Fabrication de réseaux de contraste élevé pour le fractionnement du spectre dispersif élément d'un système photovoltaïque à concentration

Notre société moderne ne survivra pas sans bouger une partie importante de la consommation d'énergie de sources d'énergie renouvelables. Pour ce faire, nous devons trouver un moyen de récolter de l'énergie renouvelable à un coût moindre que les sources d'énergie à base de pétrole dans un avenir proche. L'énergie solaire est l'énergie renouvelable la plus abondante sur terre. Malgré que beaucoup de progrès ont été accomplis dans la récolte de l'énergie solaire, il est encore très difficile de rivaliser avec les sources d'énergie à base de pétrole. Améliorer l'efficacité des cellules solaires est l'un des moyens les plus efficaces pour réduire le coût du système d'exploitation de l'énergie solaire.

Lentilles optiques et des réflecteurs paraboliques sont généralement utilisés dans photovoltaïques plus concentré (CPV) ¹ d'atteindre une concentration élevée de l'incidence de l'énergie solaire sur les cellules solaires de petite surface, de sorte qu'il est économiquement viable d'exploiter tandem cher cellules solaires multi-jonctions ² dans systèmes CPV, et pour maintenir un raisonnablecoûter en même temps. Cependant, pour la plupart des systèmes photovoltaïques non concentrés, qui nécessitent généralement une grande surface tranche de cellules solaires, les cellules solaires tandem à coût élevé ne peuvent pas être incorporé, même si elles ont généralement une réponse de spectre solaire plus large et un rendement de conversion global supérieur à la simple jonction des cellules solaires ^3.

Récemment, avec l'aide de parallèles l'optique de fractionnement du spectre (c.-à-dispersif élément), la technologie photovoltaïque de fractionnement du spectre parallèle ⁴ a permis que la couverture du spectre similaire ou meilleure et l'efficacité de conversion peuvent être atteints sans l'aide des cellules solaires en tandem cher. Le spectre solaire peut être divisé en différentes bandes et chaque bande peut être absorbée et convertie en électricité par des cellules solaires à jonction unique spécialisés. De cette façon, les cellules solaires tandem coûteux dans les systèmes de CPV peut être remplacée par une distribution parallèle d'une seule jonction cellule solaires sans aucun compromis sur la performance.

L'élément dispersif qui a été conçu dans ce rapport peut être appliqué dans un système de CPV réfléchissante (qui est basé sur des réflecteurs paraboliques), pour réaliser le partage du spectre parallèle pour l'amélioration de l'efficacité de conversion solaire-électrique et un coût réduit. Multicouches grilles de contraste élevé (hCG) ⁵ est utilisé comme élément dispersif en concevant chaque couche de HCG pour travailler comme une bande réflecteur optique. Les structures et les paramètres de l'élément dispersif sont numériquement optimisés. En outre, la fabrication de grilles de contraste élevé de l'élément dispersif à l'aide de diélectrique (TiO ₂₎ de pulvérisation, la lithographie par nanoimpression ⁶ et gravure ionique réactive est étudiée et démontrée.

1. Préparer le Polydimethylsiloxane Blank (PDMS) Substrat pour nanoimpression Mold

1. Processus Silicon traitement Wafer
   1. Nettoyer une tranche de silicium de 4 pouces par rinçage avec de l'acétone, le methanol et l'isopropanol.
   2. Soufflez sécher à l'aide du pistolet d'azote.
   3. Nettoyer à l'aide d'une solution de piranha (3: 1 de mélange de l'acide sulfurique avec 30% de peroxyde d'hydrogène) par trempage pendant 15 min à l'intérieur.
   4. Rincez avec de l'eau DI. Séchez à l'aide du pistolet d'azote.
   5. Placer la plaque dans un dessiccateur en verre. Ajouter une goutte (20 gouttes = 1 ml) d'agent (trichlorosilane) libérant dans le dessiccateur.
   6. Pomper le dessiccateur jusqu'à ce que la jauge indique -762 Torr et attendre pendant 5 heures.
   7. Prendre la galette, qui a été traitée avec un agent de libération.
2. Préparation de PDMS Film (Utilisé comme moisissure dans les nano-impression)
   1. Peser 10 g de silicone élastomère de base et 1 g d'agent de durcissement.
   2. Ajoutez-les dans le même récipient en verre.
   3. Stir et mélanger avec une baguette de verre pendant 5 minutes.
   4. Mettre le mélange dans un dessiccateur à vide jusqu'à ce que la jauge indique -762 Torr pour pomper toutes les bulles d'air piégées.
   5. Les répartir uniformément sur la plaquette de silicium de 4 pouces traitée.
   6. Faire cuire au four la plaquette sur le dessus de PDMS dans le four à vide pendant 7 heures à 80 ° C pour durcir le film de PDMS.

