Introduction
기술 분야의 광범위한 기능적 나노 구조물의 적용에 대한 수요가 오랫동안있어왔다. 이러한 추세에 대한 기대 중 하나는 개선이나 혁신 성과로 이어지는 장치 아키텍처의 새로운 디자인을 열 수 있습니다. 태양 전지의 분야에서는, 예를 들면, 금속 나노 구조의 사용은 적극적 인해 흥미로운 광 (즉, 플라즈몬) 특성, 유효 광 트래핑 시스템을 구축 한 잠재적 이로운의 탐구되었다. 2,3- 실제로, 이론적 연구 4 -6 이러한 플라즈몬 광 트래핑 태양 전지와 원하는 금속 나노 구조물을 통합 전략을 개발하고, 종래의 광선 광학 기 (텍스쳐)이 결과로 광 포획 한도. 7 기반 초과하는 효과를 얻을 수 있다는 제안이 실현하기 위해 갈수록 중요 해지고있다 이론적 인 예측.
전략의 숫자는이이 과제를 해결하기 위해 제안되었다. 8-24를 이들은 예컨대, 단순한 (저비용) 금속 막 8,9 또는 전 합성 된 금속 나노 입자 분산액의 열 어닐링을위한 10,11 둘 모두가 성공적으로 시연 귀착 포함 플라즈몬 빛 트래핑. 그러나, 이러한 방법에 의해 제조 된 금속 나노 구조는 일반적으로 이론적 모델과 일치하도록 도전 것을 지적한다. 대조적으로, 포토 리소그래피 및 전자빔 리소그래피와 같은 반도체 산업에서 전통적인 나노 기술을, 12, 13이 아니라 서브 100 나노 레벨 이하의 구조를 제어 할 수 있지만, 그들은 종종 너무 고가이다 태양 전지에 적용하는 데 시간이 걸리는, 여기서, 저가로 대 면적 능력이 필수적이다. 낮은 비용, 높은 처리량, 그리고 나노 제어와 대 면적 요건, 이러한 나노 임프린트 리소그래피, 소프트 리소그래피 14-16, 17, 18 등의 방법을 이행하기 위해서 19 ~ 21 홀 마스크 콜로이드 리소그래피 22-24 유망 할 것이다. 이러한 선택 중에서, 우리는 소프트 리소그래피, 고급 전사 인쇄 기술을 개발했다. 25 나노 폴리 (디메틸 실록산) (PDMS) 스탬프 및 블록 공중합 체계 접착제 층을 사용하여, 정렬 된 금속 나노 구조의 패터닝은 용이 기술적의 수를 달성 할 수 있었다 태양 전지에 대한 것들을 포함 관련 물질.
이 기사의 초점은 태양 전지 구조를 기존에 효과적인 빛 트래핑 플라즈 모닉 나노 구조를 통합하는 우리의 전사 인쇄 방식의 세부 절차를 설명하는 것입니다. 금속 및 태양 전지의 다른 유형이 방법과 호환 있지만 태양 전지는 본 연구에서 선별 하였다 (도 1), 26 : 예시적인 경우로서,의 Ag nanodisks 및 박막은 미결정 실리콘 (H μC-시)를 수소화. 함께 그 과정단순, 접근 방식은 장치와 기능 금속 나노 구조를 통합 할 수있는 편리한 도구 등 다양한 연구자들에게 관심이 될 것입니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
PDMS 스탬프 1. 준비
- 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 용기 : 나노 홀 금형 (50mm × 50mm nanoimprinted 시클로 올레핀 폴리머 플라스틱 필름, 크기)를 설정합니다.
- 및 2,4- (일회용 폴리 프로필렌 팁 디지털 마이크로 피펫을 사용하여, 6 μl를) 일회용 유리 병에 비닐 메틸 실록산 - 디메틸 실록산 공중 합체 (50mm × 50mm의 금형 0.76 g)을 달아 PT-디 비닐 테트라 메틸 디 실록산 복합체를 혼합, (일회용 폴리 프로필렌 팁 디지털 마이크로 피펫을 사용하여 24 μL) 6,8- 디 tetramethyltetra - vinylcyclotetrasiloxane.
