הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

המצאה של Gratings ניגודיות הגבוה לפיצול הספקטרום Dispersive האלמנט במערכת פוטוולטאית מרוכזת

10.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/52913

⸱

18 ביולי 2015

 ,  , 
1Department of Electrical Engineering, University of Sothern California

במאמר זה

סיכום

מודגם ייצור סורגים בעלי ניגודיות גבוהה כאלמנט מפזר הספקטרום המקביל במערכת פוטו-וולטאית מרוכזת. מתוארים תהליכי ייצור הכוללים ליתוגרפיה של ננו-טביעה, התזת TiO2 ותחריט יונים תגובתי. תוצאות מדידת השתקפות משמשות לאפיון הביצועים האופטיים.

תקציר

סורגים בעלי ניגודיות גבוהה מתוכננים ומיוצרים ויישומם מוצע באלמנט פיזור מפצל ספקטרום מקביל שיכול לשפר את יעילות ההמרה הסולארית של מערכת פוטו-וולטאית מרוכזת. המערכת המוצעת גם תוריד את עלות התאים הסולאריים במערכת הפוטו-וולטאית המרוכזת על ידי החלפת התאים הסולאריים הטנדם היקרים בתאים סולאריים חד-צומתיים חסכוניים. המבנים והפרמטרים של סורגי ניגודיות גבוהה עבור האלמנטים המפזרים עברו אופטימיזציה מספרית. ייצור שטח גדול של סורגים בעלי ניגודיות גבוהה הודגם בניסוי באמצעות ליתוגרפיה ננו-טביעת ותחריט יבש. איכות חומר הסורג וביצועי המכשיר המיוצר אופיינו שניהם בניסוי. על ידי ניתוח תוצאות המדידה, נדונות תופעות הלוואי האפשריות מתהליכי הייצור ומוצעות מספר שיטות בעלות פוטנציאל לשפר את תהליכי הייצור, שיכולות לעזור להגביר את היעילות האופטית של המכשירים המיוצרים.

מבוא

החברה המודרנית שלנו לא תשרוד בלי לזוז חלק משמעותי של צריכת אנרגיה למקורות אנרגיה מתחדשים. כדי שזה יקרה, אנחנו צריכים למצוא דרך לקצור אנרגיה מתחדשת בעלות נמוכה יותר מאשר מקורות אנרגיה מבוסס נפט בעתיד הקרוב. אנרגיה סולארית היא האנרגיה מתחדשת הנפוצה ביותר על פני כדור הארץ. למרות שהרבה התקדמות נעשה בקצירת אנרגיה סולארית, זה עדיין מאוד מאתגר להתחרות עם מקורות אנרגיה מבוסס נפט. שיפור היעילות של תאים סולריים הוא אחת הדרכים היעילה ביותר להפחית את עלות המערכת של קצירת אנרגיה סולארית.

עדשות אופטיות ומחזירי מנה משמשים בדרך כלל בפוטו המרוכז רוב המערכות (CPV) 1 כדי להשיג ריכוז גבוה של כוח שכיחות שמש בתאים הסולריים הקטן באזור, כך שזה מבחינה כלכלית לנצל תאים סולריים רב-צומת בד בבד יקר 2 ב מערכות CPV, וכדי לשמור על סבירהתעלה באותו הזמן. עם זאת, עבור רוב מערכות פוטו הלא מרוכזות, אשר בדרך כלל דורשות תשלום שטח גדול של תאים סולריים, לא יכולים להיות משולבים התאים הסולריים טנדם העלות גבוהה, למרות שיש להם בדרך כלל תגובה רחבה יותר שמש ספקטרום ויעילות המרה כוללת גבוהה מ תאים סולריים צומת יחידה 3.

