Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

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

10.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52913

⸱

18 lipca 2015

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

W tym artykule

Podsumowanie

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Streszczenie

Siatki o wysokim kontraście są projektowane i produkowane, a ich zastosowanie jest proponowane w elemencie dyspersyjnym z równoległym podziałem widma, który może poprawić wydajność konwersji energii słonecznej w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Proponowany system obniży również koszt ogniw słonecznych w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym poprzez zastąpienie drogich tandemowych ogniw słonecznych opłacalnymi ogniwami słonecznymi z pojedynczym złączem. Struktury i parametry siatek o wysokim kontraście dla elementów dyspersyjnych zostały zoptymalizowane numerycznie. Wytwarzanie na dużej powierzchni siatek o wysokim kontraście zostało eksperymentalnie zademonstrowane przy użyciu litografii nanoodciskowej i trawienia na sucho. Jakość materiału kraty i wydajność wyprodukowanego urządzenia zostały scharakteryzowane doświadczalnie. Analizując wyniki pomiarów, omówiono możliwe skutki uboczne procesów produkcyjnych i zaproponowano kilka metod, które mogą potencjalnie usprawnić procesy produkcyjne, co może pomóc w zwiększeniu wydajności optycznej wytwarzanych urządzeń.

Wprowadzenie

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.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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. .
  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
      3. .

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.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rycina 1 przedstawia implementację elementu dyspersyjnego (wielowarstwowej siatki o wysokim kontraście (HCG)) w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Światło słoneczne jest najpierw odbijane przez lustro główne i pada na refleksyjny element dyspersyjny, w którym wiązka zostaje odbita i rozdzielona na różne pasma o różnych długościach fal. Każde pasmo pada na określone miejsce w matrycy ogniw słonecznych w celu zapewnienia optymalnej absorpcji i konwersji na energię elektryczną. Kluczem do tego system...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Po pierwsze, jakość folii TiO2 jest bardzo ważna dla wydajności HCG. Szczyt współczynnika odbicia będzie wyższy, jeśli folia TiO2 ma mniejsze straty i chropowatość powierzchni. Folia TiO2 o wyższym współczynniku załamania światła jest również korzystna, ponieważ ograniczenie w trybie optycznym zostanie wzmocnione przez wyższy współczynnik kontrastu, co może spowodować bardziej płaskie i szersze pasmo odbicia w HCG.

Po drugie, błędy produkcyjne będą miały znaczą...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

To badanie było wspierane jako część Center for Energy Nanoscience, Energy Frontier Research Center finansowanego przez U.S. Department of Energy, Office of Science pod numerem nagrody DE-SC0001013. Chcemy również podziękować dr Maxowi Zhangowi i dr Jianhua Yangowi z HP Labs za ich pomoc w pomiarze rozpylania folii TiO2 i współczynników załamania światła.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
184 Zestaw elastomerów silconowychSylgardPolydimethylsiloxane (PDMS)
4-calowy wafel krzemowyUniversitywafer
4-calowy topiony wafel krzemionkowyUniversitywafer
Poli(metakrylan metylu)Sigma-Aldrich182265
OdpornyAni dostępny na rynku
PlasmaLab System 100Oxford InstrumentsICP IRE machine
System utwardzania UV do produkcjiNiedostępne na rynku
Ocean Optics HR-4000 Ocean OpticsHR-4000Spektrometr z normalnym detektorem
Lambda 950 UV / VISPerkinElmerspektrometr z detektorem integracji półkul
JSM-7001F-LVJEOLEmisja pola Maszyna
do rozpylania magnetronowegoSprzęt jest w laboratoriach HP, którzy pomogli nam rozpylić TiO2
Metalowy parownik wiązki elektronicznejTemescalBJD-1800
na promieniowanie UV nanonadruków SEM DC

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Litografia nanoimprintowareaktywne trawienie jonowedwutlenek tytanuforma z PDMSywica utwardzana promieniami UVtwarda maska chromowaodbicie szerokopasmowe
Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.