- (0.24 ml의 일회용 폴리 프로필렌 팁 디지털 마이크로 피펫 사용) 메틸 하이드로 - 디메틸 실록산 공중 합체를 추가 유리 병을 신속 일회용 유리 피펫을 사용하여 섞는다. PTFE 용기에 설정된 몰드의 표면은 N (2)에 의해 취입 된 후, 몰드에 생성 된 혼합물 ( "하드"PDMS의 예비 중합체)을 부어 스핀 코트를 시작할40 초 동안 1,000 rpm에서 보내고 것은 ~ 40 μm의의 층 두께를 달성했다.
- 30 분 간단히 가교 하드 PDMS를하기 위해서는 65 ℃에서 예열 고온 챔버에서 스핀 코팅 샘플을 놓습니다.
- 가열하는 동안, 실리콘 (6 g)을 무게 일회용 유리 병에 촉매 (0.6 g)을 함께 섞는다. 진공 데시 케이 터에서 유리 병을 놓고 실리콘 혼합물 ( "소프트"PDMS의 예비 중합체)에 포집 된 공기를 제거하기 위해 15 분 동안 진공 (~ 133 파)를 적용한다.
- 각각 가열 챔버 진공 건조기에서 금형 및 부드러운 PDMS 예비 중합체를 꺼내, 빨리 가열 된 금형에 예비 소프트 PDMS를 붓는다. 소프트 PDMS 층의 두께는 2 ~ 3 mm이다.
- 적어도 1 시간 동안 ~ 133 펜실베니아 더 탈 다시 진공 건조기의 결과 샘플을 놓습니다.
- 상기 가열 챔버에 이동시켜 샘플을 탈기하고 80 ° C (~ 3 ℃ / min의 가열 속도)까지 서서히 가열 시작. 5 시간 동안이 온도를 유지하드와 소프트 PDMS 완전히 크로스 링크.
- RT까지 시료를 냉각 한 후, PDMS를 몰드로부터 조심스럽게 박리 스탬프. 필요한 경우, 제 (또는 그 이상)의 우표를 준비하는 몰드를 재사용. 참고 : 동일한 금형 스탬프 품질의 저하없이 5 배 이상을 사용할 수있다.
- 칼을 사용하여 원하는 크기의 조각 (우리의 태양 전지 일반적으로 7mm × 7mm)로 생성 된 나노 기둥 스탬프 (더블 레이어 소프트 / 하드 PDMS 복합) (27)를 잘라 사용할 때까지 공기 아래에 저장합니다.
블록 공중 합체 솔루션 2. 준비
- (B의 PS- -P2VP / O 크실렌) 유리 병에 폴리스타이렌 블록 - 폴리 -2- 비닐 피리딘 (PS- B 형 -P2VP)의 분말을 달아 3 ㎎ / ㎖의 비율로 오 크실렌과 섞어 .
- 1 시간 동안 70 ° C에서 PTFE 코팅 된 자석 교반 막대를 사용하여 혼합물을 교반 하였다.
- 교반없이 실온에서 이상 24 시간 동안 생성 된 용액을 계속링은 자기 조립 미셀의 형성을 완료합니다. 단단히 솔루션을 밀봉 및 주위 조건에서 보관합니다. 참고 :이 솔루션의 품질도 일년 준비 후 변경되지 않습니다.
μ - 네 3. 준비 : H 기질
- F (나타내고 유리 /에 SnO2 : F, 이하) 워시 안경의 SnO2 덮여 초음파 욕을 사용하여 실온에서 H 2 O (500 mL)로, 세제 (500 ㎖) 및 H 2 O (500 ml) 중 (15 각 분). N 2를 불어를 건조.
- 세정 된 유리를로드 / SnO2와 기판 홀더 및 예금의 ZnO 기판에서 F : 가인 (20 ㎚), 표 2에 명시된 조건을 가진 직류 (DC) 스퍼터링 시스템을 사용.