2. Préparer le moule nano-impression (reproduction de la moule principal)

1. Spin douze gouttes (20 gouttes = 1 ml) de UV curable résister (15,2%) sur une plaquette de silicium vierge propre pendant 30 secondes à 1500 tours par minute.
2. Retirer délicatement un morceau de film PDMS au large de la plaquette de silicium traité.
3. Mettez le film sur le PDMS UV curable résister et laisser absorber résister à l'UV pendant 5 min, puis l'éplucher au loin.
4. Répétez 2.1-2.3 sur le même film PDMS pour deux fois. Absorber résister à l'UV pendant 3 min et 1 min respectivement.
5. Placez le film PDMS (après UV trois fois résister à l'absorption) sur un moule maître de silicium.
6. Le mettre dans une chambre à environnement d'azote.
7. Allumer lampe UV pour durcir l'échantillon pendant 5 min.
8. Décoller le film de PDMS. Résistez à l'UV durci sur les PDMS gardera le modèle négatif du moule maître.
9. Utilisation RF plasma O ₂ pour traiter le moule PDMS. (Puissance RF: 30 W, pression: 260 mTorr, le temps: 1 min)
10. Placer le moule PDMS dans une chambre à vide avec une goutte (20 gouttes = 1 ml) d'agent de libération pendant 2 heures.

3. nanoimpression Motif Transfert

1. Spin huit gouttes (20 gouttes = 1 ml) de PMMA (996k, 3,1%) sur le substrat pour être imprimé pendant 50 sec à 3500 rpm.
2. Cuire sur une plaque chauffante pendant 5 min à 120 ° C.
3. Attendez que l'échantillon refroidir.
4. Spin huit gouttes (20 gouttes = 1 ml) de UV curable résistent (3,9%) sur le même substrat.
5. Placez le moule PDMS (préparé à l'étape 2) sur l'échantillon (à la fois avec UV résister et PMMA).
6. Le mettre dans une chambre à environnement d'azote.
7. Allumez la lampe UV pour durcir pendant 5 min.
8. Peel le moule PDMS hors de l'échantillon et le motif sur le moule PDMS est transféré à l'échantillon.

4. Cr procédé lift-off

1. Attaque ionique réactive de la couche résiduelle UV et résister PMMA
   Remarque: Le POS pour la machine ICP peut être trouvé à https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Se connecter la machine ICP RIE.
   2. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces. Exécutez la recette propre pour 10 min.
   3. Prenez la plaquette de silicium vierge sur.
   4. Monter l'échantillon sur une autre tranche de silicium propre et le charger dans la machine.
   5. Exécutez résister à l'UV recette gravure pendant 2 min (la recette peut être trouvé dans le tableau 1).
   6. Prenez l'échantillon hors. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces. Re-exécuter la recette propre (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 10 min.
   7. Monter l'échantillon sur une plaquette de silicium propreet la charger dans la machine.
   8. Exécutez la recette gravure PMMA (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 2 min.
      Note: Maintenant, le résiduel de resist a été gravée et le substrat est exposée.
2. Cr E-faisceau d'évaporation
   1. Connectez-vous à l'évaporateur à faisceau électronique.
   2. Chargez la source de métal Cr et échantillon dans la chambre.
   3. Réglez l'épaisseur (20 nm) et la vitesse de dépôt (0,03 nm / sec).
   4. Pomper la chambre jusqu'à ce que le vide nécessaire (10 ^-7 Torr) est atteint.
   5. Lancer le processus de dépôt.
   6. Prenez l'échantillon après les finitions de dépôt.
3. CR Soulevez-off Procédure
   1. Immerger l'échantillon dans de l'acétone avec agitation ultrasonique pendant 5 min.
   2. Nettoyer l'échantillon en rinçant avec de l'acétone, le methanol et l'isopropanol.
      Remarque: Le Cr évaporée sur le resist seront ramassées et un masque pour Cr substrat gravure est formé.

