Name: Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 8 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania siatek o wysokim kontraście do rozdzielania widma w skoncentrowanych systemach fotowoltaicznych przy użyciu nanoimprint lithography i reactive ion etching. Technika ta poprawia efektywność optyczną przy niższych kosztach produkcji.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Przygotuj czysty substrat z polidimetylosiloksanu (PDMS) do formy nanoimprint
<ol>
	<li>Proces obróbki wafli krzemowych
	<ol>
		<li>Wyczyść 4-calową płytkę krzemową, spłukując ją acetonem, metanolem i izopropanolem.</li>
		<li>Wysuszyć go za pomocą pistoletu do azotu.</li>
		<li>Wyczyść go roztworem piranii (mieszanina kwasu siarkowego z 30% nadtlenkiem wodoru w proporcji 3:1), mocząc go w środku przez 15 minut.</li>
		<li>Spłucz go wodą DI. Wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu do azotu.</li>
		<li>Umieść wafel w szklanym eksykatorze. Dodać kroplę (20 kropli = 1 ml) środka antyadhezyjnego (trichlorosilanu) do eksykatora.</li>
		<li>Dopompuj eksykator, aż manometr wskaże -762 Torr i odczekaj 5 godzin.</li>
		<li>Wyjmij wafel, który został potraktowany środkiem antyadhezyjnym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie folii PDMS (stosowanej jako forma w nanoimprint)
	<ol>
		<li>Odważyć 10 g bazy z elastomeru silikonowego i 1 g utwardzacza.</li>
		<li>Dodaj je do tej samej szklanej zlewki.</li>
		<li>Mieszaj i mieszaj szklaną pałeczką przez 5 minut.</li>
		<li>Umieścić mieszaninę w eksykatorze próżniowym, aż manometr wskaże -762 Torr, aby wypompować wszystkie uwięzione pęcherzyki powietrza.</li>
		<li>Rozprowadź je równomiernie na obrobionej 4-calowej płytce krzemowej.</li>
		<li>Piecz wafel z PDMS na wierzchu w piekarniku próżniowym przez 7 godzin w temperaturze 80 °C, aby utwardzić film PDMS.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotuj formę nanoodcisku (duplikacja z formy głównej)
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Ostrożnie oderwij kawałek folii PDMS od obrabianej płytki krzemowej.</li>
	<li>Umieść folię PDMS na rezystorze utwardzanym promieniami UV i pozwól mu wchłonąć opór UV przez 5 minut, a następnie odklej</li>.
	<li>Powtórz 2,1-2,3 na tej samej folii PDMS dwa razy. Absorbuj odporność na promieniowanie UV odpowiednio przez 3 minuty i 1 minutę.</li>
	<li>Umieść folię PDMS (po trzykrotnej absorpcji odporności na promieniowanie UV) na silikonowej formie głównej.</li>
	<li>Umieść go w komorze ze środowiskiem azotu.</li>
	<li>Włącz lampę UV, aby utwardzić próbkę przez 5 minut.</li>
	<li>Zdejmij folię PDMS. Utwardzona odporność na promieniowanie UV na PDMS zachowa negatywny wzór formy wzorcowej.</li>
	<li>Użyj plazmy RF O2 do leczenia pleśni PDMS. (moc RF: 30 W, ciśnienie: 260 mTorr, czas: 1 min)</li>
	<li>Umieść formę PDMS w komorze próżniowej z jedną kroplą (20 kropli = 1 ml) środka antyadhezyjnego na 2 godziny.</li>
</ol>
3. Transfer wzoru nanonadruku
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Piecz na płycie grzejnej przez 5 minut w temperaturze 120 °C.</li>
	<li>Poczekaj, aż próbka ostygnie.</li>
	<li>Odkręć osiem kropli (20 kropli = 1 ml) rezystu utwardzanego promieniami UV (3,9%) na tym samym podłożu.</li>
	<li>Umieść formę PDMS (przygotowaną w kroku 2) na próbce (zarówno z odpornością na promieniowanie UV, jak i PMMA).</li>
	<li>Umieść go w komorze ze środowiskiem azotu.</li>
	<li>Włącz lampę UV, aby utwardzać przez 5 minut.</li>
