Artigo de método

Integração da luz Interceptação de prata Nanoestruturas em células solares de silício hidrogenado microcristalina por Transferência de impressão

DOI:

10.3791/53276

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9 de novembro de 2015

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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

Neste artigo

Resumo

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Uma metodologia viável baseada em impressão de transferência para introduzir nanoestruturas de metal plasmônico em células solares é descrita. Usando selos de poli (dimetilsiloxano) de nanopilares, uma matriz de nanodisco ordenada baseada em Ag foi integrada com células solares de Si microcristalinas hidrogenadas padrão, o que levou a um melhor desempenho do dispositivo devido ao aprisionamento de luz plasmônica.

Resumo

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Uma das aplicações potenciais das nanoestruturas metálicas é o aprisionamento de luz em células solares, onde as propriedades ópticas únicas dos metais nanométricos, comumente conhecidas como efeitos plasmônicos, desempenham um papel importante. A pesquisa neste campo foi, no entanto, impedida devido à dificuldade de fabricar dispositivos contendo as nanoestruturas metálicas funcionais desejadas. A fim de fornecer uma estratégia viável para esse problema, mostramos aqui uma abordagem baseada em impressão por transferência que permite a integração rápida e de baixo custo de nanoestruturas metálicas projetadas com uma variedade de arquiteturas de dispositivos, incluindo células solares. Os selos de poli (dimetilsiloxano) (PDMS) de nanopilares foram fabricados a partir de um filme plástico de nanofuros disponível comercialmente como molde mestre. Nestes selos PDMS nanopadronizados, foram depositados filmes de Ag, que foram então impressos por transferência na superfície de Si microcristalino hidrogenado revestido com copolímero de bloco (camada de ligação) (μc-Si: H) para fornecer estruturas de nanodisco Ag ordenadas. Foi confirmado que as células solares μc-Si:H incorporadas a nanodiscos de Ag resultantes mostram desempenhos mais altos em comparação com uma célula sem os nanodiscos de Ag impressos por transferência, graças ao efeito de captura de luz plasmônica derivado dos nanodiscos de Ag. Devido à simplicidade e versatilidade, a aplicação adicional do dispositivo também seria viável por meio dessa abordagem.

Introdução

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Tem havido uma demanda de longa data para a aplicação de nanoestruturas funcionais em uma ampla gama de campo tecnológico. Uma das expectativas para esta tendência é abrir novo design de arquiteturas de dispositivos que levam a performances melhoradas ou inovadoras. No campo das células solares, por exemplo, o uso de nanoestruturas de metal tem sido activamente explorado devido às suas propriedades intrigantes ópticos (isto é, 1), plasmonic potencialmente benéficos para a construção de sistemas de luz de armadilhagem eficazes. 2,3 estudos Na verdade, alguns teóricos 4 -6 têm sugerido que tal luz trapping plasmonic podia ter efeitos que ultrapassem os óptica de raios convencionais (texturização) -baseado limite trapping luz. 7 Como resultado, o desenvolvimento de estratégias para integrar nanoestruturas metálicas desejados com células solares tornou-se cada vez mais importante a fim de realizar estes previsões teóricas.

Um certo número de estratégias têmForam propostas para enfrentar esse desafio 8-24. Estes incluem, por exemplo, simples (low-cost) o tratamento térmico de filmes de metal 8,9 ou dispersão de nanopartículas metálicas pré-sintetizados, 10,11 sendo que ambos resultou em sucesso das demonstrações trapping luz plasmonic. No entanto, deve-se salientar que as nanoestruturas metálicas fabricadas por essas abordagens são geralmente um desafio para corresponder aos modelos teóricos. Em contraste, as técnicas tradicionais de nanofabrico em indústrias de semicondutores, tais como a fotolitografia e a litografia por feixe de electrões, pode controlar 12,13 estruturas bem abaixo do nível de sub-100 nm, mas eles são frequentemente demasiado caro e demorado para aplicar para células solares, onde a capacidade de grandes áreas com baixo custo é essencial. A fim de cumprir a baixo custo e de alto rendimento, e as exigências da grande-área com nanoescala controlabilidade, métodos tais como a litografia nanoimpressão, 14-16 litografia macia, 17,18 Litografia nanosphere, 19-21 e hole-máscara coloidal litografia 22-24 seria promissor. Entre essas opções, temos desenvolvido uma litografia suave, avançado técnica de impressão de transferência. 25 Usando um poli nanoestruturada (dimetilsiloxano) (PDMS) selos e camadas adesivas à base de copolímero em bloco, padronização de nanoestruturas metálicas encomendados poderia ser facilmente alcançado em um número de tecnologicamente materiais relevantes, incluindo os de células solares.