5. TiO ₂ Deposition

1. échantillon de charge.
2. Définissez les paramètres pour le courant la machine de pulvérisation magnétron directe
   1. Utilisez une pression de chambre de 1,5 mTorr, Ar débit de 100 sccm et une puissance de pulvérisation de 130 W.
   2. Utiliser une température de 27 ° C et une vitesse de rotation de phase de 20 tours par minute.
3. Lancer le processus de pulvérisation et arrêter à l'épaisseur souhaitée.
4. Prendre l'échantillon et à recuire le film de TiO ₂ dans un environnement d'oxygène à 300 ° C pendant 3 heures.

6. High Contrast caillebotis Gravure

1. Se connecter la machine plasma à couplage inductif (ICP) gravure ionique réactive (RIE).
2. Gravure de TiO ₂
   1. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces.
   2. Démarrer et exécuter la recette propre (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 10 min.
   3. Décharger charger la plaquette vierge et charger l'échantillon avec masque Cr.
   4. Réglez le temps de gravure. Lancer TiO ₂ gravure recette. Le processus de gravure volonté autoarrêter automatiquement.
   5. Décharger l'échantillon.
3. SiO ₂ Gravure
   1. Répétez l'étape 5.2, sauf utiliser la gravure recette SiO _2.

7. Réflexion mesure

1. Connectez-vous et mettez le système de mesure.
2. Placez le miroir étalon de réflexion sur le support d'échantillon et aligner le chemin optique.
3. Calibrer le système pour le 100% de réflectance.
4. Enlever le miroir étalon de réflexion et placer le HCG.
5. Mesurer la réflectance de la HCG.
6. Sauvegardez les données et se connecter sur le système de mesure.

La figure 1 illustre la mise en oeuvre de l'élément dispersif (grille multicouche à haute propriété de contraste (HCG)) dans un système photovoltaïque concentré. La lumière du soleil est réfléchie par le premier miroir primaire et empiète sur l'élément dispersif réfléchissant, où le faisceau est réfléchi et divisé en différentes bandes de longueurs d'onde différentes. Chaque groupe se empiéter sur un certain emplacement sur le réseau de cellules solaires pour la meilleure absorption et la conversion à l'électricité. La clé de ce système est la conception et la mise en oeuvre de l'élément dispersif, qui est composé de plusieurs couches de HCG.

La figure 2 montre le résultat de l'optimisation numérique pour chaque couche dans l'élément dispersif. Les résultats ont été calculés par la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) 7 sur la base d'un logiciel de simulation commerciale "Lumerical» et encore validé par une analyse rigoureuse ondes couplées (RCWA) 8. L'indice de réfractionde TiO 2 était de la base de données en ligne SOPRA 9. Les six couches optimisé élément dispersif peut fournir une réflexion totale de plus de 90% sur l'ensemble du spectre solaire 10,11.

Pour démontrer la réflectance à large bande de l'HCG expérimentalement, l'une des six couches dans la structure élément de HCG dispersion est fabriqué en utilisant nano-impression fabrication. Comme le montre la figure 3, chaque bloc de réseau se compose de deux parties. Le matériau de la grille supérieure est TiO 2 et le matériau de la grille est sous la silice fondue. Le pas de la 2D HCG est 453 nm. La largeur de chaque ligne de grille est de 220 nm. La hauteur des deux grille supérieure et sous est de 340 nm. Le matériau du substrat est le même que le réseau secondaire.

TiO 2 a été déposé sur la silice fondue au HP Labs en utilisant un courant machine à pulvérisation magnétron directe. La pression dans la chambre était de 1,5 mTorr avec un débit d'environ 100 sccm Ar. La puissance de la pulvérisation cathodiqueétait de 130 W et le taux était de 4 nm / min. Deux lots de TiO 2 films ont été pulvérisées à différentes températures, 27 ° C et 270 ° C respectivement. Pour assurer un dépôt même du film, la rotation de phase de substrat a été allumé (20 rpm) pendant la pulvérisation. Les deux lots de TiO 2 films ont été recuits à 300 ° C pendant 3 heures après la pulvérisation pour améliorer la qualité du film. Après dépôt, les deux lots de TiO 2 films ont été examinées en utilisant un microscope électronique à balayage (SEM) (figure 4). Les indices de réfraction du TiO 2 films ont également été mesurées (Figure 5). Les indices de réfraction mesurés étaient 10% plus bas que la base de données standard, parce que le film est poreux qui peut également être observé sur la figure 4. Une température de pulvérisation ultérieure pourrait augmenter l'indice de réfraction, mais la rugosité du film est beaucoup plus élevée. Pour atteindre un bon équilibre entre les indices de réfraction et le film rugosité, le film de TiO 2, qui a été Sputenregistrée à des 27 ° C a été choisi comme matériau de grille.

