방법 논문

전송 인쇄하여 수소 첨가 미세 결정 실리콘 태양 전지에 빛 트래핑 실버 나노 구조의 통합

DOI:

10.3791/53276

⸱

2015년 11월 9일

 ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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태양 전지에 플라즈몬 금속 나노 구조를 도입하는 실행 가능한 전사 인쇄 기반 방법론에 대해 설명합니다. 나노 필러 폴리 (디메틸 실록산) 스탬프를 사용하여 Ag 기반 주문 나노 디스크 어레이를 표준 수소화 미정질 Si 태양 전지와 통합하여 플라즈몬 광 트래핑으로 인해 장치 성능을 향상시켰습니다.

초록

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금속 나노 구조의 잠재적인 응용 분야 중 하나는 일반적으로 플라즈몬 효과로 알려진 나노 크기의 금속의 고유한 광학 특성이 중요한 역할을 하는 태양 전지의 광 트래핑입니다. 그러나 이 분야의 연구는 원하는 기능성 금속 나노 구조를 포함하는 장치를 제조하는 어려움으로 인해 방해를 받았습니다. 이 문제에 실행 가능한 전략을 제공하기 위해, 우리는 여기에서 태양 전지를 포함한 다양한 장치 아키텍처와 설계된 금속 나노 구조를 빠르고 저렴하게 통합할 수 있는 전사 인쇄 기반 접근 방식을 보여줍니다. 나노 필러 폴리 (디메틸 실록산) (PDMS) 스탬프는 상업적으로 이용 가능한 나노 홀 플라스틱 필름을 마스터 몰드로 제작했다. 이 나노 패턴 PDMS 스탬프에 Ag 필름을 증착 한 다음 블록 공중 합체 (결합층) 코팅 된 수소화 미결정 Si (μc-Si : H) 표면에 전사 인쇄하여 주문된 Ag 나노 디스크 구조를 제공했습니다. 그 결과 Ag 나노디스크가 통합된 μc-Si:H 태양전지는 Ag 나노디스크에서 파생된 플라즈몬 광 트래핑 효과 덕분에 전사 인쇄된 Ag 나노디스크가 없는 전지에 비해 더 높은 성능을 보이는 것을 확인했습니다. 단순성과 다양성으로 인해 이 접근 방식을 통해 추가 장치 적용도 가능합니다.

서론

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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 나노 구체 리소그래피, 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.

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프로토콜

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PDMS 스탬프 1. 준비

  1. 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 용기 : 나노 홀 금형 (50mm × 50mm nanoimprinted 시클로 올레핀 폴리머 플라스틱 필름, 크기)를 설정합니다.
  2. 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.
  3. (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.
  4. 30 분 간단히 가교 하드 PDMS를하기 위해서는 65 ℃에서 예열 고온 챔버에서 스핀 코팅 샘플을 놓습니다.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 적어도 1 시간 동안 ~ 133 펜실베니아 더 탈 다시 진공 건조기의 결과 샘플을 놓습니다.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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

  1. (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 .
  2. 1 시간 동안 70 ° C에서 PTFE 코팅 된 자석 교반 막대를 사용하여 혼합물을 교반 하였다.
  3. 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

  1. 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.
  2. 세정 된 유리를로드 / SnO2와 기판 홀더 및 예금의 ZnO 기판에서 F : 가인 (20 ㎚), 표 2에 명시된 조건을 가진 직류 (DC) 스퍼터링 시스템을 사용.
  3. 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.
  4. 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

  1. N 2를 불어 EtOH로 (1 단계에서 준비) PDMS 스탬프 (30 ml)을 15 분 동안 초음파 목욕을 사용하여 건조를 씻으십시오.
  2. 증착 률 = 50-10 Å / 초, 압력 : 전자선 다음 조건 (EB) 증착 시스템을 사용의 Ag 막 (10 ~ 80 nm의)을 양면 접착 테이프를 사용하여 샘​​플 홀더에 세정 PDMS 스탬프를 넣고 석출 = ~ 1.5 × 10 -4 아빠.
  3. EB 증발 시스템에서의 Ag 코팅 된 우표를 가지고 다음과 같은 전사 인쇄 단계에서 즉시 사용합니다.

얇은 -에의 Ag Nanodisks 5. 전송 ​​인쇄필름 실리콘 표면

  1. 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.
  2. 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.
  3. 진공 챔버 내에서 스탬프 박막 Si 기판을 넣고 적용 진공 (~ 133 PA).
  4. 5 분 후, 공기를 진공 챔버를 채우고 박막 Si 기판을 꺼내.
  5. 의 Ag nanodisks 인쇄를 전송하는 핀셋으로 스탬프의 양쪽을 잡고 박막 Si 기판에서 스탬프를 제거합니다. 참고 : 성공하면, 스탬핑의 추적이 녹색 지점으로 볼 수 있습니다.
  6. 잇의 연속적인 흐름으로 전사 인쇄 박막 Si 기판 린스OH N 2 부는 15 초 (~ 30 ㎖) 및 건조합니다.
  7. Ar 플라즈마 시스템을 이용하여 PS-B-P2VP 코팅을 제거한다.
    1. Ar 플라즈마 시스템의 처리 챔버에서 전사 인쇄 박막 Si 기판을 배치했다.
    2. ~ 5 분 (압력 20 ~ PA)에 대한 프로세스 챔버에 공기를 펌프.
    3. Ar 가스 라인의 밸브를 열고 수동 4 SCCM까지의 유량을 조정한다. (40) 아빠에 압력을 안정시키기 위해 5 ~에 대한 분을 기다립니다.
    4. 108 초 동안 Ar 플라즈마를 생성한다.
    5. 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