	<li>Oderwij formę PDMS od próbki, a wzór na formie PDMS zostanie przeniesiony na próbkę.</li>
</ol>
4. Proces startu Cr
<ol>
	<li>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
	<ol>
		<li>Zaloguj się do maszyny RIE ICP.</li>
		<li>Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową. Uruchom czysty przepis na 10 minut.</li>
		<li>Wyjmij pustą płytkę krzemową.</li>
		<li>Zamontuj próbkę na innej czystej płytce krzemowej i załaduj ją do urządzenia.</li>
		<li>Uruchom przepis na wytrawianie odporne na promieniowanie UV przez 2 minuty (przepis można znaleźć w Tabeli 1).</li>
		<li>Wyjmij próbkę. Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową. Uruchom ponownie czystą recepturę (można ją znaleźć w Tabeli 1) przez 10 minut.</li>
		<li>Zamontuj próbkę na czystej płytce krzemowej i załaduj ją do maszyny.</li>
		<li>Uruchom przepis na wytrawianie PMMA (można go znaleźć w Tabeli 1) przez 2 minuty 
		Uwaga: Teraz resztkowy rezystor został wytrawiony, a podłoże jest odsłonięte.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Parowanie wiązki E Cr
	<ol>
		<li>Zaloguj się do parownika wiązki elektronicznej.</li>
		<li>Załaduj źródło metalu Cr i próbkę do komory.</li>
		<li>Ustaw grubość (20 nm) i szybkość stapiania (0,03 nm/s).</li>
		<li>Pompuj komorę, aż do osiągnięcia wymaganego podciśnienia (10-7 Torr).</li>
		<li>Rozpocznij proces osadzania.</li>
		<li>Wyjmij próbkę po zakończeniu osadzania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Procedura lift-off Cr
	<ol>
		<li>Zanurzyć próbkę w acetonie z mieszaniem ultradźwiękowym na 5 minut.</li>
		<li>Oczyścić próbkę przez przepłukanie acetonem, metanolem i izopropanolem. 
		Uwaga: Cr odparowany na rezyście zostanie podniesiony i zostanie utworzona maska Cr do trawienia podłoża</li>.
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Zeznanie TiO2 
<ol>
	<li>Załaduj próbkę.</li>
	<li>Ustaw parametry napylarki magnetronowej prądu stałego
	<ol>
		<li>Użyj ciśnienia w komorze 1,5 mTorr, przepływu Ar 100 sccm i mocy rozpylania 130 W.</li>
		<li>Stosować temperaturę 27 °C i prędkość obrotową stolika 20 obr./min.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozpocznij proces napylania i zatrzymaj się na żądanej grubości.</li>
	<li>Wyjąć próbkę i wyżarzać warstwę TiO2 w środowisku tlenowym w temperaturze 300 °C przez 3 godziny.</li>
</ol>
6. Krata o wysokim kontraście
<ol>
	<li>Zaloguj się do maszyny do reaktywnego trawienia jonowego (RIE) plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP).</li>
	<li>Wytrawianie TiO2
	<ol>
		<li>Załaduj pustą 4-calową płytkę krzemową.</li>
		<li>Uruchom i uruchom czystą recepturę (można ją znaleźć w Tabeli 1) przez 10 minut.</li>
		<li>Rozładuj czystą płytkę, załaduj czystą płytkę i załaduj próbkę maską Cr.</li>
		<li>Ustaw czas trawienia. Rozpocznij przepis na wytrawianie TiO2. Proces trawienia zostanie automatycznie zatrzymany.</li>
		<li>Rozładować próbkę.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wytrawianie SiO2
	<ol>
		<li>Powtórz krok 5.2, z wyjątkiem użycia przepisu na wytrawianie SiO2.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. Pomiar współczynnika odbicia
<ol>
	<li>Zaloguj się i włącz system pomiarowy.</li>
	<li>Umieść zwierciadło wzorcowe odbicia na uchwycie próbki i wyrównaj ścieżkę optyczną.</li>
	<li>Skalibruj system pod kątem 100% współczynnika odbicia.</li>
	<li>Zdejmij lustro o standardowym współczynniku odbicia i umieść HCG.</li>
	<li>Zmierz współczynnik odbicia HCG.</li>
	<li>Zapisz dane i wyloguj się z systemu pomiarowego.</li>
</ol>