O foco deste artigo é descrever o procedimento detalhado da nossa abordagem de impressão por transferência para incorporar luz de armadilhagem nanoestruturas plasmonic eficazes em estruturas de células solares existente. Como um exemplo demonstrativo, nanodiscos Ag e de película fina hidrogenado Si microcristalina (uC-Si: H) células solares foram seleccionados neste estudo (Figura 1), 26 embora outros tipos de metais e células solares são compatíveis com esta abordagem. Em conjunto com o processo desimplicidade, a abordagem seria do interesse de diversos pesquisadores como uma ferramenta útil para integrar nanoestruturas metálicas funcionais com os dispositivos.

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Protocolo

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1. Preparação de PDMS selos

  1. Definir um molde nanohole (ciclo nanoimprinted filme plástico de polímero de olefina, tamanho: 50 mm x 50 mm) de um recipiente (PTFE) politetrafluoroetileno.
  2. Pesar copolímero de dimetilsiloxano-vinilmetilsiloxano (0,76 g para o molde 50 mm × 50 mm) numa garrafa de vidro descartável e misturá-lo com o complexo de Pt-diviniltetrametildissiloxano (6 ul, utilizando uma micro pipeta digital com uma ponta de polipropileno descartável) e 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ul, utilizando uma micro pipeta digital com uma ponta de polipropileno descartável).
  3. Adicionar copolímero de dimetilsiloxano-methylhydrosiloxane (0,24 ml, utilizando uma micro pipeta digital com uma ponta de polipropileno descartável) no frasco de vidro e mistura-lo rapidamente usando uma pipeta de vidro descartável. Depois da superfície do molde definida no recipiente de PTFE é soprado por N 2, verter a mistura resultante ("duro" pré-polímero de PDMS) sobre o molde e começa a rotação do aventalção a 1000 rpm durante 40 segundos para atingir a espessura de camada de 40 ~ ^ M.
  4. Colocar a amostra revestidos por centrifugação numa câmara quente pré-aquecido a 65 ° C durante 30 min para brevemente reticular os PDMS rígidos.
  5. Durante o aquecimento, a pesar de silicone (6 g) e misturá-lo com o catalisador (0,6 g) numa garrafa de vidro descartável. Colocar o frasco de vidro em um excicador de vácuo e aplicar vácuo (~ 133 Pa) durante 15 min para remover o ar preso na mistura de silicone ("soft" pré-polímero de PDMS).
  6. Retire o molde e pré-polímero PDMS suave da câmara de aquecimento e secador de vácuo, respectivamente, e despeje rapidamente os PDMS moles pré-polímero para o molde aquecido. A espessura da camada de PDMS macio é ~ 3 mm.
  7. Colocar a amostra resultante em exsicador de vácuo mais uma vez para mais de desgaseificação a ~ 133 Pa pelo menos durante 1 hora.
  8. Transfira a amostra desgaseificada para a câmara de aquecimento e começam aquecendo gradualmente até 80 ° C (velocidade de aquecimento ~ 3 ° C / min). Manter esta temperatura durante 5 hpara reticular o PDMS duros e macios completamente.
  9. Depois de se arrefecer a amostra até à TA, descascar o PDMS selo cuidadosamente a partir do molde. Reutilizar o molde para preparar o segundo (ou mais) selos, se necessário. Nota: O mesmo molde pode ser usado, pelo menos, cinco vezes sem a degradação da qualidade do selo.
  10. Corte o selo nanopillar resultante (dupla camada hard / soft PDMS composto) 27 em pedaços de tamanhos desejados (normalmente 7 mm x 7 mm para as nossas células solares), utilizando uma faca e armazená-las sob ar até à sua utilização.