  1. Si를 폴리이 미드 테이프를 이용하여 Ar 플라즈마 처리 후의 기판들 전사 인쇄 박막에 금속 마스크를 부착.
  2. DC 스퍼터링 시스템 및 deposi의 기판 홀더에 기판을 마스킹로드t의 ZnO : 조지아 (100 ㎚), AG (250 ㎚), 및 ZnO의 : 가인 표 2에 명시된 조건 (40 ㎚)을 순차적.
  3. 기판으로부터 금속 마스크를 분리하고 마스크 박막의 Si 층을 제거 (즉, 영역의 ZnO : Ga 및의 Ag가 증착되지 않은) 반응성 이온 에칭 (RIE)을 이용하여 시스템.
    1. RIE 시스템의 처리 챔버에서 샘플을 놓는다.
    2. 제조업체의 지침에 따라 공정 챔버에서 공기를 펌프.
    3. 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.
    4. , SF 6 및 O 2 가스 라인을 열고 압력을 안정화하고, 플라즈마를 생성합니다.
    5. 샘플을 꺼내 공정 챔버로 N 2, SF 6 및 O 2 가스 라인의 밸브를 닫습니다 펌핑 중지하고 입력합니다.
  4. 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.
  5. 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)

  1. 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.
  2. 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

  1. 비정질 실리콘 레퍼런스 셀을 사용 JV 특성 측정 시스템의 광 강도를 보정.
    1. JV 특성 측정 시스템의 셀 홀더에 비정질 실리콘 기준 셀을 설정하고, 빛을 밝히는.
    2. 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.
  2. 셀 차광 마스크를 부착하고 셀 홀더 마스크 셀 세트. (-) 조지아 전극 : 다시 전면 납땜 전극 (+)과의 Ag / ZnO의에 프로브를 연결합니다.
  3. 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

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결과

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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,...

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토론

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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...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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저자는 일본 경제산업성(METI) 산하 신에너지산업기술개발기구(NEDO)의 재정 지원에 감사를 표한다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
나노 홀 몰드Scivax< / a >FLH230 / 500-120
PTFE 용기Eishin< / a >n / a맞춤 제작
비닐 메틸 실록산 - 디메틸 실록산 공중 합체겔레스트VDT-731
  Pt-디비닐테트라메틸디실록산 복합체겔레스트SIP6831.1
메틸하이드로실록산-디메틸실록산 공중합체겔레스트HMS-301
2,4,6,8-테트라메틸테트라-비닐시클로테트라실록산Sigma-Aldrich396281hard-PDMS
Soft-PDMS 재료Dow CorningSylgard-184실리콘 전구체
PS-b-P2VPa href="http://polymersource.com">폴리머 소스P5742-S2VPMn × 103 = 133-b-132
Glass/SnO2:F substratesAsahi Glass Co. Ltd.Type VUChemical 기계 연마 D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html)로 표면 평평하게 만들기 세제
Fruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm		Semico-clean 56유리 / SnO 2 < / sub> : F 기판
ZnO : Ga supputtering targetAGC Ceramics Co. Ltd.< / a >5.7GZO
Ag supputtering targetMitsubishi Materials Co.< / a >4NAg
양면 접착 테이프Nisshin EM Co.732
폴리이미드 테이프DupontKapton 650S#25
Sn-Zn 기반 솔더Kuroda Techno Co., Ltd.Cerasolzer AL-200
디지털 마이크로 피펫Nichiryo00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
가열 챔버Tokyo Rikakikai Co., Ltd.VOS-201SD
전자빔 증발기Canon-Anelvan/a맞춤형
전자빔 증발기Ariosn/a맞춤형
스퍼터링 시스템UlvacSBR-2306
PECVD 시스템Shimadzu Emit Co. Ltd.SLCM-13
Ar 플라즈마 시스템Diner Electric GmbHFemto
RIE 시스템Samco Inc.RIE-10NR
초음파 납땜 장치Colby-Eishin Enterprises, Inc.SUNBONDER
EQE 측정 시스템Bunkoukeiki Co. Ltd.CEP-25BXS
J-V 특성 측정 시스템Bunkoukeiki Co. Ltd.OTENTOSUN-5S-I/V
Amorphous Si reference cellBunkoukeiki Co. Ltd.WPVS-NPB-S1광도 교정용
디지털 멀티 미터Keithley Instruments Inc.2400
< td colspan = "4"> 하드 PDMS 재료용 첨가제<

참고문헌

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