Les principales étapes de fabrication nano-impression sont schématiquement représentés sur la figure 6. En premier lieu, un moule avec certains modèles est pressée sur le durcissable aux UV résist sur ​​le substrat. Puis la lumière UV est appliquée pour traiter le résister. Après durcissement, le moule peut être séparé du substrat et la forme de résister est exactement le contraire du moule. Le motif imprimé peut être utilisé comme masque pour graver la résiduelle résister, dépôt métallique, décoller et enfin graver dans le substrat. De cette manière, la forme du moule est transféré dans le substrat.

Pour fabriquer 2D HCG, un moule est dupliqué à partir d'un maître réseau périodique 1D de silicium qui a été fabriqué par des interférences lithographie 12. Ensuite, le même moule est utilisé pour imprimer deux fois dans des directions orthogonales sur le même substrat de silicium à un motif de réseau de trous 2D (figure 7). La nano-impression hybride <sup> 13 processus peut faire des échantillons de grande surface avec haute résolution et petits défauts. Les résultats imprimés (2D réseau de trous de la matrice de silicium) est représenté dans la figure 8. La rugosité des bords peut être encore réduit à l'aide de pointe lissage technologies 14.

Après nanoimpression de motifs et Cr masque tableau est terminé, une machine ICP RIE est utilisé pour graver l'échantillon. Deux recettes de gravure différents ont été développés pour TiO 2 et la silice fondue, respectivement, qui est représenté dans le tableau 1. La structure est fabriquée illustrée à la figure 9.

La réflectance (à partir de l'incidence normale) de 2D HCG a été mesurée en utilisant deux spectromètres différentes avec différents types de détecteurs, le détecteur normale et le détecteur d'intégration de sphère. Contrairement à détecteur de l'intégration de la sphère, le détecteur normal a un angle relativement faible d'acceptation et donc ne recevra pas le l dispersésight. Comme le montre la Figure 10, la différence dans les courbes de réflectance mesurées par les deux détecteurs indique que la lumière est dispersée par le HCG raison de la structure rugosité. La différence entre la mesure de la sphère d'intégration et les données de simulation est principalement due à la perte d'erreurs de matériau et de fabrication. Les courbes de réflectance peuvent démontrer que l'appareil fabriqué peut fonctionner comme un réflecteur de bande comme une couche dans l'élément dispersif. En raison de la forte opposition de l'indice entre le réseau et le substrat, HCG a une bonne indépendance de l'angle. La courbe de réflectance sera pas beaucoup changé lorsque l'angle d'incidence est inférieur à 15 °.

Figure 1: La mise en œuvre de l'élément dispersif (multijoueur HCG) dans un système photovoltaïque à concentration (CPV).

Figure 3: La structure optimisée d'un HCG pour la démonstration de nano-impression fabrication.

Figure 4: Les images MEB (vue en coupe) de pulvérisées TiO 2 films à (a) 27 ° C et (b) 270 ° C. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grandeversion de ce chiffre.

Figure 5: Mesuré et de réfraction standard (base de données SOPRA) des indices de pulvérisées TiO 2 films.

Figure 6:. Procédé de fabrication de nano-impression S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7: L'image SEM de la 2D maître réseau de trous de silicium (top-down).

Figure 8: La photo de 2D maître de silicium de réseau de trous fabriqué par nano-impression à base de PDMS.

Figure 9: L'image SEM (de coupe) de la 2D HCG fabriqué.

Figure 10: Une courbe de réflectance simulé et deux courbes de réflectance mesurées en utilisant un détecteur d'intégration de la sphère et le détecteur normale respectivement.

Figure 11: (a) Effet de l'indice de réfractionHCG sur réflectance; (B) Effet de l'angle de paroi latérale sur HCG réflectance. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Tableau 1: Les recettes de gravure pour TiO 2, la silice fondue, UV résister, PMMA et propre.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.