<ol><li>Horne, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Solid+500+Sun+Compound+Concentrator+PV+Design%5BTitle%5D)+AND+%22Photovoltaic+Energy+Conversion%2C+Conference+Record+of+the+2006+IEEE+4th+World+Conference+on%22%5BJournal%5D)">A Solid 500 Sun Compound Concentrator PV Design.</a> Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on. , 694-697(2006).</li>
<li>Guter, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current-matched+triple-junction+solar+cell+reaching+41.1%25+conversion+efficiency+under+concentrated+sunlight%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight.</a> Applied Physics Letters. 94, 223504(2009).</li>
<li>Shockley, W., Queisser, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detailed+Balance+Limit+of+Efficiency+of+p-n+Junction+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells.</a> Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).</li>
<li>Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Potential+for+low+dimensional+structures+in+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering%3A+B%22%5BJournal%5D)">Potential for low dimensional structures in photovoltaics.</a> Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).</li>
<li>Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physics+of+near-wavelength+high+contrast+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Physics of near-wavelength high contrast gratings.</a> Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).</li>
<li>Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoimprint+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%3A+Microelectronics+and+Nanometer+Structures%22%5BJournal%5D)">Nanoimprint lithography.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 14, 4129-4133 (1996).</li>
<li>Namiki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+FDTD+algorithm+based+on+alternating-direction+implicit+method.+Microwave+Theory+and+Techniques%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on%22%5BJournal%5D)">A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques.</a> IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).</li>
<li>Moharam, M. G., Gaylord, T. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rigorous+coupled-wave+analysis+of+planar-grating+diffraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Opt.+Soc.+Am%22%5BJournal%5D)">Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction.</a> J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).</li>
<li>Smilab. S. nk Database. World Wide Web. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.sopra-sa.com/">http://www.sopra-sa.com/</a> (2015).</li>
<li>Yao, Y., Liu, H., Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectrum+splitting+using+multi-layer+dielectric+meta-surfaces+for+efficient+solar+energy+harvesting%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+A%22%5BJournal%5D)">Spectrum splitting using multi-layer dielectric meta-surfaces for efficient solar energy harvesting.</a> Appl. Phys. A. 115, 713-719 (2014).</li>
<li>Yao, Y., Liu, H., Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+high-contrast+gratings+for+a+parallel+spectrum+splitting+dispersive+element+in+a+concentrated+photovoltaic+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Fabrication of high-contrast gratings for a parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B. 32, 06FG04-06FG04-6 (2014).</li>
<li>Solak, H. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sub-50+nm+period+patterns+with+EUV+interference+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronic+Engineering%22%5BJournal%5D)">Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography.</a> Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+nanoimprint%E2%88%92+soft+lithography+with+sub-15+nm+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+letters%22%5BJournal%5D)">Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution.</a> Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).</li>
<li>Yu, Z., Chen, L., Wu, W., Ge, H., Chou, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+nanoscale+gratings+with+reduced+line+edge+roughness+using+nanoimprint+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Vacuum+Science+%26+Technology+B%22%5BJournal%5D)">Fabrication of nanoscale gratings with reduced line edge roughness using nanoimprint lithography.</a> Journal of Vacuum Science & Technology B. 21, 2089-2092 (2003).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>184 Zestaw elastomerów silconowych</td><td>Sylgard</td><td></td><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td></tr><tr><td>4-calowy wafel krzemowy</td><td>Universitywafer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-calowy topiony wafel krzemionkowy</td><td>Universitywafer</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Poli(metakrylan metylu)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>182265</td><td></td></tr><tr><td>Odporny</td><td></td><td></td> na promieniowanie UV <td>Ani dostępny na rynku</td></tr><tr><td>PlasmaLab System 100</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>ICP IRE machine</td></tr><tr><td>System utwardzania UV do produkcji</td><td></td><td></td> nanonadruków <td>Niedostępne na rynku</td></tr><tr><td>Ocean Optics HR-4000&nbsp;</td><td>Ocean Optics</td><td>HR-4000</td><td>Spektrometr z normalnym detektorem</td></tr><tr><td>Lambda 950 UV / VIS</td><td>PerkinElmer</td><td></td><td>spektrometr z detektorem integracji półkul</td></tr><tr><td>JSM-7001F-LV</td><td>JEOL</td><td></td><td>Emisja pola Maszyna</td></tr><tr><td></td><td></td><td>do rozpylania magnetronowego</td> SEM DC <td>Sprzęt jest w laboratoriach HP, którzy pomogli nam rozpylić TiO2</td></tr><tr><td>Metalowy parownik wiązki elektronicznej</td><td>Temescal</td><td>BJD-1800</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Fabrication of High Contrast Gratings for the Spectrum Splitting Dispersive Element in a Concentrated Photovoltaic System