- 유리를로드 / 산화 주석 2 : F / ZnO의 : 플라즈마 화학을 사용하여 시간 P (10 ㎚), I (500 ㎚), n은 (40 ㎚) 층 : 다른 기판 홀더 및 예금 μ - 네에서 조지아 기판 VAPOR 증착 표 2에 명시된 조건 (PECVD) 시스템.
- 결과 μ - 네 보관 : H를 (유리 / 산화 주석 2 : F / ZnO의 : 조지아 / μ - 네 : H의 P - I - n)은 전사 인쇄 단계까지 진공 또는 N (2)에서 기판.
PDMS 스탬프의 4 AG-코팅
- N 2를 불어 EtOH로 (1 단계에서 준비) PDMS 스탬프 (30 ml)을 15 분 동안 초음파 목욕을 사용하여 건조를 씻으십시오.
- 증착 률 = 50-10 Å / 초, 압력 : 전자선 다음 조건 (EB) 증착 시스템을 사용의 Ag 막 (10 ~ 80 nm의)을 양면 접착 테이프를 사용하여 샘플 홀더에 세정 PDMS 스탬프를 넣고 석출 = ~ 1.5 × 10 -4 아빠.
- EB 증발 시스템에서의 Ag 코팅 된 우표를 가지고 다음과 같은 전사 인쇄 단계에서 즉시 사용합니다.
얇은 -에의 Ag Nanodisks 5. 전송 인쇄필름 실리콘 표면
- 5,000 (일회용 폴리 프로필렌 팁 디지털 마이크로 피펫을 사용하여, 50mm × 50mm의 샘플 0.3 ㎖)시는 PS- B 형 -P2VP 솔루션을 진공 또는 N 2, 스핀 코트에 저장, 기판들은 박막을 꺼내 40 초 동안 회전.
- EtOH로는 디지털 마이크로 피펫 (5 μm의 / 셀 면적)을 사용하여 함께 PS- B 형 -P2VP 코팅 표면을 적시고 AG-PDMS 코팅이 EtOH를 습윤면에 적용 부드럽게 스탬프. 스탬프를 누르지 마십시오.
- 진공 챔버 내에서 스탬프 박막 Si 기판을 넣고 적용 진공 (~ 133 PA).
- 5 분 후, 공기를 진공 챔버를 채우고 박막 Si 기판을 꺼내.
- 의 Ag nanodisks 인쇄를 전송하는 핀셋으로 스탬프의 양쪽을 잡고 박막 Si 기판에서 스탬프를 제거합니다. 참고 : 성공하면, 스탬핑의 추적이 녹색 지점으로 볼 수 있습니다.
- 잇의 연속적인 흐름으로 전사 인쇄 박막 Si 기판 린스OH N 2 부는 15 초 (~ 30 ㎖) 및 건조합니다.
- Ar 플라즈마 시스템을 이용하여 PS-B-P2VP 코팅을 제거한다.
- Ar 플라즈마 시스템의 처리 챔버에서 전사 인쇄 박막 Si 기판을 배치했다.
- ~ 5 분 (압력 20 ~ PA)에 대한 프로세스 챔버에 공기를 펌프.
- Ar 가스 라인의 밸브를 열고 수동 4 SCCM까지의 유량을 조정한다. (40) 아빠에 압력을 안정시키기 위해 5 ~에 대한 분을 기다립니다.
- 108 초 동안 Ar 플라즈마를 생성한다.
- 플라즈마 세정, 전사 인쇄 박막의 Si 기판을 취출 처리 챔버에 공기를, Ar 가스 라인의 밸브를 닫고 펌프 중지 채운다.
박막 Si 태양 전지 제조 6. 완료
- Si를 폴리이 미드 테이프를 이용하여 Ar 플라즈마 처리 후의 기판들 전사 인쇄 박막에 금속 마스크를 부착.
- DC 스퍼터링 시스템 및 deposi의 기판 홀더에 기판을 마스킹로드t의 ZnO : 조지아 (100 ㎚), AG (250 ㎚), 및 ZnO의 : 가인 표 2에 명시된 조건 (40 ㎚)을 순차적.
