Articolo metodologico

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

DOI:

10.3791/53276

⸱

9 novembre 2015

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1Renewable Energy Research Center, Fukushima Renewable Energy Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Koriyama, Fukushima, Japan, 2Research Center for Photovoltaic Technologies, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan

In questo articolo

Sommario

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Viene descritta una metodologia praticabile basata sulla stampa di trasferimento per introdurre nanostrutture metalliche plasmoniche nelle celle solari. Utilizzando timbri di poli(dimetilsilossano) nanopillar, un array di nanodischi ordinato basato su Ag è stato integrato con celle solari Si microcristalline idrogenate standard, che hanno portato a migliori prestazioni del dispositivo grazie all'intrappolamento della luce plasmonica.

Abstract

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Una delle potenziali applicazioni delle nanostrutture metalliche è l'intrappolamento della luce nelle celle solari, dove le proprietà ottiche uniche dei metalli di dimensioni nanometriche, comunemente note come effetti plasmonici, giocano un ruolo importante. La ricerca in questo campo, tuttavia, è stata ostacolata a causa della difficoltà di fabbricare dispositivi contenenti le nanostrutture metalliche funzionali desiderate. Al fine di fornire una strategia praticabile a questo problema, mostriamo qui un approccio basato sulla stampa transfer che consente l'integrazione rapida e a basso costo di nanostrutture metalliche progettate con una varietà di architetture di dispositivi, comprese le celle solari. I timbri Nanopillar poly(dimethylsiloxano) (PDMS) sono stati fabbricati da un film plastico nanohole disponibile in commercio come stampo master. Su questi timbri PDMS nanomodellati, sono stati depositati film di Ag, che sono stati poi stampati su una superficie di Si microcristallino idrogenata rivestita di copolimero a blocchi (strato legante) (μc-Si:H) per fornire strutture ordinate di nanodischi Ag. È stato confermato che le celle solari μc-Si:H incorporate in nanodischi di Ag risultanti mostrano prestazioni più elevate rispetto a una cella senza i nanodischi di Ag stampati a trasferimento, grazie all'effetto di intrappolamento della luce plasmonica derivato dai nanodischi di Ag. Grazie alla semplicità e alla versatilità, con questo approccio sarebbe possibile anche un'ulteriore applicazione del dispositivo.

Introduzione

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Vi è stata una richiesta di lunga data per l'applicazione di nanostrutture funzionali in una vasta gamma di campo tecnologico. Una delle aspettative per questa tendenza è quello di aprire il nuovo disegno di architetture di dispositivi che portano a migliori prestazioni e innovativi. Nel campo delle celle solari, per esempio, l'utilizzo di nanostrutture metalliche ha attivamente esplorata a causa delle loro proprietà interessanti (cioè, plasmoniche) ottici, 1 potenzialmente utile per costruire sistemi di cattura luce efficaci. 2,3 studi Infatti, alcuni teorici 4 -6 hanno suggerito che tale cattura luce plasmoniche potrebbe ottenere effetti che superano l'ottica a raggi convenzionali (texturing) -based limite di cattura della luce. 7 Di conseguenza, lo sviluppo di strategie per integrare nanostrutture metalliche desiderati con celle solari è diventato sempre più importante per la realizzazione di questi previsioni teoriche.

Un certo numero di strategie hannostato proposto per affrontare questa sfida. 8-24 Questi includono, per esempio, semplice (a basso costo) ricottura termica di film metallici 8,9 o dispersione di nanoparticelle metalliche pre-sintetizzato, 10,11 entrambi i quali hanno portato a manifestazioni di successo di cattura la luce plasmonica. Tuttavia, va sottolineato che le nanostrutture metallo da questi approcci sono solitamente difficili da corrispondere ai modelli teorici. Al contrario, le tecniche di nanofabbricazione tradizionali industrie semiconduttore come fotolitografia e litografia a fascio elettronico, 12,13 possono controllare strutture ben al di sotto del livello di sub-100 nm, ma sono spesso troppo costosi e richiede tempo per applicare alle celle solari, dove la capacità a basso costo grandi superfici è essenziale. Al fine di soddisfare il basso costo, high-throughput, e le esigenze di grande superficie con scala nanometrica controllabilità, metodi come nanoimprint la litografia, 14-16 morbido litografia, 17,18 Nanosphere litografia, 19-21 e hole-maschera colloidale litografia 22-24 sarebbe promettente. Tra queste scelte, abbiamo sviluppato un litografica morbido, avanzata tecnica di stampa di trasferimento. 25 Uso un poli nanostrutturati (dimetilsilossano) (PDMS) francobolli e strati adesivi a base di copolimero a blocchi, patterning di nanostrutture metalliche ordinato potrebbe essere facilmente ottenuto su un certo numero di tecnologicamente materiali relativi, compresi quelli per le celle solari.