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.

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...

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.

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

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest zademonstrowanie wykonania elementu do rozszczepiania widma o wysokim kontraście w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Osiąga się to poprzez wykonanie nanolitografii imprintingowej z użyciem PDMS na szklanym podłożu z dwutlenkiem tytanu pokrytym warstwą fotorezystu utwardzanego promieniami UV. W drugim kroku pozostały fotorezyst z nanimprintingu jest trawiony, a następnie za pomocą techniki lift-off wytwarza się wzorowaną twardą maskę chromową.Następnie wykorzystano trawienie reaktywne jonami do uformowania matrycy gradientowej z dwutlenku tytanu i szkła, w oparciu o wyniki pomiarów ze spektrometru. Wykonany gradient o wysokim kontraście wykazuje szerokopasmową odbijalność, która może być wykorzystana w elementach dyspersyjnych w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Pomysł na tę metodę pojawił się, gdy odkryliśmy, że w przeciwieństwie do tradycyjnych siatek dyfrakcyjnych, te wysokokontrastowe siatki z dwutlenku tytanu wykazują egzotyczny profil odbijalności.Dlatego możemy wykorzystać go do budowy dyspersyjnego elementu rozszczepiającego widmo, który znacznie zwiększyłby absorpcję energii w tanich ogniwach słonecznych z pojedynczym złączem. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak stosowanie kosztownej technologii ogniw słonecznych wielozłączowych do absorpcji szerokopasmowego światła słonecznego, jest to, że siatki oferują wyższą wydajność absorberów przy niższych kosztach produkcji, a imprinting jest niskokosztową technologią produkcji o wysokiej wydajności, która nadaje się do wytwarzania wysokokontrastowych siatek o dużej powierzchni. Aby rozpocząć proces mikrofabrykacji, umieść czysty wafelek krzemowy w szklanym deskryptorze próżniowym i dodaj jedną kroplę ciekłego trichloroetylenu do małego zlewka wewnątrz deskryptora.Zamknij pokrywę deskryptora i odpompuj powietrze z komory, aż manometr wskaże wartość poniżej jednej atmosfery. Następnie zamknij regulator próżni i pozostaw odparowany roztwór sine w celu pokrycia powierzchni wafla przez pięć godzin w warunkach próżni statycznej. Po zakończeniu zabiegu przerwij próżnię i wyjmij wafel z deskryptora.Następnie odważ 10 g PDMS oraz jeden gram utwardzacza PDMS. W zlewce średniej wielkości równomiernie wymieszaj obie części za pomocą szklanej bagietki, a następnie umieść naczynie w desykatorze próżniowym na 20 do 30 minut, aby usunąć pęcherzyki powietrza z mieszaniny. Po odgazowaniu umieść wafelek w plastikowej szalce Petriego i powoli wlej PDMS na wafelek krzemowy. Przenieś wafelek do pieca próżniowego i utwardzaj PDMS przez siedem godzin w temperaturze 80 °C.Na koniec wyjmij utwardzony PDMS z piekarnika i pozwól filmowi polimerowemu ostygnąć do temperatury pokojowej. Przygotuj kolejny kawałek wafla krzemowego i umieść podłoże w powłokowarku (spin coater). Nanieś 12 kropli fotorezystu utwardzanego promieniami UV na wafel, a następnie rozprowadź go metodą wirową przy 1500 RPM przez 30 sekund, dopóki fotorezyst jest jeszcze mokry.Ostrożnie usuń fragment utwardzonego PDMS z poprzedniego wafla i delikatnie dociśnij PDMS do utwardzalnego promieniami UV