- 기판으로부터 금속 마스크를 분리하고 마스크 박막의 Si 층을 제거 (즉, 영역의 ZnO : Ga 및의 Ag가 증착되지 않은) 반응성 이온 에칭 (RIE)을 이용하여 시스템.
- RIE 시스템의 처리 챔버에서 샘플을 놓는다.
- 제조업체의 지침에 따라 공정 챔버에서 공기를 펌프.
- SF 6 / O 2 유량 = 20분의 100 SCCM, 압력 = 20 (PA) 전력 100 W, 시간 = 20 초 1 분 : 제조업체의 지시에 따라 다음과 같은 공정 조건을 설정한다.
- , SF 6 및 O 2 가스 라인을 열고 압력을 안정화하고, 플라즈마를 생성합니다.
- 샘플을 꺼내 공정 챔버로 N 2, SF 6 및 O 2 가스 라인의 밸브를 닫습니다 펌핑 중지하고 입력합니다.
- 넣어진공 열처리 챔버의 샘플 및 진공 (~ 133 PA)에서 175 ° C까지 서서히 가열 시작합니다. 2 시간 동안이 온도를 유지 한 다음 실온으로 냉각 할 수 있습니다. 챔버에 공기를 채우고 이제 세포를 호출 할 수있는 샘플을 꺼내.
- 전면 투명 전극 상에 땜납의 Sn-Zn 계 합금 (유리 /에 SnO2 : F / 된 ZnO : 조지아, RIE 처리에 의해 노출 된 부분) 초음파 납땜 장치를 사용.
외부 양자 효율 7. 측정 (EQE)
- 폴리이 미드 테이프를 이용하여 제작 한 전지에 차광 마스크를 부착하고 셀 홀더 마스크 셀을 설정한다. (-) 조지아 전극 : 다시 전면 납땜 전극 (+)과의 Ag / ZnO의에 프로브를 연결합니다.
- 파장 범위에 각각 300-1,100, 5㎚의 단계로 제조사의 지침에 따라 EQE 측정 시스템을 사용 EQE 스펙트럼을 측정한다.
태양 광 전류 - 전압 (JV) 8. 측정 문자istics
- 비정질 실리콘 레퍼런스 셀을 사용 JV 특성 측정 시스템의 광 강도를 보정.
- JV 특성 측정 시스템의 셀 홀더에 비정질 실리콘 기준 셀을 설정하고, 빛을 밝히는.
- JV 특성 측정 시스템에 장착 된 디지털 멀티 미터를 사용하여 photogenerated 전류를 읽어보십시오. photogenerated 전류가 기준 셀 (8.34 mA / ㎠)에 대한 올바른 값이 표시 될 때까지 빛의 강도를 조절합니다.
- 셀 차광 마스크를 부착하고 셀 홀더 마스크 셀 세트. (-) 조지아 전극 : 다시 전면 납땜 전극 (+)과의 Ag / ZnO의에 프로브를 연결합니다.
- 셀 교정 라이트 (100 mW의 / cm 2, 1 일)을 조명하고 V. 0.02의 승압하여 제조사의 지침에 따라 JV 특성 측정 시스템을 이용하여 전류를 측정 photogenerated
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
H (N 층) :도 2는 μC-Si를 표면의 Ag nanodisks의 전사 인쇄를위한 일반적인 방법을 설명합니다. 간략하게,의 Ag 막 (두께 : 10 ~ 80 nm의)은 제 전자빔 증착법에 의해 나노 기둥 PDMS 스탬프의 표면 상에 증착된다. H의 N 층 : 평행, PS- B 형 -P2VP 용액을 새로 제조 μC-Si를 표면 상에 스핀 코팅된다. 이어서,의 EtOH 액 PS- B 형 -P2VP 코팅 표면 상에 배치되고, AG-증착 PDMS 스탬프를 EtOH 습식 PS- B 형 -P2VP 표면 상에 배치된다. 스탬프와 기판 사이의 친밀한 접촉이 자연의 EtOH의 증발에서 파생 된 표면 장력으로 인해 형성하기 때문에 눌러 아니오, 우표에 필요하지 않습니다. EtOH를가 (감압 사용) 떨어져 증발 후, 스탬프가 나노 기둥 PDMS 스탬프의 융 기부에 증착의 Ag의 전송을 완료하기 위해 기판으로부터 방출된다. 최종적으로,아르곤 플라즈마 처리 PS- B 형 -P2VP 코팅을 제거한다.
