Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Nasze nowoczesne społeczeństwo nie przetrwa bez przeniesienia znacznej części zużycia energii na odnawialne źródła energii. Aby tak się stało, musimy znaleźć sposób, aby w niedalekiej przyszłości pozyskiwać energię odnawialną po kosztach niższych niż w przypadku źródeł energii opartych na ropie naftowej. Energia słoneczna jest najpowszechniejszą energią odnawialną na Ziemi. Pomimo tego, że poczyniono znaczne postępy w pozyskiwaniu energii słonecznej, nadal bardzo trudno jest konkurować ze źródłami energii opartymi na ropie naftowej. Poprawa wydajności ogniw słonecznych jest jednym z najskuteczniejszych sposobów na obniżenie kosztów systemu pozyskiwania energii słonecznej.

Soczewki optyczne i reflektory czaszowe są zwykle używane w większości skoncentrowanych systemów fotowoltaicznych (CPV)¹ w celu osiągnięcia wysokiej koncentracji energii słonecznej padającej na ogniwa słoneczne o małej powierzchni, więc ekonomicznie opłacalne jest wykorzystanie drogich tandemowych ogniw słonecznych z wieloma złączami² w systemach CPV, przy jednoczesnym utrzymaniu rozsądnego kosztu. Jednak w przypadku większości nieskoncentrowanych systemów fotowoltaicznych, które zwykle wymagają instalacji ogniw słonecznych na dużej powierzchni, nie można zastosować kosztownych tandemowych ogniw słonecznych, chociaż zwykle mają one szersze spektrum reakcji na spektrum słoneczne i wyższą ogólną wydajność konwersji niż ogniwa słoneczne z pojedynczym złączem³.

Niedawno, dzięki optyce z równoległym podziałem widma (tj. elementowi dyspersyjnemu), technologia fotowoltaiczna z równoległym podziałem widma⁴ umożliwiła osiągnięcie podobnego lub lepszego pokrycia widma i wydajności konwersji bez użycia drogich tandemowych ogniw słonecznych. Widmo słoneczne można podzielić na różne pasma, a każde pasmo może być absorbowane i przekształcane w energię elektryczną przez wyspecjalizowane ogniwa słoneczne z pojedynczym złączem. W ten sposób drogie tandemowe ogniwa słoneczne w systemach CPV można zastąpić równoległym rozkładem ogniw słonecznych z pojedynczym złączem bez żadnych kompromisów w zakresie wydajności.

Element dyspersyjny, który został zaprojektowany w tym raporcie, może być zastosowany w systemie refleksyjnym CPV (który jest oparty na reflektorach talerzowych) w celu realizacji równoległego podziału widma w celu poprawy efektywności konwersji energii słonecznej i obniżenia kosztów. Wielowarstwowe siatki o wysokim kontraście (HCG)⁵ są używane jako element dyspersyjny poprzez zaprojektowanie każdej warstwy HCG do pracy jako reflektor pasma optycznego. Struktury i parametry pierwiastka dyspersyjnego są optymalizowane numerycznie. Ponadto badano i demonstrowano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego za pomocą rozpylania dielektrycznego (TiO₂), litografii nanoodciskowej⁶ i reaktywnego trawienia jonowego.

1. Przygotuj czysty substrat z polidimetylosiloksanu (PDMS) do formy nanoimprint

1. Proces obróbki wafli krzemowych
   1. Wyczyść 4-calową płytkę krzemową, spłukując ją acetonem, metanolem i izopropanolem.
   2. Wysuszyć go za pomocą pistoletu do azotu.
   3. Wyczyść go roztworem piranii (mieszanina kwasu siarkowego z 30% nadtlenkiem wodoru w proporcji 3:1), mocząc go w środku przez 15 minut.
   4. Spłucz go wodą DI. Wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu do azotu.
   5. Umieść wafel w szklanym eksykatorze. Dodać kroplę (20 kropli = 1 ml) środka antyadhezyjnego (trichlorosilanu) do eksykatora.
   6. Dopompuj eksykator, aż manometr wskaże -762 Torr i odczekaj 5 godzin.
   7. Wyjmij wafel, który został potraktowany środkiem antyadhezyjnym.
2. Przygotowanie folii PDMS (stosowanej jako forma w nanoimprint)
   1. Odważyć 10 g bazy z elastomeru silikonowego i 1 g utwardzacza.
   2. Dodaj je do tej samej szklanej zlewki.
   3. Mieszaj i mieszaj szklaną pałeczką przez 5 minut.
   4. Umieścić mieszaninę w eksykatorze próżniowym, aż manometr wskaże -762 Torr, aby wypompować wszystkie uwięzione pęcherzyki powietrza.
   5. Rozprowadź je równomiernie na obrobionej 4-calowej płytce krzemowej.
   6. Piecz wafel z PDMS na wierzchu w piekarniku próżniowym przez 7 godzin w temperaturze 80 °C, aby utwardzić film PDMS.

