Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Fabrication van High Contrast Roosters voor de Spectrum Splitting Dispersieve Element in een geconcentreerde Zonneinstallatie

10.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/52913

⸱

18 juli 2015

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

In dit artikel

Samenvatting

De fabricage van hoogcontrastroosters als parallel spectrumsplitsend dispersie-element in een geconcentreerd fotovoltaïsch systeem wordt gedemonstreerd. Fabricageprocessen inclusief nano-imprint litografie, TiO2 sputteren en reactieve ionen-etsen worden beschreven. Reflectiemeetresultaten worden gebruikt om de optische prestaties te karakteriseren.

Samenvatting

Gratingen met hoog contrast zijn ontworpen en vervaardigd en de toepassing ervan wordt voorgesteld in een dispersief element dat het spectrum parallel splitst en dat de zonne-omzettingsefficiëntie van een geconcentreerd fotovoltaïsch systeem kan verbeteren. Het voorgestelde systeem zal ook de kosten van de zonnecellen in het geconcentreerde fotovoltaïsche systeem verlagen door de dure tandem-zonnecellen te vervangen door de kosteneffectieve enkelvoudige zonnecellen. De structuren en de parameters van de gratingen met hoog contrast voor de dispersieve elementen zijn numeriek geoptimaliseerd. De grote-oppervlakte fabricage van gratingen met hoog contrast werd experimenteel aangetoond met behulp van nano-imprint litografie en droog etsen. De kwaliteit van het grating materiaal en de prestaties van het vervaardigde apparaat werden beide experimenteel gekenmerkt. Door de meetresultaten te analyseren, worden de mogelijke neveneffecten van de fabricageprocessen besproken en worden verschillende methoden voorgesteld die het potentieel hebben om de fabricageprocessen te verbeteren, wat kan helpen om de optische efficiëntie van de vervaardigde apparaten te verhogen.

Inleiding

Onze moderne samenleving zal niet overleven zonder het verplaatsen van een aanzienlijk deel van het energieverbruik van hernieuwbare energiebronnen. Om dit te laten gebeuren, moeten we een manier vinden om hernieuwbare energie te oogsten tegen een kostprijs lager dan aardolie gebaseerde energiebronnen in de nabije toekomst te vinden. Zonne-energie is de meest overvloedige hernieuwbare energie op aarde. Ondanks dat er veel vooruitgang is geboekt in de zonne-energie oogsten, is het nog steeds erg moeilijk om te concurreren met op aardolie gebaseerde energiebronnen. Verbetering van de efficiëntie van zonnecellen is een van de meest efficiënte manieren om de systeemkosten van zonne-energie oogsten verlagen.

Optische lenzen en reflectors schaal worden meestal gebruikt in de meest geconcentreerde fotovoltaïsche (CPV) systemen 1 een hoge concentratie van zonnestroom invloed op de kleine gebieden zonnecellen bereiken, zodat het economisch haalbaar om dure tandem meerdere zonnecellen 2 exploiteren CPV systemen, en een redelijke handhavenkosten tegelijkertijd. Echter, voor de meeste niet-geconcentreerde fotovoltaïsche systemen, die gewoonlijk een groot oppervlak gedeelte van zonnecellen, de hoge kosten tandem zonnecellen kunnen niet worden opgenomen, hoewel zij gewoonlijk een breder zonnespectrum respons en een hogere totale omzetting rendement dan de enkele junction zonnecellen 3.

Onlangs, met behulp van de parallelle spectrum splitting optics (dwz dispersief element), de parallelle spectrum splitting 4 fotovoltaïsche technologie heeft het mogelijk gemaakt dat een soortgelijke of betere spectrum dekking en omzettingsrendement kan worden gerealiseerd zonder de dure tandem zonnecellen. De zonnespectrum kan worden opgesplitst in verschillende groepen en elke band kan worden geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit door de gespecialiseerde enkelvoudige zonnecellen. Hierdoor kan de duur tandem zonnecellen CPV systemen worden vervangen door een parallelle distributie van single-junctie zonnecels zonder enig compromis op de prestaties.

Het dispersief element dat is gemaakt in dit rapport kan worden toegepast in een reflectieve CPV (dat is gebaseerd op schotel reflectoren) parallelle spectrum splitting verbeterde zonne-elektriciteit en een verminderde kostprijs te realiseren. Meerlaagse hoog contrast roosters (HCG) 5 wordt gebruikt als het dispersieve element door het ontwerpen van elke laag van HCG werken als optische band reflector. De structuren en parameters van het dispersieve element worden numeriek geoptimaliseerd. Bovendien is de vervaardiging van hoog contrast roosters voor het dispersief element met diëlektrische (TiO 2) sputteren, nanoimprint lithografie 6 en reactief ionen etsen bestudeerd en aangetoond.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Bereid de Blank Polydimethylsiloxaan (PDMS) Substraat voor nanoimprint Mold