상단은 H 표면 (세포) (26) 그림 3a 및도 3b하고 동일한 샘플의 전망을 기울 :. μC-시 (에서)의 결과의 Ag nanodisk 배열의 전자 현미경 (SEM) 이미지를 스캔 그림 3. 루트는 평방 거칠기 기본 μC-Si를 (R의 RMS) 의미 : H 표면이 6.6 nm였다을; 그럼에도 불구하고, 직경의 Ag nanodisks, 중심 대 중심 거리와의 Ag nanodisks의 두께의 거의 완전한 전송이 200, 460, 내지 40nm이었다 각각 얻을 수 있었다.도 3c는의 단면도 μC-완료시 : H 셀 구조, 즉,이 ZnO 증착 (스퍼터링) 한 후 : 조지아 / 자세 / ZnO의 :도 3a 및도 3b에 도시의 Ag nanodisk 어레이 위에 조지아 층. 태양 광 μC-시에 내장의 Ag nanodisks 오른쪽 : H
제조 된 세포의 EQE 스펙트럼은도 4에 도시되어있다 (26) 기준 셀에 비해 (μC-시 : 전사 인쇄 처리를 스킵과 동시에 제조 H 셀). 상기의 Ag nanodisk의 EQE 스펙트럼 (두께 : 40 ㎚) 혼입 셀 긴 파장 범위 (650-1,100 ㎚)에 높은 신호를 보여 주었다. 이러한 파장 선택성 향상은 명확하게 태양 전지에 대한 plasmonically 활동의 Ag nanodisks의 우선적 인 효과를 표시; 즉, 플라즈몬 빛 트래핑. 도 3에서 관찰 650-1,100 nm의 범위에서 빛을 포착 정도의 정량은 각각의 셀의 EQE 값을 합산하고 그 비율은 (Ag의 nanodisk-혼입 셀 / 레퍼런스 셀)를 취함으로써 수행 하였다. 값은 1.60이었다; 따라서, 60 % EQE 증가의 Ag nanodisk 매개 플라즈몬 광 트래핑함으로써 달성 하였다.
ENT "> 표 1의 Ag nanodisk-혼입 및 참조 셀의 광전 변환 특성을 요약 한 것이다. (26)가 예상대로 그것은의 Ag nanodisk-혼입 셀의 단락 전류 밀도 (J의 SC)가에 비해 증가 된 것으로, 확인되었다 레퍼런스 셀 인해 개방 전압 (V OC는)에 관해서. 상술 EQE 향상의 (11.4-12.4 mA / cm 2) 및 인자 (FF)를 채우기, 두 셀의 것과 거의 동일 (V OC는이었다 ~ 0.52 V, FF :. ~ 0.76) 결과적으로, 개선의 Ag-nanodisk 혼입 셀의 광 변환 효율 (η) (5.0 %, 4.5 %).