Il focus di questo articolo è quello di descrivere la procedura dettagliata del nostro approccio stampa transfer per incorporare efficaci luce di cattura nanostrutture plasmoniche in strutture di celle solari esistenti. Come caso dimostrativo, nanodisks Ag e film sottile idrogenati microcristallina Si (uC-Si: H) celle solari sono stati selezionati in questo studio (Figura 1), 26 anche se altri tipi di metalli e celle solari sono compatibili con questo approccio. Insieme con il suo processosemplicità, l'approccio sarebbe di interesse per diversi ricercatori come uno strumento utile per integrare nanostrutture metalliche funzionali con i dispositivi.

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Protocollo

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1. Preparazione di PDMS Francobolli

  1. Impostare uno stampo nanohole (ciclo nanoimprinted film plastico polimero olefinico, dimensioni: 50 mm x 50 mm) in un politetrafluoroetilene (PTFE) contenitore.
  2. Pesare copolimero vinylmethylsiloxane-dimetilsiloxano (0,76 g per la muffa mm 50 mm × 50) in una bottiglia di vetro a perdere e mescolare con complesso di Pt-divinyltetramethyldisiloxane (6 microlitri, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene monouso) e 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 microlitri, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene usa e getta).
  3. Aggiungere copolimero methylhydrosiloxane-dimetilsiloxano (0,24 ml, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene monouso) nella bottiglia di vetro e mescolare rapidamente utilizzando una pipetta di vetro usa e getta. Dopo la superficie dello stampo impostato nel contenitore PTFE viene soffiato da N 2, versare la miscela risultante ("hard" prepolimero PDMS) sullo stampo e iniziare spin-coating a 1.000 rpm per 40 secondi per ottenere lo spessore di ~ 40 micron.
  4. Trasferire il campione spin-rivestito in una camera calda preriscaldato a 65 ° C per 30 min a brevemente reticolare il PDMS duri.
  5. Durante il riscaldamento, pesare silicone (6 g) e mescolare con catalizzatore (0,6 g) in una bottiglia di vetro monouso. Posizionare la bottiglia di vetro in un essiccatore a vuoto, applicare il vuoto (~ 133 Pa) per 15 minuti per eliminare l'aria intrappolata nella miscela silicone ("soft" prepolimero PDMS).
  6. Estrarre lo stampo e morbido prepolimero PDMS dalla camera di riscaldamento e essiccatore a vuoto, rispettivamente, e versare rapidamente il PDMS morbide prepolimero sullo stampo riscaldato. Lo spessore dello strato morbido PDMS è ~ 3 mm.
  7. Posizionare il campione con conseguente essiccatore a vuoto di nuovo per ulteriori degasaggio a ~ 133 Pa per almeno 1 ora.
  8. Trasferire il campione degasato alla camera di riscaldamento e iniziare riscaldando gradualmente fino a 80 ° C (velocità di riscaldamento ~ 3 ° C / min). Mantenere questa temperatura per 5 oreper reticolare le PDMS duri e molli completamente.
  9. Dopo il raffreddamento del campione fino a RT, staccare il PDMS bollo con attenzione dallo stampo. Riutilizzare lo stampo per preparare il secondo (o più) Stamp, se necessario. Nota: Lo stesso stampo può essere utilizzato almeno cinque volte senza degradazione della qualità timbro.
  10. Tagliare il timbro nanopillar risultante (a doppio strato duro / morbido PDMS composito) 27 in pezzi di dimensioni desiderate (in genere 7 mm x 7 mm per le nostre cellule solari) utilizzando un coltello e memorizzarle sotto aria fino al momento dell'uso.