  1. Silicon Wafer behandelingsproces
    1. Schoon een 4 inch siliciumwafel door spoelen met aceton, methanol en isopropanol.
    2. Blaas het droog met stikstof pistool.
    3. Maak gebruik van Piranha-oplossing (3: 1 mengsel van zwavelzuur met 30% waterstofperoxide) door onderdompeling in 15 min.
    4. Spoel het met DI water. Föhnen met behulp van de stikstof pistool.
    5. Plaats de wafer in een glas exsiccator. Voeg een druppel (20 druppels = 1 ml) van het vrijgeven van middel (trichloorsilaan) in de exsiccator.
    6. Pomp beneden de exsiccator totdat de meter leest -762 Torr en wacht 5 uur.
    7. Neem de wafer uit, die is behandeld met lossingsmiddel.
  2. Voorbereiding van de PDMS Film (Gebruikt als Schimmel in nanoimprint)
    1. Weeg 10 g siliconenelastomeer basis en 1 g verharder.
    2. Voeg ze in dezelfde bekerglas.
    3. Stir en meng met een glazen staaf voor 5 min.
    4. Doe het mengsel in een vacuümexsiccator, totdat de meter leest -762 Torr te pompen uit alle luchtbellen.
    5. Spreid ze gelijkmatig op het behandelde 4-inch silicium wafer.
    6. Bak de wafer met PDMS bovenaan in de vacuümoven gedurende 7 uur bij 80 ° C aan het PDMS film te harden.

2. Bereid de nanoimprint Mold (duplicatie van de Master Mold)

  1. Spin twaalf druppels (20 druppels = 1 ml) van UV hardbare weerstand (15,2%) op een schone lege siliciumwafel gedurende 30 seconden bij 1500 tpm.
  2. Schil van een stuk PDMS film uit de behandelde silicium wafer zorgvuldig.
  3. Zet de PDMS film op de UV weerstaan ​​en laat het absorberen de UV weerstaan ​​gedurende 5 minuten daarna afschilferen.
  4. Herhaal 2.1-2.3 dezelfde PDMS film twee keer. Absorberen de UV weerstaan ​​gedurende 3 minuten en 1 min respectievelijk.
  5. Plaats de PDMS film (na drie keer UV weerstaan ​​absorptie) op een silicium meester mal.
  6. Zet het in een kamer met stikstof omgeving.
  7. Zet UV lamp om het monster gedurende 5 minuten harden.
  8. Trek het PDMS film. De uitgeharde UV weerstaan ​​aan de PDMS zal het negatieve patroon van de meester mal te houden.
  9. Gebruik RF O 2 plasma te behandelen de PDMS mal. (RF-vermogen: 30 W, druk: 260 mTorr, tijd: 1 min)
  10. Plaats de PDMS mal in een vacuümkamer met één druppel (20 druppels = 1 ml) losmiddel gedurende 2 uur.

3. nanoimprint Pattern Transfer

  1. Spin acht druppels (20 druppels = 1 ml) van PMMA (996k, 3,1%) op het substraat wordt bedrukt voor 50 sec bij 3500 rpm.
  2. Bak het op een verwarmingsplaat gedurende 5 minuten bij 120 ° C.
  3. Wacht tot het monster afkoelen.
  4. Spin acht druppels (20 druppels = 1 ml) van UV hardbare weerstaan ​​(3,9%) op hetzelfde substraat.
  5. Plaats de PDMS mal (bereid in stap 2) op het monster (zowel UV resist en PMMA).
  6. Zet het in een kamer met stikstof omgeving.
  7. Zet de UV-lamp uitharden 5 min.
  8. Schil de PDMS mal uit het monster en het patroon op de PDMS mal wordt overgedragen aan het monster.

4. Cr Lift-off Process

  1. Reactief ionen etsen overgebleven laag UV weerstaan ​​en PMMA
    Opmerking: De SOP voor ICP machine kan worden gevonden op https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
    1. Log in RIE ICP machine.
    2. Plaats een lege 4 inch silicium wafer. Voer de schone recept voor 10 min.
    3. Neem de lege silicium wafer uit.
    4. Monteer het monster op een andere schone silicium wafer en plaats hem in de machine.
    5. Voer de UV resist ets recept voor 2 min (recept te vinden in tabel 1).
    6. Neem het monster uit. Plaats een lege 4 inch silicium wafer. Re-run de schone recept (te vinden in tabel 1) gedurende 10 min.
    7. Monteer het monster op een schone silicium waferen laad het in de machine.
    8. Voer de PMMA ets recept (te vinden in tabel 1) voor 2 min.
      Opmerking: Nu de resterende resist is geëtst en het substraat wordt blootgesteld.
  2. Cr E-beam verdamping
    1. Log in op e-beam verdamper.
    2. Laad de Cr metalen bron en het monster in de kamer.
    3. Stel de dikte (20 nm) en depositie tarief (0,03 nm / sec).
    4. Pomp de kamer totdat gewenste vacuüm (10 -7 Torr) wordt bereikt.
    5. Start het depositieproces.
    6. Neem het monster na de afzetting is voltooid.
  3. CR Lift-off Procedure
    1. Dompel het monster in aceton ultrasoon roeren gedurende 5 min.
    2. Reinig het monster door spoelen met aceton, methanol en isopropanol.
      Opmerking: De Cr afgedampt de resist wordt getild en een Cr masker te etsen substraat wordt gevormd.