resistu. Pozostaw PDMS w kontakcie z fotorezystem przez pięć minut, a następnie ostrożnie odlep PDMS od podłoża z fotorezystem, aby stworzyć odlew struktur stopniowanych w miękkiej warstwie fotorezistu. Delikatnie dociśnij film z PDMS do istniejącej krzemowej formy matrycowej zawierającej interesujące nas negatywowe cechy reliefu.Umieść kombinację PDMS i matrycy krzemowej w piecu UV i włącz lampę UV, aby utwardzić miękką, warstwową warstwę fotorezystu przez pięć minut w atmosferze azotu. Po utwardzeniu odklej formę PDMS od wafla matrycy krzemowej. W rezultacie powierzchnia PDMS powinna teraz zawierać cienką warstwę utwardzonego fotorezystu z reliefem powierzchni odpowiadającym strukturom nanogradiencyjnym.Na koniec poddaj utwardzoną powierzchnię fotorezystu szybkiej czyszczącą obróbce plazmą tlenową RF. Następnie umieść formę PDMS w eksykatorku próżniowym i inkubuj z jedną kroplą trichloroetylenu przez dwie godziny. Elementy na formie do nanoimprintingu z fotorezystu PDMS są teraz gotowe do przeniesienia wzoru na dowolną podłoże.Aby rozpocząć, należy umieścić podłoże z topionego krzemionki z naniesioną na powierzchnię 340 nm warstwą rozpylonego dwutlenku tytanu. Na podłożu znajdującym się w uchwycie wirówki dozować osiem kropli PMMA, a następnie przeprowadzić powlekanie wirowaniem z prędkością 3 500 RPM przez 50 sekund. Przenieść podłoże na wstępnie podgrzaną płytę grzewczą ustawioną na 120 °C i utwardzić PMMA przez pięć minut.Po ochłodzeniu wafla do temperatury pokojowej, umieść podłoże urządzenia z powrotem na uchwycie wirówki. Nanieś osiem kropli utwardzanego promieniami UV resistu na powierzchnię i przeprowadź powlekanie wirowaniem. Drugą warstwę resistu nakładaj przy 1500 RPM przez 30 sekund.Otrzymany wafelek urządzenia jest gotowy do etapu transferu nanoimprintingu, podczas gdy lakier UV jest jeszcze mokry. Ostrożnie umieść formę z PDMS z nanoimprintingiem, stroną z utwardzonymi strukturami lakieru skierowaną w dół, w kontakcie z miękką powierzchnią lakieru UV. Umieść całą kanapkę w piecu UV i utwardzaj mokrą warstwę lakieru pod oświetleniem UV przez pięć minut w atmosferze azotu.Po utwardzeniu fotorezystu UV, odklej formę z PDMS od wafla urządzenia, aby usunąć pozostały fotorezyst UV znajdujący się w zagłębieniach struktur stopniowania. Przenieś wafele do trawionego plazmą sprzężoną indukcyjnie i zastosuj program trawienia fotorezystu UV plazmą tlenową przez dwie minuty na koniec tego etapu. Warstwa podkładowa z PMMA powinna być teraz odsłonięta w zagłębieniach nanostruktury.Aby usunąć odsłoniętą warstwę PMMA i odsłonić znajdującą się pod nią warstwę dwutlenku tytanu, należy wybrać program trawienia PMMA z konsoli urządzenia trawiącego i zastosować obróbkę plazmą tlenową przez dwie minuty. W tym momencie podłoże urządzenia jest gotowe do etapów osadzania metalu i litografii, które określą końcowe cechy nanogradacji. W celu utworzenia maski trawiącej z chromu na wierzchu dwutlenku tytanu.Najpierw wyjmij wafelek z trawacza plazmowego i przenieś podłoże do metalicznego odparowacza wiązką elektronową zawierającego źródło chromu. Po opróżnieniu komory z powietrza roztop źródło metalu i nanieś 20 nanometrów chromu z prędkością 0,03 nanometra na sekundę. Wyjmij wafelek z odparowacza e-beam i zanurz podłoże w szklanym naczyniu wypełnionym acetonem.Następnie umieść pojemnik w kąpieli ultradźwiękowej i uruchom ją na pięć minut w