2. Preparação de copolímero em bloco Solutions

  1. Pesa-se o pó de bloco polystyrene- -poli-2-vinilpiridina (PS-b -P2VP) em um frasco de vidro e mistura-lo com o-xileno na proporção de 3 mg / ml (PS-b -P2VP / o-xileno) .
  2. Agita-se a mistura utilizando uma barra de agitação magnética revestida com PTFE a 70 ° C durante 1 h.
  3. Manter a solução resultante durante mais de 24 horas à temperatura ambiente sem agitaçãoanel para completar a formação de micelas de auto-montadas. Firmemente selar a solução e armazená-lo em condições ambientais. Nota: A qualidade da solução mantém-se inalterada mesmo um ano após a preparação.

3. Preparação de μ c-Si: H Substratos

  1. Vidros Lavar coberto com SnO 2: F (denotar vidro / SnO2: F, daqui em diante) com H2O (500 ml), detergente (500 ml), e H 2 O (500 ml) à temperatura ambiente utilizando um banho de ultra-sons (15 min para cada). Seque-os por sopro N 2.
  2. Coloque o vidro limpo / SnO 2: F substratos em um suporte de substrato e depósito de ZnO: Ga (20 nm) utilizando uma corrente contínua (DC) Sistema de pulverização direta com as condições especificadas na Tabela 2.
  3. Coloque o vidro / SnO 2: F / ZnO: substratos Ga em outro titular substrato e depósito μ c-Si: H p (10 milhas náuticas), i (500 nm), e N (40 nm) camadas usando um produto químico melhorado por plasma Vapodeposição r sistema (PECVD) com as condições especificadas na Tabela 2.
  4. Guarde o resultante μ c-Si: H (vidro / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substratos sob vácuo ou N 2 até o passo-a impressão de transferência.

4. Ag-revestimento de PDMS selos

  1. Lavar os carimbos de PDMS (preparado no passo 1) com EtOH (30 ml) usando um banho ultrassónico durante 15 minutos e secas por sopro de N2.
  2. Coloque os selos PDMS limpos em um suporte de amostras usando fita adesiva dupla-face e depositar um filme de Ag (10-80 nm) usando um feixe de elétron (EB) com sistema de evaporação seguintes condições: taxa de deposição = 5-10 A / s, a pressão = ~ 1,5 x 10 -4 Pa.
  3. Retire os selos Ag-revestidos do sistema de evaporação EB e usá-los imediatamente no passo seguinte impressão de transferência.

5. Transferência de impressão de Ag nanodiscos em fina-filme Si Surfaces

  1. Retire a película fina Si substratos armazenados sob vácuo ou N 2 e spin-coat com a solução PS- b -P2VP (0,3 ml para 50 mm x 50 milímetros da amostra, utilizando uma micro pipeta digital com uma ponta de polipropileno descartáveis) a 5.000 rpm durante 40 seg.
  2. Molhar a superfície PS-b--P2VP revestido com EtOH utilizando uma micro-pipeta digitais (5 uM área / célula) e aplicam-se os PDMS Ag-revestidos carimbar suavemente para a superfície de EtOH-molhado. Não pressione o selo.
  3. Coloque o thin-film substrato de Si com o carimbo em uma câmara de vácuo e aplicar vácuo (~ 133 Pa).
  4. Após 5 min, encher a câmara de vácuo com ar e tirar o thin-film substrato de Si.
  5. Remova o selo do thin-film substrato de Si, segurando o lado tanto do carimbo com uma pinça para transferir-impressão nanodiscos AG. Nota: Se for bem sucedido, o traço de estampagem é visível como uma mancha esverdeada.
  6. Lavar o substrato de Si película fina impressa de transferência com um fluxo contínuo de EtOH durante 15 seg (~ 30 ml) e seco por sopro de N2.
  7. Remover o revestimento PS-b-P2VP usando um sistema de plasma de Ar.
    1. Colocar o substrato de película fina de Si impresso de transferência na câmara de processo do sistema de plasma de Ar.
    2. Bombear o ar na câmara de processo durante ~ 5 min (~ pressão 20 Pa).
    3. Abra a válvula de uma linha de gás Ar e ajustar manualmente a taxa de fluxo de 4 sccm. Esperar para ~ 5 min para estabilizar a pressão para 40 Pa.
    4. Gerar plasma de Ar para 108 seg.
    5. Fechar a válvula da linha de gás Ar, parar de bombear, e encher de ar na câmara de processo para tirar os, de película fina impressa de transferência de substratos limpos de plasma Si.

