Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

El objetivo general de esta técnica de impresión por transferencia es proporcionar una metodología viable para integrar nanoestructuras plasmónicas funcionales en dispositivos como las células solares. Este método puede ayudar a avanzar en la aplicación práctica de dispositivos de metananoestructuras como las células solares prismáticas. La principal ventaja de esta técnica es que se pueden introducir, desear o diseñar rápidamente metananoestructuras en las estructuras de dispositivos existentes, lo que resulta en cambios significativos en el proceso de fabricación original.

Aunque este método se ha desarrollado, especialmente para las células solares, también se puede aplicar a otros dispositivos que utilizan propiedades plasmónicas, como diodos emisores y sensores de emisión derecha. Para comenzar, coloque un molde de nano agujero en un recipiente de politetrafluoroetileno. En el siguiente lugar, 0,76 gramos de copolímero de vinilo metilsuboxano dimetilsuboxano en una botella de vidrio desechable.

Utilice una micropipeta con una punta de polipropileno desechable para añadir seis microlitros de complejo de platino di vinilo tetraetil dioxano al copolímero. A continuación, utilice una micropipeta con una punta de polipropileno desechable para añadir 24 microlitros de 2 4 6 8 tetraetilo tetra vinilo ciclotetra tetra suboxano al copolímero y mezcle la solución. Modifique brevemente estos volúmenes si es necesario, para que permanezcan en la misma proporción que el copolímero.

Luego agregue 240 microlitros de hidros de metilo, copolímero de laano dimetil suboxano a la botella de vidrio y mezcle rápidamente con una pipeta de vidrio desechable, sople brevemente la superficie de la mezcla con nitrógeno y luego vierta el prepolímero PDMS duro resultante en un molde con patrón disponible comercialmente que se ha colocado en un coter de centrifugado y cubra el molde a 1000 RPM durante 40 segundos para lograr un espesor de capa de aproximadamente 40 micras. A continuación, coloque la muestra recubierta de centrifugación en una cámara precalentada a 65 grados centígrados durante 30 minutos. Para reticular brevemente el PDMS duro durante el calentamiento, mezcle seis gramos de silicona con 0,6 gramos de catalizador en una botella de vidrio desechable.

Varíe la cantidad de catalizador si es necesario para mantener una proporción de uno a 10 con la silicona. A continuación, coloque la botella de vidrio en un desecador al vacío y aplique un vacío de unos 133 pascales durante 15 minutos para desgasificar la mezcla. A continuación, vierta rápidamente la mezcla de DGA en el molde calentado para crear una capa suave de PDMS de unos tres milímetros de grosor.

Vuelva a colocar la muestra resultante en el vacío, desece y desgasifique la muestra durante una hora adicional. A continuación, transfiera la muestra de desgasificación a la cámara de calentamiento y caliéntela desde la temperatura ambiente hasta 80 grados centígrados a una velocidad de unos tres grados centígrados por minuto. Mantenga la muestra a 80 grados centígrados durante cinco horas para reticular completamente el PDMS duro y blando después de enfriar la muestra a temperatura ambiente.

Despegue el sello PDMS con cuidado del molde. Reutilice el molde hasta cinco veces para preparar sellos adicionales si es necesario. Corta el sello de nanopilar resultante en pedazos de siete milímetros por siete milímetros con un cuchillo y guárdalos al aire hasta que se usen.

Además, prepare la solución de la capa de unión de copolímero en bloque y los sustratos de silicona microcristalina hidrogenada como se describe en el protocolo de texto adjunto. Lave los sellos PDMS en 30 mililitros de etanol utilizando un baño ultrasónico durante 15 minutos y luego seque el sello soplándolo con nitrógeno puro. A continuación, utilice cinta adhesiva de doble cara para fijar los sellos PDMS limpios en un portamuestras.

A continuación, coloque las muestras en un sistema de evaporación por haz de electrones y deposite una película de plata de 10 a 80 nanómetros de espesor sobre los sellos, utilizando una tasa de deposición de cinco a 10 angstroms por segundo y una presión de aproximadamente 3,5 veces 10 por menos cuatro pascales. Saque los sellos recubiertos de plata del sistema de evaporación y utilícelos inmediatamente en el paso de impresión por transferencia. Tome los sustratos de silicio de película delgada preparados como se describe en el protocolo de texto adjunto y cúbralos con 0,3 mililitros de la solución aglutinante de copolímero en bloque a 5.000 RPM durante 40 segundos.

A continuación, humedezca la superficie de los sustratos recubiertos con etanol utilizando una micropipeta digital y, a continuación, aplique suavemente el sello de PDMS recubierto de plata sobre la superficie húmeda de etanol. No presione el sello cuando aplique el sello PDM a la subtasa. Por favor, evite presionarlo.

Basta con pulsar. El sello hace espontáneamente un contacto íntimo entre la tasa superficial debido a la tensión superficial del etanol. A continuación, coloque el sustrato de silicona de película delgada junto con un sello en una cámara de vacío y aplique vacío de aproximadamente 133 pascales.

Después de cinco minutos, llene la cámara de vacío con aire y saque el sustrato de silicona de película delgada. Retire el sello del sustrato de silicona de película delgada sosteniendo ambos lados de las pinzas de sello para transferir los nanodiscos de plata de impresión. Si tiene éxito, el rastro del estampado es visible como una mancha más verde.

Enjuague el sustrato de silicona de película delgada impreso por transferencia con un flujo continuo de etanol durante 15 segundos y luego seque el sustrato soplando sobre él con gas nitrógeno. A continuación, coloque el sustrato de silicio de película delgada impreso por transferencia en la cámara de proceso de un sistema de plasma Argonne. Bombee el aire en la cámara de proceso durante unos cinco minutos para alcanzar una presión de unos 20 pascales.

A continuación, abra la válvula de la línea de gas Argonne y ajuste manualmente el caudal a unos cuatro SCCM o el caudal que sea necesario para generar plasma. Espere unos cinco minutos para que la presión se estabilice a 40 pascales. A continuación, encienda el sistema para generar plasma de Argonne durante 108 segundos.

Finalmente, cierre la válvula de la línea de gas, deje de bombear y llene de aire en la cámara de proceso para sacar los sustratos de silicio de película delgada impresos por transferencia y limpios por plasma. Siga el resto del protocolo de texto adjunto para obtener detalles sobre cómo completar la fabricación de la célula solar de silicio de película delgada y medir su eficiencia y rendimiento. Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido de la matriz de nanodiscos de plata resultante sobre sustratos de silicio microcristalino hidrogenado muestran claramente algunas de las características a nanoescala incorporadas en el diseño.

El diámetro de los nano discos tiene un promedio de 200 nanómetros. La distancia de centro a centro promedió 460 nanómetros y el grosor de los nano discos de plata promedió 40 nanómetros. Aquí se muestran los espectros de eficiencia cuántica externa de las celdas fabricadas en comparación con una celda de referencia.

La celda incorporada de nano disco de plata mostró señales más altas en el rango de longitud de onda larga de 650 a 1.100 nanómetros. Tal mejora selectiva de la longitud de onda indica claramente el efecto preferencial de los nanodiscos de plata activos del plasmón para el uso de células solares. Es decir, la captura de luz plasmónica, una vez que el proceso de impresión por transferencia se puede completar en menos de 30 minutos si se realiza correctamente.