לאחרונה, עם העזרה של אופטיקה פיצול ספקטרום המקבילה (כלומר אלמנט נפיצה), בטכנולוגית פוטו פיצול ספקטרום המקבילה 4 הפכה זה אפשרי כי כיסוי ספקטרום דומה או טוב יותר ויעילות המרה ניתן להשיג ללא שימוש בתאים סולריים טנדם היקר. ספקטרום השמש ניתן לפצל להקות שונות וכל להקה יכולה להיספג ומרת חשמל על ידי התאים הסולריים יחידה צומת המיוחדות. בדרך זו, ניתן להחליף התאים הסולריים טנדם היקר במערכות CPV ידי הפצה מקבילה של תאים סולריים חד-צומתים ללא כל פשרה בביצועים.

האלמנט נפיצה שתוכנן בדוח זה יכול להיות מיושם במערכת CPV רעיוני (המבוסס על מחזירי מנה) לממש את פיצול ספקטרום מקביל להתייעלות שמש-חשמל ההמרה ועלות מופחתת. שבכות רב שכבתי ניגודיות גבוהה (HCG) 5 משמשת כאלמנט נפיצה על ידי עיצוב כל שכבה של HCG לעבוד כרפלקטור להקה אופטי. המבנים והפרמטרים של האלמנט נפיצה מותאמים מבחינה מספרית. יתר על כן, הייצור של שבכות ניגודיות גבוהות לאלמנט נפיצה באמצעות דיאלקטרי (Tio 2) המקרטעת, ליתוגרפיה nanoimprint 6 ותחריט יון תגובתי הוא למד והפגין.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

מצע (PDMS) 1. מכין את polydimethylsiloxane בלנק לעובש Nanoimprint

  1. תהליך סיליקון ופל הטיפול
    1. נקה פרוסות סיליקון 4 אינץ 'על ידי שטיפה עם אצטון, מתנול וisopropanol.
    2. לייבשו באמצעות אקדח החנקן.
    3. נקה אותו באמצעות פתרון פיראניה (3: 1 תערובת של חומצה גופרתית עם 30% מי חמצן) על ידי השרייה בתוך 15 דקות.
    4. לשטוף אותו עם מים די. מכה יבשה באמצעות אקדח החנקן.
    5. מניחים את פרוסות בייבוש זכוכית. הוסף טיפה (20 טיפות = 1 מיליליטר) של שחרור סוכן (trichlorosilane) לייבוש.
    6. לשאוב את הייבוש עד מד קורא -762 Torr ולחכות 5 שעות.
    7. קח הרקיק החוצה, אשר טופל עם שחרור סוכן.
  2. הכנת PDMS הסרט (משמש כעובש בNanoimprint)
    1. שוקל 10 גרם של בסיס אלסטומר סיליקון ו1 גרם של סוכן ריפוי.
    2. הוסף אותם באותה כוס זכוכית.
    3. Stir ולערבב עם מוט זכוכית במשך 5 דקות.
    4. מכניס את התערובת לייבוש ואקום עד מד קורא -762 Torr לשאוב את כל בועות האוויר שנלכדו.
    5. מורחים אותם באופן שווה על גבי פרוסות סיליקון 4 אינץ 'שטופלו.
    6. אופים את פרוסות עם PDMS על גבי בתנור הוואקום במשך 7 שעות על 80 מעלות צלזיוס כדי לרפא את סרט PDMS.

2. מכין את עובש Nanoimprint (שכפול מעובש האב)

  1. ספין עשר טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של UV לריפוי להתנגד (15.2%) על פרוסות סיליקון ריקות נקיות למשך 30 שניות ב 1500 סל"ד.
  2. זהירות לקלף פיסת סרט PDMS את פרוסות סיליקון טופלו.
  3. שים את סרט PDMS על UV לריפוי להתנגד ולתת לו לספוג UV להתנגד במשך 5 דקות לאחר מכן לקלף אותו.
  4. חזור על 2.1-2.3 באותו סרט PDMS לשתי פעמים. ספוג UV להתנגד במשך 3 דקות ודקות 1 בהתאמה.
  5. מניחים את סרט PDMS (לאחר UV שלוש הפעמים להתנגד קליטה) על עובש אב סיליקון.
  6. הכניס אותו לתוך תא עם סביבת חנקן.
  7. הפעל מנורת UV לרפא המדגם במשך 5 דקות.
  8. לקלף את סרט PDMS. UV נרפא להתנגד בPDMS ישמור הדפוס השלילי של עובש האב.
  9. השימוש RF O 2 פלזמה לטיפול בעובש PDMS. (כוח RF: 30 וואט, לחץ: 260 mTorr, זמן: 1 דקות)
  10. מניחים את תבנית PDMS בתא ואקום עם טיפה אחת (20 טיפות = 1 מיליליטר) של שחרור סוכן עבור שעה 2.