6. Conclusão do Thin-film Si Solar celular Fabrication

  1. Anexar máscaras de metal para o thin-film impresso de transferência de Si substratos após o tratamento com plasma Ar usando fitas de poliimida.
  2. Coloque os substratos mascarados em um suporte de substrato de um sistema de pulverização catódica DC e deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), e ZnO: Ga (40 nm), sequencialmente, com as condições especificadas na Tabela 2.
  3. Separar os revestimentos de metal a partir dos substratos e remover os mascarados de película fina de Si camadas (isto é, a área em que o ZnO: Ga e Ag não foram depositados) usando um sistema de gravação iónica reactiva (RIE).
    1. Coloque as amostras na câmara de processo do sistema de RIE.
    2. Bombear o ar na câmara de processo de acordo com as instruções do fabricante.
    3. Definir as condições do processo como segue seguindo as instruções do fabricante: SF 6 / O 2 taxa de fluxo = 100/20 sccm, pressão = 20 Pa, de potência de 100 W, tempo = 1 min 20 seg.
    4. Abra as linhas de SF 6 e O 2 de gás, estabilizar a pressão, e gerar plasma.
    5. Fechar a válvula da linha SF 6 e O 2 gás, parar de bombear, e preencher N 2 na câmara de processo para tirar as amostras.
  4. Coloqueamostras em uma câmara de vácuo por meio de recozimento e começar a aquecer gradualmente até 175 ° C sob vácuo (~ 133 Pa). Manter esta temperatura durante 2 horas, e, em seguida, deixar arrefecer até à temperatura ambiente. Encha ar na câmara e retirar amostras, que agora podem ser chamadas de células.
  5. Liga à base de Sn-Zn solda na frente eletrodo transparente (vidro / SnO 2: F / ZnO: Ga, a parte exposta pelo tratamento RIE) utilizando um dispositivo de soldagem ultra-sônica.

7. A medição da eficiência quântica externa (EQE)

  1. Anexar uma máscara de luz blindagem a uma célula fabricada usando fita de poliimida e definir a célula mascarada em um suporte celular. Conecte-se sondas para o eletrodo frente soldado (+) e de volta Ag / ZnO: Ga eletrodo (-).
  2. Medir espectros EQE usando um sistema de medição EQE seguindo as instruções do fabricante com uma gama de comprimento de onda e a etapa de 300-1,100 nm e 5 nm, respectivamente.

8. Medição de sistemas fotovoltaicos de corrente-tensão (JV) Personagemticas

  1. Calibrar a intensidade da luz de um sistema de medição de características JV usando uma célula de referência Si amorfo.
    1. Definir a célula de referência Si amorfo a um suporte de célula do sistema de medição características JV, e iluminar a luz.
    2. Leia a corrente fotogerada usando um multímetro digital equipado no sistema de medição de características JV. Ajustar a intensidade luminosa até que a corrente fotogerada mostra o valor correcto para a célula de referência (8,34 mA / cm2).
  2. Anexar uma máscara de luz blindagem a uma célula e definir a célula mascarada em um suporte celular. Conecte-se sondas para o eletrodo frente soldado (+) e de volta Ag / ZnO: Ga eletrodo (-).
  3. Iluminar a luz calibrado (100 mW / cm 2, um sol) na célula e medir correntes fotogerados usando o sistema de medição de características JV seguindo as instruções do fabricante, com um passo de 0,02 V. tensão

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Resultados

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A Figura 2 descreve o processo geral para a impressão por transferência de nanodiscos Ag sobre a superfície de uC-Si: H (camada N). Resumidamente, uma película de Ag (espessura: 10-80 nm) é depositado em primeiro lugar sobre a superfície de um selo nanopillar PDMS por evaporação por feixe de electrões. Em paralelo, uma solução -P2VP b PS- rotação é revestida sobre a superfície de um recém-preparado uC-Si: H camada n. Subsequentemente, uma gotícula de EtOH é colocada na superfí...