그림 1.의 Ag nanodisk - 통합 μC-시의 개략적 인 단면도 :. H 태양 전지 : H 태양 전지의 Ag nanodisks는 μC-Si를 뒤쪽에서 찾습니다.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 의 Ag Nanodisks. AG-코팅 된 나노 기둥 PDMS 스탬프의 전송 인쇄를위한 일반 절차는 표면이 EtOH로 젖어 PS- B 형 -P2VP 코팅 박막 Si 기판 상에 적용된다. Ar 플라즈마 처리는 PS-B-P2VP 코팅을 제거하고, 박막 Si 층을 노출시키기 위해인가된다. 이 과정 후, ZnO의 : 조지아 / 자세 / ZnO의는 : 조지아 층은 그림 1과 같이 전체 태양 전지 구조를 완료하기 위해 전사 인쇄의 Ag nanodisks의 상단에 부착 할 필요가있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
. H 표면 : 전사 인쇄의 Ag Nanodisks (직경 = 200 나노 미터, 40 = 두께 ㎚) (A) μC-시에 전사 인쇄의 Ag nanodisks의 상위 뷰 그림 3. SEM 이미지. (B) μC-시에 전사 인쇄의 Ag nanodisks의 기울어 진보기 : H면. (C) 횡단면 전사 인쇄의 Ag nanodisks의보기 (크기 : 200 ㎚) μC-시에 포함 :. H 셀 (26) 저작권 2014 응용 물리 학회. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
μC - 네 그림 4. EQE 스펙트럼 :. H 세포 (블루 라인)의 Ag nanodisk (ND)의 셀을 -incorporated. (빨간 점선)참조 셀. 26 향상된 응답은 파란색 선이의 Ag ND 매개 빛 트래핑 때문에 관찰되었다. 이 수치는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 26. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
H 세포 : μC-시의 태양 광 합작 특성 표 1. 요약.
| 셀 유형 | J 사우스 캐롤라이나 (mA / ㎠) | V OC는 (V) | FF | η (%) |
| 의 Ag nanodisk-통합 | 12.4 | 0.526 | 0.764 | (5) |
| 참고 | 11.4 | 0.521 | 0.763 | 4.5 |
표 2 증착 조건.
| 단계 | 증착 시스템 | 재료 | 조건 |
| 3.2 | 스퍼터링 | ZnO의 : 조지아 | AR 레이트 = 200 sccm으로, 압력 = 0.133 흐름 펜실베이니아 DC 전력 = 200 W, 샘플 = 10 rpm으로 회전, 증착 속도 = ~ 3.3 Å / 초. |
| 3.3 | CVD | μC - 네 : H P는 | 의 SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3.5 / 2분의 450 SCCM, 기판 온도 = 유속 140 ℃, 압력 = 1.5 Torr의 무선 주파수 (RF) 전력 밀도 = 80 mW의 / cm 2, 증착 시간 = 5 분 45 초 (속도 = ~ 0.3 A / 초). |
| μC -시 : 시간 전 | 의 SiH 4 / H 2 = 10.5 / 380 SCCM, 기판 온도 = 180 ℃, 압력 = 200 (PA) RF 파워 밀도 = 40 mW의 / cm 2, 증착 시간 = 1 시간 2 분 (비율 유속 = ~ 1.3 Å / 초). | ||
| μC - 네 : H 없음 | 의 SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 SCCM, 기판 온도 = 195 ℃, 압력 = 40 펜실베이니아 RF 파워 밀도 = 80 mW의 / cm 2, 증착 시간 = 23 분 (비율 유속 = ~ 0.3 A / 초). | ||
| 6.2 | 스퍼터링 | ZnO의 : 조지아 | 아르곤 유속 = 200 sccm으로, 압력 = 0.133 파, DC 전력 = 200 W, 샘플 = 10 rpm으로 회전, 증착 속도 = ~ 3.3 Å / 초. |
| AG | ; "> 아르곤 유속 = 200 sccm으로, 압력 = 0.133 파, DC 전력 = 100 W, 샘플 = 10 rpm으로 회전, 증착 속도 = ~ 6 Å / 초.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
이 글에서, 2 층 하드 / 소프트 PDMS 복합은 스탬프 재료로 사용 하였다. (27)이 조합은 정확하게 직경 육각형 근접 포장 둥근 구멍의 배열이었다 금형에 부모 나노 구조를 복제하는 데 필수적인 것으로 밝혀졌다 230 나노 미터, 500 나노 미터의 깊이, 및 460 nm의 홀 중심 간 간격. 전용 소프트 PDMS 사용한 경우, 스탬프는 항상 제대로 나노 구조 표면의 결과 (예를 들어, 역전 필러 구조 없음 날카로운 에지) 때문에 낮은 영률을 28 그러므로의 Ag nanodisks의 전사 인쇄 결코 달성했다.
