de PDMS en un desecador al vacío e incube con una gota de tricloroetileno durante dos horas. Las características del molde de impresión nano fotorresistente PDMS ahora están listas para ser transferidas al patrón a cualquier sustrato dado.

Para comenzar, coloque una oblea de dispositivo de sílice fundida completa con una capa de 340 nanómetros de dióxido de titanio pulverizado en su superficie. En el codificador de giro, Chuck dispensa ocho gotas de PMMA en la oblea y codifica el sustrato a 3.500 RPM durante 50 segundos. Transfiera la oblea a una placa caliente precalentada, a 120 grados centígrados y hornee el PMMA durante cinco minutos.

Después de enfriar la oblea a temperatura ambiente, vuelva a colocar el sustrato del dispositivo en el mandril giratorio. Aplique ocho gotas de resistencia curable a los rayos UV en la superficie y centrifuga. La segunda capa de resistencia a 1500 RPM durante 30 segundos.

La oblea del dispositivo resultante está lista para el paso de transferencia de nanoimpresión mientras la resistencia a los rayos UV aún está húmeda. Colocó suavemente el molde de PDMS nano impreso con el lado de la característica de resistencia curada hacia abajo en contacto con una superficie suave de resistencia a los rayos UV. Coloque todo el sándwich en un horno UV y cure la capa resistente húmeda bajo iluminación UV durante cinco minutos bajo una atmósfera de nitrógeno.

Una vez que la resistencia a los rayos UV esté curada, retire el molde PDMS de la oblea del dispositivo para eliminar la resistencia a los rayos UV restante que reside dentro de las regiones empotradas de las características de clasificación. Transfiera la oblea a un grabador de plasma acoplado inductivo y ejecute la receta de grabado resistente a los rayos UV con plasma de oxígeno durante dos minutos al final de este paso. La capa subyacente de PMMA ahora debería exponerse en las regiones empotradas de la nanoestructura.

Para eliminar la capa de PMMA expuesta y descubrir la película de dióxido de titanio que se encuentra debajo, elija el programa de grabado de PMMA de la consola Etcher y aplique el tratamiento con plasma de oxígeno durante dos minutos. En este momento, la oblea del dispositivo está lista para la deposición de metal y los pasos de modelado que definirían las características finales de la nanoclasificación. Para crear la máscara de grabado de cromo sobre el dióxido de titanio.

Primero, descargue la oblea del grabador de plasma y transfiera el sustrato a un evaporador de metal por haz de electrones que contenga una fuente de cromo. Después de la evacuación de la cámara, derrita la fuente de metal y deposite 20 nanómetros de cromo a una velocidad de 0,03 nanómetros por segundo. Descargue la oblea del evaporador de haz tipo E y sumerja el sustrato en un recipiente de vidrio lleno de acetona.

Luego coloque el recipiente dentro de un tanque ultrasónico, accione el tanque ultrasónico durante cinco minutos a temperatura ambiente. Al aplicar agitación ultrasónica a la oblea, el disolvente disolverá rápidamente la capa subyacente de PMMA, liberando así cualquier cromo que no haya estado ya en contacto íntimo con una superficie de dióxido de titanio. Como resultado, la matriz de patrones de cromo estables que quedan en la oblea definirá la geometría final de la clasificación con pinzas.

Saque el dispositivo del baño de acetona y elimine todos los rastros de PMMA y limaduras metálicas sueltas con una secuencia de enjuague de acetona, metanol e isopropanol. Seque la oblea con un chorro suave de nitrógeno o aire comprimido y verifique brevemente si hay defectos en la oblea con un microscopio. Luego cargue la oblea en el grabador de plasma, comience la receta de grabado de dióxido de titanio, descargue la oblea después del grabado y verifique la eliminación de la capa de dióxido de titanio expuesta bajo el microscopio para definir las características de subgraduación del vidrio debajo del dióxido de titanio.

Vuelva a cargar la oblea en el grabador de plasma y comience la receta de grabado con dióxido de silicio. Descargue el sustrato e inspeccione la oblea en busca de defectos bajo el microscopio. Por último, retira la mascarilla dura de cromo con un ácido rápido.

El grabado del patrón de dióxido de titanio expuesto y las zanjas de rebaje de vidrio representan la estructura final de la clasificación de alto contraste. Para medir la reflectancia de banda ancha de la clasificación de óxido de titanio. Comience encendiendo el sistema de medición óptica y colocando un espejo estándar de referencia en el portamuestras.

Alinee el portamuestras con la trayectoria del haz incidente y calibre el detector de modo que la reflectancia total medida del espejo estándar esté en un nivel teórico del 100%. A continuación, sustituya el espejo estándar por una clasificación de óxido de titanio de alto contraste y comience la medición de la reflectancia de banda ancha del dispositivo. Guarde los datos de la medición y cierre la sesión del sistema de medición mientras eleva la temperatura del sustrato.

Durante el proceso de pulverización catódica del metal, se obtiene un mayor tamaño de grano de dióxido de titanio y un mayor índice de refracción. Su mayor rugosidad superficial lo convierte en un material de grado superior indeseable en comparación con las películas de óxido metálico depositadas a temperaturas más bajas cuando se observan bajo el microscopio electrónico. La relación de aspecto, el ángulo de la pared lateral, el paso y el ancho de línea de la estructura de graduación de doble capa se pueden ver fácilmente en comparación con los datos de reflectancia capturados.

Con un detector normal de pequeño ángulo de aceptación. Un detector esférico con un ángulo de aceptación más amplio puede capturar y caracterizar la graduación, la reflectancia y la dispersión de las superficies de óxido metálico más rugosas. Como sugieren los datos, un ligero aumento en el índice de refracción puede inducir un aumento dramático en el ancho de banda de reflectancia.

Además, a medida que el ángulo de la pared lateral se desvía de un ángulo recto perfecto, el ancho de banda de reflectancia se degrada drásticamente. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en varias horas si se realiza correctamente. Es importante recordar que hay que controlar los defectos durante el proceso de impresión.

Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo fabricar grandes áreas, cinchas de alto contraste, utilizando técnicas de nano impresión, y aplicarlas a la arquitectura del sistema de foto botta.