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Discussão

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Neste artigo, um disco / PDMS suaves composto duplo em camadas foi empregado como materiais de selo. 27 Esta combinação mostrou-se essencial para replicar precisamente a nanoestrutura pai no molde, que foi uma matriz rodada buracos hexagonal close-embalados cujo diâmetro de 230 nm, profundidade de 500 nm, e o furo espaçamento centro-a-centro de 460 nm. Quando apenas PDMS macios foi usada, o selo sempre resultou em uma superfície nanoestruturada mal (por exemplo, nenhuma borda afiada na estrutura de pilar inve...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

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Os autores agradecem à Organização de Desenvolvimento de Novas Energias e Tecnologia Industrial (NEDO) do Ministério da Economia, Comércio e Indústria (METI), Japão, pelo apoio financeiro.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Molde de NanoholeScivaxFLH230/500-120
Recipiente de PTFEEishinn/aFeito-à-medida
Hard-PDMS materiais
Vinilmetilsiloxano-dimetilsiloxano-copolímero de dimetilsiloxano<a href="http://www.gelest.com/gelest/forms/ Home/home.aspx">GelestVDT-731
  Complexo de Pt-diviniltetrametildisiloxanoGelestSIP6831.1
Copolímero de metilhidrossiloxano-dimetilsiloxanoGelestHMS-301
2,4,6,8-tetrametiltetra-vinilciclotetrasiloxanoSigma-Aldrich396281Aditivo para materiais Soft-PDMS rígidos
Dow CorningSylgard-184Precursor de silicone
PS-b-P2VPa href="http://polymersource.com">Fonte do polímeroP5742-S2VPMn × 103 = 133-b-132
Substratos de vidro/SnO2:FAsahi Glass Co. Ltd.Type VUQuímico polido mecânico pela D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) para aplainar as superfícies
DetergenteFruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm		Semico-clean 56Usado para a limpeza de substratos de vidro / SnO2< / sub>: F
ZnO: Ga supputtering targetAGC Ceramics Co. Ltd.< / a>5.7GZO
Ag supputtering targetMitsubishi Materials Co.< / a>4NAg
Fita adesiva dupla faceNisshin EM Co.732
Fita de poliimidaDupontKapton 650S#25
Soldaà base de Sn-ZnKuroda Techno Co., Ltd.Cerasolzer AL-200
Digital micro pipetaNichiryo00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
Câmarade aquecimentoTokyo Rikakikai Co., Ltd.VOS-201SD
Evaporador de feixe de elétronsCanon-Anelvan/aEvaporador de
feixe de elétronsAriosn/aFeito sob medida
Sistema de pulverização catódicaUlvacSBR-2306
Sistema PECVDShimadzu Emit Co. Ltd.SLCM-13
Sistema de plasma ArDiner Electric GmbhFemto
Sistema RIESamco Inc.RIE-10NR
Dispositivo de solda ultrassônicaColby-Eishin Enterprises, Inc.SUNBONDER
EQE sistema de mediçãoBunkoukeiki Co. Ltd.CEP-25BXS
Sistema de medição de características JVBunkoukeiki Co. Ltd.OTENTOSUN-5S-I/V
Célula de referência de si amorfoBunkoukeiki Co. Ltd.WPVS-NPB-S1Para calibração de intensidade de luz
Multímetro digitalKeithley Instruments Inc.2400
< feito sob medida

Referências

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Plasmonic EffectsNanopillar PDMS StampsElectron Beam EvaporationBlock Copolymer BindingSilver NanodisksSolar Cell Efficiency

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