2. Przygotuj formę nanoodcisku (duplikacja z formy głównej)

1. Obracaj dwanaście kropli (20 kropli = 1 ml) rezystu utwardzanego promieniami UV (15,2%) na czystej, czystej płytce krzemowej przez 30 sekund przy 1,500 obr./min.
2. Ostrożnie oderwij kawałek folii PDMS od obrabianej płytki krzemowej.
3. Umieść folię PDMS na rezystorze utwardzanym promieniami UV i pozwól mu wchłonąć opór UV przez 5 minut, a następnie odklej
.
4. Powtórz 2,1-2,3 na tej samej folii PDMS dwa razy. Absorbuj odporność na promieniowanie UV odpowiednio przez 3 minuty i 1 minutę.
5. Umieść folię PDMS (po trzykrotnej absorpcji odporności na promieniowanie UV) na silikonowej formie głównej.
6. Umieść go w komorze ze środowiskiem azotu.
7. Włącz lampę UV, aby utwardzić próbkę przez 5 minut.
8. Zdejmij folię PDMS. Utwardzona odporność na promieniowanie UV na PDMS zachowa negatywny wzór formy wzorcowej.
9. Użyj plazmy RF O₂ do leczenia pleśni PDMS. (moc RF: 30 W, ciśnienie: 260 mTorr, czas: 1 min)
10. Umieść formę PDMS w komorze próżniowej z jedną kroplą (20 kropli = 1 ml) środka antyadhezyjnego na 2 godziny.

3. Transfer wzoru nanonadruku

1. Wiruj osiem kropli (20 kropli = 1 ml) PMMA (996 k, 3,1%) na podłożu, które ma być nadrukowane przez 50 sekund przy 3 500 obr./min.
2. Piecz na płycie grzejnej przez 5 minut w temperaturze 120 °C.
3. Poczekaj, aż próbka ostygnie.
4. Odkręć osiem kropli (20 kropli = 1 ml) rezystu utwardzanego promieniami UV (3,9%) na tym samym podłożu.
5. Umieść formę PDMS (przygotowaną w kroku 2) na próbce (zarówno z odpornością na promieniowanie UV, jak i PMMA).
6. Umieść go w komorze ze środowiskiem azotu.
7. Włącz lampę UV, aby utwardzać przez 5 minut.
8. Oderwij formę PDMS od próbki, a wzór na formie PDMS zostanie przeniesiony na próbkę.

4. Proces startu Cr

1. Reaktywna warstwa resztkowa trawienia jonowego odporna na promieniowanie UV i PMMA
   Uwaga: SOP dla maszyny ICP można znaleźć pod adresem https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Zaloguj się do maszyny RIE ICP.
   2. Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową. Uruchom czysty przepis na 10 minut.
   3. Wyjmij pustą płytkę krzemową.
   4. Zamontuj próbkę na innej czystej płytce krzemowej i załaduj ją do urządzenia.
   5. Uruchom przepis na wytrawianie odporne na promieniowanie UV przez 2 minuty (przepis można znaleźć w Tabeli 1).
   6. Wyjmij próbkę. Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową. Uruchom ponownie czystą recepturę (można ją znaleźć w Tabeli 1) przez 10 minut.
   7. Zamontuj próbkę na czystej płytce krzemowej i załaduj ją do maszyny.
   8. Uruchom przepis na wytrawianie PMMA (można go znaleźć w Tabeli 1) przez 2 minuty
      Uwaga: Teraz resztkowy rezystor został wytrawiony, a podłoże jest odsłonięte.
2. Parowanie wiązki E Cr
   1. Zaloguj się do parownika wiązki elektronicznej.
   2. Załaduj źródło metalu Cr i próbkę do komory.
   3. Ustaw grubość (20 nm) i szybkość stapiania (0,03 nm/s).
   4. Pompuj komorę, aż do osiągnięcia wymaganego podciśnienia (^10-7 Torr).
   5. Rozpocznij proces osadzania.
   6. Wyjmij próbkę po zakończeniu osadzania.
3. Procedura lift-off Cr
   1. Zanurzyć próbkę w acetonie z mieszaniem ultradźwiękowym na 5 minut.
   2. Oczyścić próbkę przez przepłukanie acetonem, metanolem i izopropanolem.
      Uwaga: Cr odparowany na rezyście zostanie podniesiony i zostanie utworzona maska Cr do trawienia podłoża
   .