2. Preparazione di Block copolimero Solutions

  1. Pesare la polvere di blocco polystyrene- -poly-2-vinilpiridina (PS b -P2VP) in una bottiglia di vetro e mescolare con o -xylene nel rapporto di 3 mg / ml (PS b -P2VP / o -xylene) .
  2. Mescolare la miscela utilizzando un agitatore magnetico rivestito in PTFE a 70 ° C per 1 ora.
  3. Mantenere la soluzione risultante per più di 24 ore a RT senza mescolareanello per completare la formazione di micelle autoassemblati. Strettamente sigillare la soluzione e memorizzarlo in condizioni ambientali. Nota: La qualità della soluzione è invariata anche un anno dopo la preparazione.

3. Preparazione del μ c-Si: H Substrati

  1. Occhiali Lavare coperti con SnO 2: F (denotare vetro / SnO 2: F, di seguito) con H 2 O (500 ml), detergente (500 ml) e H 2 O (500 ml) a temperatura ambiente utilizzando un bagno ad ultrasuoni (15 min per ciascuno). Asciugarli soffiando N 2.
  2. Caricare il vetro pulito / SnO 2: substrati F in un supporto substrato e deposito ZnO: Ga (20 Nm) con una corrente del sistema sputtering continua (DC) con le condizioni specificate nella tabella 2.
  3. Caricare il vetro / SnO 2: F / ZnO: substrati Ga in un altro titolare substrato e deposito μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm), e N (40 nm) livelli utilizzando una sostanza chimica al plasma-enhanced vapor deposizione sistema (PECVD) con le condizioni specificate nella tabella 2.
  4. Conservare il conseguente μ c-Si: H (vetro / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substrati sotto vuoto o N 2 fino alla fase di trasferimento la stampa.

4. Ag-rivestimento di PDMS Francobolli

  1. Lavare i francobolli PDMS (previste al punto 1) con EtOH (30 ml) con un bagno a ultrasuoni per 15 minuti e secco che soffia da N 2.
  2. Caricare i PDMS timbri puliti su un supporto campione utilizzando nastro biadesivo adesivo e depositare un film Ag (10-80 nm) utilizzando un fascio di elettroni (EB) sistema di evaporazione con le condizioni seguenti: velocità di deposizione = 5-10 / sec, pressione = ~ 1.5 × 10 -4 Pa.
  3. Estrarre i francobolli Ag rivestite dal sistema di evaporazione EB e utilizzarli immediatamente nel passaggio seguente stampa transfer.

5. Trasferimento di stampa di Ag Nanodisks su Thin-pellicola Si Superfici

  1. Estrarre il film sottile Si memorizzati substrati sotto vuoto o N 2 e spin-coat con la soluzione PS b -P2VP (0,3 ml per 50 mm x 50 mm di esempio, usando un micro pipetta digitale con una punta polipropilene monouso) a 5.000 rpm per 40 sec.
  2. Bagnare la superficie PS b -P2VP rivestite con EtOH utilizzando una micro pipetta digitale (5 micron / zona cellulare) e si applicano le PDMS Ag rivestite timbro dolcemente sulla superficie EtOH bagnato. Non premere il timbro.
  3. Posizionare il film sottile substrato di Si con il timbro in una camera a vuoto, applicare il vuoto (~ 133 Pa).
  4. Dopo 5 minuti, riempire la camera a vuoto con l'aria ed estrarre il film sottile Si substrato.
  5. Rimuovere il timbro dal film sottile Si substrato tenendo il lato sia del timbro con una pinzetta per trasferire-stampa nanodisks Ag. Nota: In caso di successo, la traccia di stampaggio è visibile come una macchia verdastra.
  6. Risciacquare il film sottile substrato di Si transfer-stampata con un flusso continuo di EtOH per 15 sec (~ 30 ml) e insufflando N 2.
  7. Rimuovere il rivestimento PS-b-P2VP utilizzando un sistema al plasma Ar.
    1. Posizionare il film sottile Si substrato trasferimento stampato nella camera di processo del sistema plasma Ar.
    2. Scaricare l'aria nella camera di processo per ~ 5 min (pressione ~ 20 Pa).
    3. Aprire la valvola di una linea gas Ar e regolare manualmente la portata di 4 sccm. Attendere per ~ 5 minuti per stabilizzare la pressione di 40 Pa.
    4. Genera Ar plasma per 108 secondi.
    5. Chiudere la valvola della linea del gas Ar, interrompere il pompaggio, e riempire l'aria nella camera di processo per eliminare i, trasferimento stampato a film sottile Si substrati plasma pulita.