스핀 코팅 블록 공중 합체 (PS-B 형 -P2VP) 결합 층으로 박막의 사용은 μC-시에 성공적으로 전사 인쇄를위한 또 다른 열쇠이다 : (R의 RMS = ~ 6.6 nm의)를 원활하게되지 않는 H 표면. 금속 구조물의 전송 인쇄는 원래 작은 유기 분자 WHI을 사용하여 개발되었지만H 표면 : CH 우리가 SAM을 (3- 머 캅토)의 사용이 (약간) 질감 μC-시 작동하지 않는 것으로 확인 (29), 표면에 자기 조립 단일 층 (샘스)을 형성한다. 또한, 좋은 품질 SAM을 형성 시간 (~ 몇 시간이) 우리의 과정은 1 분 (스핀 코팅하여 40 초)보다 필요한 시간이 걸립니다. 이 점은 초과 산화물 또는 오염의 형성으로 불리한면 이벤트를 피하기 위해 빠른 작업이 필요 물질에 대한 중요 할 수 있습니다.
전사 인쇄에 EtOH로의 역할도 강조되어야한다. 제 역할은 이미 증발시의 표면 장력을 이용하여 도장하고 타겟 표면 사이의 긴밀한 접촉의 형성을 돕기 위해, 설명한대로이다. 두 번째 역할은 금속 - 피리딘 배위 결합의 형성을 통해 PDMS 스탬프에 금속은 (Ag)의 촬영을 보장 PS- B 형 -P2VP 박막을 재구성하는 것입니다. (25) 우리는 그 s의 생각스탬프 / 기판 계면에서의 UCH 동적 이벤트는 특히 표면 질감에 전사 인쇄를 위해 필수적이다.
상기 절차에 의해 전사 인쇄가 실패한 경우, 그 이유는 사용되는 스탬프의 대부분이었다. 스탬프와 기판 사이의 균일 한 접촉이 매우 중요하기 때문에, 스탬프 표면의 평탄도는 매우 중요하다. 평탄성은 원형 금형의 상태에 의해 결정된다; 전사 인쇄가 실패하면, 따라서, 상기 몰드를 변화시키기위한 시간이 될 것이다. 경험에 의하면, 몰드를 재사용 할 수있는 횟수는 다섯이지만 적절한 세정 및 몰드의 저장함으로써 증가 될 것이다. 스탬프의 평탄도 균일하게 전사 인쇄 될 수있는 영역에 상당한 영향을 미칠 것이다. 이 안부에서, 우리는 새로운 금형으로부터 제조 스탬프 20mm × 20 mm의 크기의 패턴을 증명하고있다. (25)
주형 / 스탬프의 패턴 디자인에 관해서,사용 하였다 200분의 230 nm의 직경을 가진 원형 홀 / 기둥 구조 (기둥의 작은 직경으로 인해 원래의 구멍의 테이퍼 형상이다). 이러한 몰드 (nanoimprinted 플라스틱 필름)가 시판 때문에 이러한 선택은 단순히이며, 우리의 태양 전지에 응용 한 특별히 제조하지 않았다. 이는 다시 여기에 표시된 결과에 비해 훨씬 우수한 빛 트래핑 능력으로 이어질 것이다 패턴 디자인의 여지가 있음을 의미한다. 이러한 점에서, 광학 시뮬레이션의 사용은 더 나은 패턴을 검색하는 것이 도움이 될 것이다. (아마도 전자 빔 리소그래피) 실제 금형 제작 한번 제조, 비용이 많이들 수 있지만 필요에 따라, 대응 스탬프 여러 번 복제 될 수있다. 따라서, 전체 공정의 비용이 크게 전사 인쇄 방법의 큰 장점 인, 억제 할 수있다.