5. Zeznanie TiO₂

1. Załaduj próbkę.
2. Ustaw parametry napylarki magnetronowej prądu stałego
   1. Użyj ciśnienia w komorze 1,5 mTorr, przepływu Ar 100 sccm i mocy rozpylania 130 W.
   2. Stosować temperaturę 27 °C i prędkość obrotową stolika 20 obr./min.
3. Rozpocznij proces napylania i zatrzymaj się na żądanej grubości.
4. Wyjąć próbkę i wyżarzać warstwę TiO₂ w środowisku tlenowym w temperaturze 300 °C przez 3 godziny.

6. Krata o wysokim kontraście

1. Zaloguj się do maszyny do reaktywnego trawienia jonowego (RIE) plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP).
2. Wytrawianie TiO₂
   1. Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową.
   2. Uruchom i uruchom czystą recepturę (można ją znaleźć w Tabeli 1) przez 10 minut.
   3. Rozładuj czystą płytkę, załaduj czystą płytkę i załaduj próbkę maską Cr.
   4. Ustaw czas trawienia. Rozpocznij przepis na wytrawianie TiO₂. Proces trawienia zostanie automatycznie zatrzymany.
   5. Rozładować próbkę.
3. Wytrawianie SiO₂
   1. Powtórz krok 5.2, z wyjątkiem użycia przepisu na wytrawianie SiO₂.

7. Pomiar współczynnika odbicia

1. Zaloguj się i włącz system pomiarowy.
2. Umieść zwierciadło wzorcowe odbicia na uchwycie próbki i wyrównaj ścieżkę optyczną.
3. Skalibruj system pod kątem 100% współczynnika odbicia.
4. Zdejmij lustro o standardowym współczynniku odbicia i umieść HCG.
5. Zmierz współczynnik odbicia HCG.
6. Zapisz dane i wyloguj się z systemu pomiarowego.

Rysunek 1 pokazuje implementację elementu dyspersyjnego (wielowarstwowa siatka o wysokim kontraście (HCG)) w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Światło słoneczne jest najpierw odbijane przez zwierciadło główne i pada na odblaskowy element dyspersyjny, gdzie wiązka jest odbijana i dzielona na różne pasma o różnych długościach fal. Każde pasmo będzie uderzać w określone miejsce na panelu ogniw słonecznych, aby zapewnić najlepszą absorpcję i konwersję na energię elektryczną. Kluczem do tego systemu jest zaprojektowanie i wykonanie elementu dyspersyjnego, który składa się z wielu warstw HCG.

Rysunek 2 pokazuje wynik optymalizacji numerycznej dla każdej warstwy w elemencie dyspersyjnym. Wyniki zostały obliczone za pomocą komercyjnego oprogramowania symulacyjnego "Lumerical" opartego na dziedzinie czasu o skończonej różnicy (FDTD)7, a następnie zweryfikowane za pomocą rygorystycznej analizy fal sprzężonych (RCWA)8. Współczynnik załamania światła TiO2 pochodził z internetowej bazy danych SOPRA9. Zoptymalizowany sześciowarstwowy element dyspersyjny może zapewnić całkowite odbicie ponad 90% w całym widmie słonecznym10,11.

Aby eksperymentalnie zademonstrować szerokopasmowy współczynnik odbicia HCG, jedna z sześciu warstw struktury elementu dyspersyjnego HCG jest wytwarzana za pomocą nanoimprintu. Jak pokazano na rysunku 3, każdy blok kraty składa się z dwóch części. Materiał górnej kraty to TiO2, a materiał kraty pomocniczej to stopiona krzemionka. Skok 2D HCG wynosi 453 nm. Szerokość linii każdej kraty wynosi 220 nm. Wysokość zarówno kraty górnej, jak i dolnej wynosi 340 nm. Materiał podłoża jest taki sam jak krata pomocnicza.

TiO2 został osadzony na stopionej krzemionce w HP Labs za pomocą maszyny do napylania magnetronu prądem stałym. Ciśnienie w komorze wynosiło 1,5 mTorr przy przepływie Ar około 100 sccm. Moc napylania wynosiła 130 W, a szybkość 4 nm/min. Dwie partie folii TiO2 napylano w różnych temperaturach, odpowiednio 27 °C i 270 °C. Aby zapewnić równomierne osadzanie filmu, podczas rozpylania włączono obrót stolika substratu (20 obr./min). Obie partie folii TiO2 wyżarzano w temperaturze 300 °C przez 3 godziny po rozpyleniu w celu poprawy jakości folii. Po osadzeniu obie partie folii TiO2 zbadano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) (ryc. 4). Zmierzono również współczynniki załamania światła folii TiO2 (ryc. 5). Zmierzone współczynniki załamania światła były o 10% niższe niż w standardowej bazie danych, ponieważ film był porowaty, co można również zaobserwować na rysunku 4. Wyższa temperatura rozpylania mogła zwiększyć współczynnik załamania światła, jednak chropowatość filmu była znacznie wyższa. Aby osiągnąć dobrą równowagę między współczynnikami załamania światła a chropowatością powłoki, jako materiał kraty wybrano folię TiO2, która została napylona w temperaturze 27 °C.