5. TiO 2 DepTANDPUNT

  1. Load monster.
  2. Stel de parameters voor de gelijkstroom magnetron sputtering machine
    1. Gebruik een kamerdruk van 1,5 mTorr, Ar stroom van 100 sccm en een sputtervermogen van 130 W.
    2. Gebruik een temperatuur van 27 ° C en een podium rotatiesnelheid van 20 rpm.
  3. Start het sputter proces en stop op de gewenste dikte.
  4. Neem het monster uit en gloeien de TiO 2 film in zuurstofarme omgeving bij 300 ° C gedurende 3 uur.

6. High Contrast raspen Etsen

  1. Log in het inductief gekoppeld plasma (ICP) reactief ion etsen (RIE) machine.
  2. TiO 2 etsen
    1. Plaats een lege 4-inch silicium wafer.
    2. Starten en uitvoeren van de schone recept (te vinden in tabel 1) gedurende 10 min.
    3. Uitladen laden van de lege wafer en de belasting van het monster met Cr masker.
    4. Stel etstijd. Start TiO 2 ets recept. De ets proces zal autotisch stoppen.
    5. Uitladen van het monster.
  3. SiO 2 Etsen
    1. Herhaal stap 5.2 behalve gebruik maken van de SiO 2 ets recept.

7. reflectiemeting

  1. Log in en zet het meetsysteem.
  2. Plaats de reflectiestandaard spiegel op het monster houder en lijn het optische pad.
  3. Kalibreer het systeem voor 100% reflectie.
  4. Haal de reflectiestandaard spiegel en plaats de HCG.
  5. Meet de reflectie van het HCG.
  6. Sla de gegevens op en log uit van het meetsysteem.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 1 toont de uitvoering van het dispersieve element (multilayer hoog contrast grating (HCG)) in een geconcentreerde fotovoltaïsche installatie. Het zonlicht wordt eerst gereflecteerd door de primaire spiegel en afbreuk doet aan de reflecterende dispersief element, waar de bundel wordt gereflecteerd en opgesplitst in verschillende bands van verschillende golflengten. Elke band zal van invloed zijn op een bepaalde locatie op de zonnecel array voor de beste absorptie en omzetting naar elektriciteit. D...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Ten eerste, de kwaliteit van de TiO 2 film is zeer belangrijk voor HCG prestaties. De reflectiecoëfficiënt piek hoger zijn als de TiO 2 film minder verlies en oppervlakteruwheid. De TiO 2 film met een hogere brekingsindex is ook gunstig doordat de optische modus opsluiting wordt versterkt door een hoger contrast in index, die tot een vlakkere en bredere reflectie band HCG geven.

Ten tweede zal de fabricagefouten aanzienlijk HCG en moeten worden vermeden. De g...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd gesteund als onderdeel van het Centrum voor Energie Nanoscience, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science onder Award Number DE-SC0001013. We willen ook Dr. Max Zhang Jianhua en Dr. Yang van HP Labs te bedanken voor hun hulp op TiO 2 film sputteren en brekingsindex meting.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
184 Silcone elastomer kitSylgardPolydimethylsiloxaan (PDMS)
4 inch silicon waferUniversitywafer
4 inch fused silica waferUniversitywafer
Poly(methyl methacrylate)Sigma-Aldrich182265
UV-hardende resistNiet verkrijgbaar op de markt
PlasmaLab System 100Oxford InstrumentsICP IRE-machine
UV-uithardingssysteem voor nano-imprint fabricageNiet verkrijgbaar op de markt
Ocean Optics HR-4000 Ocean OpticsHR-4000Spectrometer met normale detector
Lambda 950 UV / VISPerkinElmerspectrometer met hemisferische integratiedetector
JSM-7001F-LVJEOLVeld emissie SEM
DC-magnetron sputterapparaatApparatuur bevindt zich in HP labs, die ons hielpen om de TiO2 te sputteren
Metaal e-beam verdamperTemescalBJD-1800

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Nano imprintlithografiereactief ionenetsentitaandioxidePDMS malUV uithardbare resistchroom hardmaskerbreedbandreflectantie
Fabrication van High Contrast Roosters voor de Spectrum Splitting Dispersieve Element in een geconcentreerde Zonneinstallatie
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.