temperaturze pokojowej. Dzięki zastosowaniu agitacji ultradźwiękowej płytki krzemowej rozpuszczalnik szybko rozpuści podległą warstwę PMMA, uwalniając tym samym chrom, który nie znajdował się w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią dwutlenku tytanu. W rezultacie układ stabilnych wzorów chromowych pozostałych na płytce zdefiniuje ostateczną geometrię gradacji przy użyciu pęsety.Wyjmij urządzenie z kąpieli w acetonie i usuń wszelkie pozostałości PMMA oraz luźne opiłki metalu, stosując sekwencję płukania acetonem, metanolem i izopropanolem. Wysusz wafelek delikatnym strumieniem azotu lub sprężonego powietrza i krótko sprawdź pod mikroskopem, czy nie występują w nim żadne defekty. Następnie umieść wafelek w trawaczu plazmowym, uruchom procedurę trawienia dwutlenku tytanu, wyjmij wafelek po zakończeniu procesu i zweryfikuj pod mikroskopem usunięcie odsłoniętej warstwy dwutlenku tytanu, aby zdefiniować szklane struktury podgradientowe znajdujące się pod dwutlenkiem tytanu.Włóż ponownie podłoże do urządzenia do trawienia plazmowego i uruchom program trawienia dwutlenku krzemu. Wyjmij podłoże i sprawdź pod mikroskopem, czy na waflu nie występują defekty. Na koniec usuń twardą maskę chromową za pomocą szybkotrawiącego kwasu.Wytrawienie odsłoniętego wzoru z dwutlenku tytanu oraz rowki w szkle stanowią finalną strukturę gradientu o wysokim kontraście. Aby zmierzyć szerokopasmową odbijalność gradientu tlenku tytanu, należy rozpocząć od włączenia systemu pomiarów optycznych i umieszczenia lustra wzorcowego na uchwycie do próbek.Ustaw uchwyt próbki w osi wiązki padającej i skalibruj detektor w taki sposób, aby całkowite zmierzone odbicie od lustra wzorcowego wynosiło teoretyczne 100%. Następnie zastąp lustro wzorcowe próbką tlenku tytanu o wysokim kontraście i rozpocznij pomiar odbicia szerokopasmowego urządzenia. Zapisz dane z pomiaru i wyloguj się z systemu pomiarowego, zwiększając temperaturę podłoża.Proces rozpylania metali prowadzi do uzyskania większego rozmiaru ziarna dwutlenku tytanu i wyższego współczynnika załamania światła. Pod kątem obserwacji w mikroskopie elektronowym jego większa chropowowatość powierzchni sprawia, że jest on niepożądanym materiałem na warstwę wierzchnią w porównaniu z filmami tlenków metali osadzonymi w niższych temperaturach. Współczynnik kształtu, kąt nachylenia ścianki bocznej, skok oraz szerokość linii dwuwarstwowej struktury gradientowej są łatwo widoczne w porównaniu z zarejestrowanymi danymi o współczynniku odbicia.Z zastosowaniem zwykłego detektora o małym kącie akceptacji. Detektor sferyczny o szerszym kącie akceptacji pozwala na rejestrację i charakterystykę stopniowego odbicia oraz rozproszenia z bardziej chropowatych powierzchni tlenków metali. Jak sugerują dane, niewielki wzrost współczynnika załamania światła może wywołać gwałtowny wzrost szerokości pasma odbicia.Ponadto, w miarę jak kąt ścianki bocznej odbiega od idealnego kąta prostego, szerokość pasma odbicia drastycznie spada. Po opanowaniu tej techniki, proces ten można przeprowadzić w ciągu kilku godzin, pod warunkiem właściwego wykonania. Ważne jest, aby kontrolować powstawanie defektów podczas procesu imprintingowania.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak wytwarzać duże obszary o wysokim kontraście kratkowania z wykorzystaniem technik nanodruku oraz jak stosować je w architekturze systemu photobotta.