6. Completamento del film sottile Fabrication cellulare Si solare

  1. Fissare le maschere di metallo per la sottile pellicola di trasferimento stampato Si substrati dopo il trattamento al plasma Ar utilizzano nastri in poliammide.
  2. Caricare i substrati mascherati in un supporto substrato di un sistema di sputtering DC e Deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), e ZnO: Ga (40 nm) in sequenza le condizioni specificate nella tabella 2.
  3. Staccare le maschere di metallo dai substrati e rimuovere i mascherati film sottile Si strati (cioè, l'area dove ZnO: Ga e Ag non sono stati depositati) utilizzando un sistema di attacco con ioni reattivi (RIE).
    1. Porre i campioni nella camera di processo del sistema RIE.
    2. Scaricare l'aria nella camera di processo seguendo le istruzioni del produttore.
    3. Impostare le condizioni di processo come segue seguendo le istruzioni del produttore: SF 6 / O 2 Portata = 100/20 SCCM, pressione = 20 Pa, 100 W di potenza, tempo = 1 min 20 sec.
    4. Aprire le linee di SF 6 e O 2 gas, stabilizzare la pressione, e generare plasma.
    5. Chiudere la valvola della linea SF 6 e O 2 gas, interrompere il pompaggio, e riempire N 2 nella camera di processo per estrarre i campioni.
  4. Metti ilcampioni in una camera a vuoto ricottura e cominciano riscaldare gradualmente fino a 175 ° C sotto vuoto (~ 133 Pa). Mantenere questa temperatura per 2 ore, e poi lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Riempire d'aria nella camera e prendere i campioni, che ora possono essere chiamati celle.
  5. Lega a base di Zn-Sn-Saldare sull'elettrodo anteriore trasparente (vetro / SnO 2: F / ZnO: Ga, la parte esposta dal trattamento RIE) usando un dispositivo di saldatura ad ultrasuoni.

7. Misura di efficienza quantica esterna (EQE)

  1. Allegare una maschera di luce-schermatura per una cella fabbricato con nastro poliimmide e impostare la cella mascherato in un supporto cella. Collegare sonde all'elettrodo anteriore saldato (+) e ritorno Ag / ZnO: Ga elettrodo (-).
  2. Misurare spettri EQE utilizzando un sistema di misurazione EQE seguendo le istruzioni del produttore con una gamma di lunghezze d'onda e fase di 300-1,100 nm e 5 nm, rispettivamente.

8. Misura della Fotovoltaico Corrente-Tensione (JV) Personaggiostiche

  1. Calibrare l'intensità luminosa di un sistema di misura caratteristiche JV utilizzando una cella di riferimento Si amorfo.
    1. Impostare la cella di riferimento Si amorfo ad un supporto cella del sistema di misurazione caratteristiche JV, e illuminare la luce.
    2. Leggere la corrente fotogenerata utilizzando un multimetro digitale dotata del sistema di misura caratteristiche JV. Regolare l'intensità della luce finché la corrente fotogenerata mostra il giusto valore per la cella di riferimento (8,34 mA / cm 2).
  2. Attaccare una maschera luce schermatura a una cella e impostare la cella mascherato in un supporto della cella. Collegare sonde all'elettrodo anteriore saldato (+) e ritorno Ag / ZnO: Ga elettrodo (-).
  3. Illuminare la luce calibrata (100 mW / cm 2, 1 sole) sulla cella e misurare correnti fotogenerati utilizzando il sistema di misurazione caratteristiche JV seguendo le istruzioni del produttore con un gradino di tensione di 0,02 V.