공정으로 금속 전사 인쇄의 측면에서 그녀를 설명즉, 금, 구리, 및 Ni 적용 가능한 것이 확인되었다. 이들 금속 중에의 Ag의 경우에 비해 더 나은 광 포획 효과를 제공하지 것을 언급한다. 시험 또 다른 금속 플라즈몬 빛 트래핑 응용 프로그램에 대한 좋은 후보. 그것은 발견 (30)로 간주됩니다 알이었다, 그러나 알의 전사 인쇄가 가능 인해 PDMS와 강한 친화력에 성공하지 못합니다. 따라서, PDMS의 변형이 31 PDMS 사이의 상호 작용을 감소시킴으로써 전사 인쇄를 용이하게하기 위해 요구와 Al을 표면에 증착 될 수있다.
다른 μC-시보다 :. H, 방법은 매우 거친 (텍스처)의 표면을 포함한 다양한 물질, (R RMS ≥ 20 ㎚) 25 사실, 우리는 이전에 상승 텍스쳐의 가능성을 다루었 / plasmon-으로 사용될 수있다 / SnO2와 질감이 유리로 세포를 제조하여 빛을 트래핑을 매개 :. F 기판을 또한 17, 유사한 빛 트래핑 EFFECT는 수소화 된 비정질 실리콘 셀을 이용하여 설명하고있다. 이러한 결정 성 실리콘, 갈륨 비소, InP를하고, 금속 산화물 등 (32)의 다른 기술적으로 중요한 물질을 또한 것 (아니라 태양 전지)의 방법에 대응하고, 따라서 상기 장치 애플리케이션 아르 예상.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nanohole mold | Scivax | FLH230/500-120 | |
| PTFE container | Eishin | n/a | Custom made |
| Hard-PDMS materials | |||
| Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | VDT-731 | |
| Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex | Gelest | SIP6831.1 | |
| Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | HMS-301 | |
| 2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane | Sigma-Aldrich | 396281 | Additive for hard-PDMS |
| Soft-PDMS materials | Dow Corning | Sylgard-184 | Silicone precursor |
| PS-b-P2VP | Polymer Source | P5742-S2VP | Mn × 103 = 133-b-132 |
| Glass/SnO2:F substrates | Asahi Glass Co. Ltd. | Type VU | Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces |
| Detergent | Fruuchi Chemical Co. http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm |
Semico-clean 56 | Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates |
| ZnO:Ga supputtering target | AGC Ceramics Co. Ltd. | 5.7GZO | |
| Ag supputtering target | Mitsubishi Materials Co. | 4NAg | |
| Double-sided adhesive tape | Nisshin EM Co. | 732 | |
| Polyimide tape | Dupont | Kapton 650S#25 | |
| Sn-Zn-based Solder | Kuroda Techno Co., Ltd. | Cerasolzer AL-200 | |
| Digital micro pipette | Nichiryo | 00-NPX2-20 00-NPX2-200 00-NPX2-1000 |
|
| Heating chamber | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | VOS-201SD | |
| Electron beam evaporator | Canon-Anelva | n/a | Custom made |
| Electron beam evaporator | Arios | n/a | Custom made |
| Sputtering system | Ulvac | SBR-2306 | |
| PECVD system | Shimadzu Emit Co. Ltd. | SLCM-13 | |
| Ar plasma system | Diner Electric Gmbh | Femto | |
| RIE system | Samco Inc. | RIE-10NR | |
| Ultrasonic soldering device | Colby-Eishin Enterprises, Inc. | SUNBONDER | |
| EQE measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | CEP-25BXS | |
| J-V characteristics measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | OTENTOSUN-5S-I/V | |
| Amorphous Si reference cell | Bunkoukeiki Co. Ltd. | WPVS-NPB-S1 | For light intensity calibration |
| Digital multi-meter | Keithley Instruments Inc. | 2400 | |
References
- Murray, W. A., Barns, W. L.
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
- Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
- Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
- Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
- Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
- Yablonovitch, E.
- Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
- Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
- Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
- Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
- Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
- Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
- Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J.
- Na, S. -I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
- Xia, Y., Whitesides, G. M.
- Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
- Hsu, C. -M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
- Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
- Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
- Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
- Fredriksson, H., et al.
- Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
- Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
- Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
- Loo, Y. -L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
- Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
- Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).