Główne etapy produkcji nanoodcisków są schematycznie pokazane na rysunku 6. Najpierw forma z określonymi wzorami jest dociskana do utwardzanego promieniami UV rezystora na podłożu. Następnie stosuje się światło UV w celu utwardzenia rezystu. Po utwardzeniu formę można oddzielić od podłoża, a kształt rezystu jest dokładnie odwrotny do formy. Nadrukowany wzór może być używany jako maska do wytrawiania resztkowego oporu, osadzania metalu, zdejmowania i na koniec wytrawiania w podłożu. W ten sposób kształt formy zostaje przeniesiony w głąb podłoża.

Aby wyprodukować HCG 2D, forma jest duplikowana z 1D periodycznej siatki krzemowej, która została wytworzona przez litografię interferencyjną12. Następnie ta sama forma jest używana do dwukrotnego odcisku w kierunkach ortogonalnych na tym samym podłożu krzemowym w celu narysowania układu otworów 2D (ilustracja 7). Hybrydowy proces nanoimprint13 pozwala na wytwarzanie próbek o dużej powierzchni o wysokiej rozdzielczości i niewielkich defektach. Wydrukowane wyniki (matryca krzemowa z matrycą otworów 2D) pokazano na rysunku 8. Chropowatość krawędzi można jeszcze bardziej zmniejszyć za pomocą technologii wygładzania krawędzi14.

Po zakończeniu tworzenia wzoru nanoimprint i tablicy masek Cr, do wytrawienia próbki używana jest maszyna ICP RIE. Opracowano dwie różne receptury trawienia odpowiednio dla TiO2 i stopionej krzemionki, co przedstawiono w tabeli 1. Sfabrykowaną konstrukcję pokazano na rysunku 9.

Współczynnik odbicia (od normalnego padania) HCG 2D został zmierzony za pomocą dwóch różnych spektrometrów z różnymi typami detektorów, detektora normalnego i detektora integracji sferycznej. W przeciwieństwie do detektora z integracją sferyczną, normalny detektor ma stosunkowo mały kąt akceptacji i dlatego nie będzie odbierał rozproszonego światła. Jak pokazano na rysunku 10, różnica w krzywych odbicia zmierzonych przez oba detektory wskazuje, że światło jest rozpraszane przez HCG ze względu na chropowatość struktury. Różnica między danymi pomiarowymi a symulacyjnymi w sferze integracji wynika głównie z utraty materiału i błędów produkcyjnych. Krzywe odbicia mogą wykazać, że wytworzone urządzenie może działać jako odbłyśnik taśmowy jako jedna warstwa w elemencie dyspersyjnym. Ze względu na wysoki kontrast wskaźnika między kratą a podłożem, HCG ma dobrą niezależność od kąta. Krzywa odbicia nie zmieni się zbytnio, gdy kąt padania jest mniejszy niż 15°.

Rysunek 1: Implementacja elementu dyspersyjnego (multiplayer HCG) w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym (CPV).

Ilustracja 2: numerycznie zoptymalizowane krzywe współczynnika odbicia dla konstrukcji elementu dyspersyjnego (sześciowarstwowy ułożony HCG), który może pokryć większość widma słonecznego.

Rysunek 3: Zoptymalizowana struktura HCG do demonstracji wytwarzania nanoodcisków.

Rysunek 4: Obrazy SEM (widok przekrojowy) napylanych filmów TiO2 w temperaturze (a) 27 °C i (b) 270 °C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zmierzone i standardowe współczynniki załamania światła (baza danych SOPRA) napylanych warstw TiO2.

Rysunek 6: Proces wytwarzania nanoodcisków. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Obraz SEM wzorca krzemowego 2D z matrycą otworów (widok z góry na dół).

Ilustracja 8: Zdjęcie matrycy krzemowej z matrycą otworów 2D wykonaną za pomocą nanoimprintu opartego na PDMS.

Rysunek 9: Obraz SEM (widok przekrojowy) wyprodukowanego HCG 2D.

Rysunek 10: Jedna symulowana krzywa odbicia i dwie zmierzone krzywe odbicia przy użyciu odpowiednio detektora całkującego i detektora normalnego.

Rysunek 11: (a) Wpływ współczynnika załamania światła na współczynnik odbicia HCG; (b) Wpływ kąta ściany bocznej na współczynnik odbicia HCG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Przepisy na trawienie dla TiO2, topionej krzemionki, odporności na promieniowanie UV, PMMA i czystej.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.