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Risultati

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Figura 2 illustra la procedura generale per la stampa a trasferimento di nanodisks Ag sulla superficie uC-Si: H (n layer). Brevemente, un film Ag (spessore: 10-80 nm) viene dapprima depositato sulla superficie di un timbro nanopillar PDMS dal fascio di elettroni evaporazione. In parallelo, una soluzione -P2VP b PS è spin-rivestito sulla superficie di un preparato fresco uC-Si: H n strato. Successivamente, una gocciolina di EtOH è posto sulla superficie rivestita -P2VP PS b...

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Discussione

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In questo articolo, un hard doppio strato / PDMS morbide composito è stato impiegato come materiale di bollo. 27 Questa combinazione è risultata essenziale per replicare esattamente la nanostruttura genitore nello stampo, che era una matrice rotonda buche esagonale vicino ricco di diametro di 230 nm, 500 nm di profondità, e foro centrale a centro spaziatura di 460 nm. Quando solo PDMS morbide è stato utilizzato, il timbro sempre comportato una superficie di poco nanostrutturati (per esempio, nessun spigolo vi...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori ringraziano la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) sotto il Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria (METI), Giappone, per il sostegno finanziario.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Stampo nanoforoScivaxFLH230/500-120
Contenitore PTFEEishinn/aCustom made
Materiali PDMS duri
Copolimero vinilmetilsilossano-dimetilsilossano<a href="http://www.gelest.com/gelest/forms/ Home/home.aspx">GelestVDT-731
  Pt-diviniltetrametildisilossano complessoGelestSIP6831.1
Metilidrosilossano-dimetilsilossano copolimeroGelestHMS-301
2,4,6,8-tetrametiltetravinilciclotetrasilossanoSigma-Aldrich396281Additivo per materiali hard-PDMS
Soft-PDMSDow CorningSylgard-184Precursore siliconico
PS-b-P2VPa href="http://polymersource.com">Sorgente polimericaP5742-S2VPMn &volte; 103 = 133-b-132
Vetro/SnO2:F substratiAsahi Glass Co. Ltd.Tipo VUChimico meccanico lucidato da D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) per appiattire le superfici
DetergenteFruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm		Semico-clean 56Utilizzato per la pulizia di substrati Glass/SnO2:F
ZnO:Ga supputtering targetAGC Ceramics Co. Ltd.5.7GZO
Ag supputtering targetMitsubishi Materials Co.4NAg
Nastro biadesivoNisshin EM Co.732
Nastro in poliimmideDupontKapton 650S#25
Saldaturabasata su Sn-ZnKuroda Techno Co., Ltd.Cerasolzer AL-200
Micro pipetta digitaleNichiryo00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
Cameradi riscaldamentoTokyo Rikakikai Co., Ltd.VOS-201SD
Evaporatore a fascio di elettroniCanon-Anelvan/aEvaporatore a
fascio di elettroniAriosn/aSu misura
Sistema di sputteringUlvacSBR-2306
Sistema PECVDShimadzu Emit Co. Ltd.SLCM-13
ArDiner Electric GmbhFemto
Sistema RIESamco Inc.RIE-10NR
Dispositivo di saldatura ad ultrasuoniColby-Eishin Enterprises, Inc.Sistema di misurazione SUNBONDER
EQEBunkoukeiki Co. Ltd.CEP-25BXS
J-V caratteristiche sistema di misurazioneBunkoukeiki Co. Ltd.OTENTOSUN-5S-I/V
Cella di riferimento Si amorfaBunkoukeiki Co. Ltd.WPVS-NPB-S1Per la calibrazione dell'intensità della luce
MultimetrodigitaleKeithley Instruments Inc.2400
< su misuraSistema al plasma

Riferimenti

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