3. העברת תבנית Nanoimprint

  1. ספין שמונה טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של PMMA (996K, 3.1%) על המצע להיות מוטבע עבור 50 שניות ב 3500 סל"ד.
  2. לאפות אותו על פלטה חמה למשך 5 דקות ב 120 מעלות צלזיוס.
  3. חכה המדגם להתקרר.
  4. ספין שמונה טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של UV לריפוי להתנגד (3.9%) באותו המצע.
  5. מניחים את תבנית PDMS (מוכן בשלב 2) על המדגם (עם שני UV להתנגד וPMMA).
  6. הכניס אותו לתוך תא עם סביבת חנקן.
  7. הפעל את מנורת UV לרפא במשך 5 דקות.
  8. פיל עובש PDMS את המדגם ואת התבנית על תבנית PDMS מועבר למדגם.

4. תהליך המראת Cr

  1. יון תגובת תחריט שכבת שייר של UV להתנגד וPMMA
    הערה: ניתן למצוא SOP לICP מכונה בhttps://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
    1. התחבר RIE ICP מכונה.
    2. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות. הפעל את המתכון הנקי במשך 10 דקות.
    3. קח את פרוסות סיליקון ריקות החוצה.
    4. הר המדגם על עוד פרוסות סיליקון נקיות ולטעון אותו לתוך המכונה.
    5. הפעל את UV להתנגד מתכון תחריט למשך 2 דקות (ניתן למצוא את המתכון בטבלה 1).
    6. קח לדוגמא את. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות. המתכון הנקי להפעיל מחדש (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 10 דקות.
    7. הר המדגם על פרוסות סיליקון נקיותולטעון אותו לתוך המכונה.
    8. הפעל את מתכון תחריט PMMA (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 2 דקות.
      הערה: עכשיו השייר להתנגד כבר חרוט ואת המצע חשוף.
  2. Cr E-קרן אידוי
    1. היכנס למאייד קורה אלקטרוני.
    2. טען את מקור Cr מתכת ומדגם לתוך התא.
    3. הגדר את העובי (20 ננומטר) ושיעור בתצהיר (0.03 ננומטר / sec).
    4. לשאוב את התא עד ואקום הנדרש (10 -7 Torr) הוא הגיע.
    5. התחל את התהליך בתצהיר.
    6. קח לדוגמא לאחר הגימורים בתצהיר.
  3. CR-הרם את נוהל
    1. לטבול את המדגם באצטון עם תסיסה קולית במשך 5 דקות.
    2. נקה את המדגם על ידי שטיפה עם אצטון, מתנול וisopropanol.
      הערה: Cr התאדה בלהתנגד יוסר וממסכת Cr לתחריט מצע נוצר.

5. Tio 2 חוגosition

  1. מדגם עומס.
  2. הגדר את הפרמטרים למכונה המקרטעת magnetron הנוכחי הישירה
    1. השתמש בלחץ קאמרי של 1.5 mTorr, זרימת Ar של 100 SCCM וכוח המקרטעת של 130 W.
    2. השתמש בטמפרטורה של 27 מעלות צלזיוס ומהירות סיבוב של שלב 20 סל"ד.
  3. התחל את תהליך גמגום ולעצור בעובי רצוי.
  4. קח לדוגמא את ולחשל את סרט Tio 2 בסביבת חמצן ב 300 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות.

6. חדות גבוהה פומפייה תחריט

  1. התחבר במכונה פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICP) תחריט יון תגובתי (RIE).
  2. דוד תחריט 2
    1. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות.
    2. להתחיל ולהפעיל את המתכון הנקי (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 10 דקות.
    3. לפרוק לטעון הרקיק הריק ולטעון את המדגם עם מסכת Cr.
    4. הגדרת זמן תחריט. התחל Tio 2 מתכון תחריט. אוטומטי רצון תהליך התחריטmatically לעצור.
    5. לפרוק את המדגם.
  3. SiO 2 תחריט
    1. חזור על שלב 5.2 מלבד להשתמש במתכון תחריט SiO 2.

מדידת 7. החזרה

  1. התחבר ולהפעיל את מערכת המדידה.
  2. מניחים את המראה סטנדרטי החזרה על בעל המדגם וליישר את הנתיב האופטי.
  3. לכייל את המערכת להחזרת 100%.
  4. קח את המראה סטנדרטי החזרה ולמקם HCG.
  5. מדוד את ההחזרה של HCG.
  6. שמור את הנתונים ולהתנתק ממערכת המדידה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 1 מציג את היישום של האלמנט נפיצה (צורם ניגודיות גבוהה multilayer (HCG)) במערכת פוטו מרוכזת. אור השמש משתקף ראשון במראה הראשוני ופוגע באלמנט נפיצה רעיוני, שבו הקרן באה לידי ביטוי והתפצל ללהקות שונות של אורכי גל שונים. כל להקה לפגוע במיקום מסוים במערך התאים הסולרי לקליטה הטובה ביותר וההמרה לחשמל. המפתח למערכת זו הוא התכנון וביצוע של האלמנט נפיצה, שמורכב ממספר השכבות של HCG.

איור 2

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

ראשית, האיכות של סרט Tio 2 היא חיונית מאוד לביצוע HCG. שיא ההחזרה יהיה גבוה יותר אם הסרט Tio 2 יש פחות אובדן וחספוס פני השטח. סרט Tio 2 עם שבירה גבוהה יותר הוא גם נוח כי כליאת המצב האופטית תהיה משופרת על ידי ניגודיות גבוהה יותר במדד, אשר יכול להצמיח שטוח ולהקת החזרה רחבה יותר בHCG.

שנית, תהיה שגיאות ייצור השפעות משמעותיות על HCG ויש להימנע. החספוס הציג בייצור יגרום אור יותר להיות ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

מחקר זה נתמך במסגרת המרכז לאנרגיה הננו, מרכז מחקר Frontier אנרגיה ממומן על ידי משרד אנרגיה של ארה"ב, משרד מדע תחת מספר פרס DE-SC0001013. גם אנחנו רוצים להודות לד"ר מקס ג'אנג וד"ר Jianhua יאנג של מעבדות HP לעזרתם במדידת Tio 2 המקרטעת סרט ומדדי שבירה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
184 ערכת אלסטומר סילקוןסילגארדפולידימתילסילוקסן (PDMS)
פרוסת סיליקון 4 אינץ'פרוסת סיליקון 4
אינץ' פרוסת סיליקה התמזגהUniversitywafer
Poly (מתיל מתקרילט)סיגמא-אולדריץ'182265
לריפוי UVולא זמין בשוק
PlasmaLab System 100Oxford InstrumentsICP IRE מכונת
ריפוי UV לייצורלא זמין בשוק
Ocean Optics HR-4000 אופטיקה אוקיינוסHR-4000ספקטרומטר עם גלאי רגיל
Lambda 950 UV / VISPerkinספקטרומטר אלמרעם גלאי אינטרגרציה בחצי הכדור
JSM-7001F-LVJEOLפליטת שדה SEM
DC מכונתציוד נמצא במעבדות HP, שעזר לנו לרסס את מאייד הקרן האלקטרונית TiO2
MetalטמסקלBJD-1800
עמיד ננו-טביעות התזה מגנטרון

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

PDMSUV
המצאה של Gratings ניגודיות הגבוה לפיצול הספקטרום Dispersive האלמנט במערכת פוטוולטאית מרוכזת
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.