fabrication-high-contrast-gratings-for-spectrum-splitting-dispersive

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Polikrystaliczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu na szkle są wytwarzane poprzez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Pułapkowanie światła oparte na plazmonice wprowadza się poprzez formowanie nanocząsteczek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytego reflektorem dyfuzyjnym, co skutkuje wzrostem prądu światła o ok. 45%.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

Przedstawiono ogólną strategię opracowania kompozytów nanokryształów półprzewodnikowych z separacją ładunku, które można wykorzystać w produkcji energii słonecznej. Wykazano, że zgrupowanie domen nanokryształów typu donora i akceptora w obrębie pojedynczej nanocząstki nadaje jej funkcję fotokatalityczną, podczas gdy heterozłącza objętościowe (bulk-heterojunctions) w filmach z nanokryształów typu donora i akceptora mogą być wykorzystywane do fotowoltażnej konwersji energii.

Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

Wyprodukowano zintegrowane urządzenie, zawierające barwnikowe ogniwo słoneczne i jednostkę do konwersji w górę anihilacji trypletowo-trypletowej, co pozwoliło na lepsze zbieranie światła z szerszego wycinka spektrum słonecznego. Przy umiarkowanych poziomach napromieniowania wykazano znacznie zwiększoną reakcję na fotony o niskiej energii, co przyniosło rekordową wartość dla ogniw słonecznych wrażliwych na barwnik.

Integracja systemu konwersji w górę anihilacji triplet-triplet w celu zwiększenia wrażliwości barwnika ogniwa słonecznego na światło sub-pasmo wzbronione

Protokół pomiarowy i procedura analizy danych są podane dla uzyskania poprzecznej spójności źródła promieniowania synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego wzdłuż czterech kierunków jednocześnie za pomocą pojedynczej siatki fazowej 2-D w szachownicę. Ta prosta technika może być zastosowana do pełnej charakterystyki koherencji poprzecznej źródeł promieniowania rentgenowskiego i optyki rentgenowskiej.

Pomiar koherencji wiązki promieniowania rentgenowskiego w wielu kierunkach za pomocą siatki fazowej 2D w szachownicę

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Prezentujemy obszerne badanie na temat efektów różnych metod wytwarzania organicznych/nieorganicznych cienkich warstw perowskitu, porównując struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energii i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Soczewka Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) wykorzystuje dwa materiały o różnej dyspersji, aby zredukować aberrację chromatyczną i zwiększyć osiągalne stężenie. W niniejszej pracy przedstawiono protokół pełnej charakterystyki soczewki Fresnela ADG.

Wewnętrzna eksperymentalna ocena wydajności i plamki natężenia promieniowania soczewki Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) do koncentracji fotowoltaiki

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si.

Opracowywanie wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Ten protokół opisuje budowę taniego, dyskretnego, sprzężonego światłowodami i z przestrzenią powietrzną etalonowego Fabry'ego-Perota z różnymi zastosowaniami, takimi jak spektroskopia gazów śladowych. Produkcja jest możliwa w każdym obiekcie, w którym dostępny jest standardowy optyczny sprzęt laboratoryjny.

Wytwarzanie taniego, sprzężonego z włóknami i rozmieszczonego powietrznie etalonu Fabry-Pérot

Poznaj metodę wytwarzania siatek o wysokim kontraście do rozdzielania widma w skoncentrowanych systemach fotowoltaicznych przy użyciu nanoimprint lithography i reactive ion etching. Technika ta poprawia efektywność optyczną przy niższych kosztach produkcji.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów