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

O objetivo geral desta técnica de impressão por transferência é fornecer uma metodologia viável para integrar nanoestruturas plasmônicas funcionais em dispositivos como células solares. Este método pode ajudar a progredir na aplicação prática de dispositivos de meta-nanoestruturas, como células solares prismáticas. A principal vantagem desta técnica é que se pode introduzir rapidamente, desejada ou projetada meta-nanoestruturas em estruturas de dispositivos existentes, resultando em mudanças significativas no processo de fabricação original.

Embora esse método tenha sido desenvolvido, especialmente para células solares, ele também pode ser aplicado a outros dispositivos usando propriedades plasmônicas, como diodos emissores de direita e sensores. Para começar, coloque um molde de nano furo em um recipiente de politetrafluoretileno. Em seguida, coloque 0,76 gramas de copolímero de vinil metil suboxano dimetil suboxano em uma garrafa de vidro descartável.

Use uma micropipeta com ponta de polipropileno descartável para adicionar seis microlitros de complexo de platina di vinil tetraetil dioxano ao copolímero. Em seguida, use uma micropipeta com ponta de polipropileno descartável para adicionar 24 microlitros de 2 4 6 8 tetraetil tetravinil ciclotetra suboxano ao copolímero e misture a solução. Alterar brevemente estes volumes, se necessário, para manter a mesma proporção com o copolímero.

Em seguida, adicione 240 microlitros de hidrosmetil, copolímero laane dimetil suboxano ao frasco de vidro e misture rapidamente Usando uma pipeta de vidro descartável, sopre a superfície da mistura com nitrogênio brevemente e, em seguida, despeje o pré-polímero PDMS duro resultante em um molde padronizado disponível comercialmente que foi colocado em um coter de spin coter revestir o molde a 1000 RPM por 40 segundos para atingir uma espessura de camada de cerca de 40 mícrons. Em seguida, coloque a amostra revestida por rotação em uma câmara pré-aquecida a 65 graus Celsius por 30 minutos. Para reticular brevemente o PDMS rígido durante o aquecimento, misture seis gramas de silicone com 0,6 gramas de catalisador em uma garrafa de vidro descartável.

Varie a quantidade de catalisador, se necessário, para manter uma proporção de um para 10 com o silicone. Em seguida, coloque a garrafa de vidro em um dessecador a vácuo e aplique um vácuo de cerca de 133 Pascals por 15 minutos para desgaseificar a mistura. Em seguida, despeje rapidamente a mistura de DGAs no molde aquecido para criar uma camada macia de PDMS com cerca de três milímetros de espessura.

Coloque a amostra resultante de volta no dessecador a vácuo e desgaseifique a amostra por mais uma hora. Em seguida, transfira a amostra de Degas para a câmara de aquecimento e aqueça da temperatura ambiente até 80 graus Celsius a uma taxa de cerca de três graus Celsius por minuto. Mantenha a amostra a 80 graus Celsius por cinco horas para reticular completamente o PDMS rígido e macio após o resfriamento da amostra até a temperatura ambiente.

Retire o carimbo PDMS cuidadosamente do molde. Reutilize o molde até cinco vezes para preparar carimbos adicionais, se necessário. Corte o carimbo do nano pilar resultante em pedaços de sete milímetros por sete milímetros usando uma faca e guarde-os sob o ar até que sejam usados.

Além disso, prepare a solução da camada de ligação do copolímero em bloco e os substratos de silicone microcristalino hidrogenado conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Lave os selos PDMS em 30 mililitros de etanol usando um banho ultrassônico por 15 minutos e, em seguida, seque o carimbo soprando-o com nitrogênio puro. Em seguida, use fita adesiva dupla face para fixar os carimbos PDMS limpos em um porta-amostras.

Em seguida, coloque as amostras em um sistema de evaporação por feixe de elétrons e deposite um filme de prata de 10 a 80 nanômetros de espessura nos selos usando uma taxa de deposição de cinco a 10 angstroms por segundo e uma pressão de cerca de 3,5 vezes 10 elevado a menos quatro pascal. Retire os carimbos revestidos de prata do sistema de evaporação e use-os imediatamente na etapa de impressão por transferência. Pegue os substratos de silício de filme fino preparados conforme descrito no protocolo de texto que acompanha e gire-os com 0,3 mililitros da solução de ligação de copolímero em bloco a 5.000 RPM por 40 segundos.

Em seguida, molhe a superfície dos substratos revestidos com etanol usando uma micropipeta digital e, em seguida, aplique o carimbo PDMS revestido de prata suavemente na superfície úmida do etanol. Não pressione o carimbo Quando você aplicar o carimbo PDM à subtaxa. Por favor, evite pressioná-lo.

Basta pressionar o suficiente. O selo faz espontaneamente um contato íntimo entre a taxa de superfície devido à tensão superficial do etanol. Em seguida, coloque o substrato de silício de filme fino junto com um carimbo em uma câmara de vácuo e aplique vácuo de cerca de 133 pascais.

Após cinco minutos, encha a câmara de vácuo com ar e retire o substrato de silício de filme fino. Remova o carimbo do substrato de silício de filme fino segurando ambos os lados da pinça do carimbo para transferir os nano discos de prata impressos. Se for bem-sucedido, o traço de estampagem é visível como um ponto mais verde.

Enxágue o substrato de silício de filme fino impresso por transferência com um fluxo contínuo de etanol por 15 segundos e, em seguida, seque o substrato soprando sobre ele com gás nitrogênio. Em seguida, coloque o substrato de silício de filme fino impresso por transferência na câmara de processo de um sistema de plasma Argonne. Bombear o ar na câmara de processo durante cerca de cinco minutos para atingir uma pressão de cerca de 20 pascals.

Em seguida, abra a válvula da linha de gás Argonne e ajuste manualmente a vazão para cerca de quatro SCCM ou qualquer vazão necessária para gerar plasma. Aguarde cerca de cinco minutos para que a pressão se estabilize em 40 Pascals. Em seguida, ligue o sistema para gerar plasma Argonne por 108 segundos.

Finalmente, feche a válvula da linha de gás, pare de bombear e encha o ar na câmara de processo para retirar os substratos de silício de filme fino impressos limpos com plasma e transferência. Siga o restante do protocolo de texto que acompanha para obter detalhes sobre como concluir a fabricação da célula solar de silício de filme fino e medir sua eficiência e produção. Essas imagens de microscopia eletrônica de varredura da matriz de nano discos de prata resultante em substratos de silício microcristalino hidrogenado exibem claramente algumas das características em nanoescala incorporadas ao projeto.

O diâmetro dos nanodiscos é em média de 200 nanômetros. A distância centro a centro é em média de 460 nanômetros e a espessura dos nanodiscos de prata é em média de 40 nanômetros. Os espectros de eficiência quântica externa das células fabricadas são mostrados aqui em comparação com uma célula de referência.

A célula incorporada ao nanodisco de prata mostrou sinais mais altos na faixa de comprimento de onda longo de 650 a 1.100 nanômetros. Esse aprimoramento seletivo de comprimento de onda indica claramente o efeito preferencial dos nanodiscos de prata ativos do plasmon para uso em células solares. Ou seja, captura de luz plasmônica Uma vez deve que o processo de impressão por transferência possa ser concluído em menos de 30 minutos se for executado corretamente.