Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление решеток с высоким контрастом для расщепления спектра дисперсионный элемент в концентрированной фотоэлектрической системы

10.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52913

⸱

18 июля 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Продемонстрировано изготовление высококонтрастных решеток в качестве параллельного дисперсионного элемента, расщепляющего спектр, в концентрированной фотоэлектрической системе. Описаны производственные процессы, включающие литографию с наноотпечатками, распыление TiO-2 и травление реактивными ионами. Результаты измерения коэффициента отражения используются для характеристики оптических характеристик.

Аннотация

Высококонтрастные решетки разработаны и изготовлены, и их применение предлагается в виде параллельного дисперсионного элемента, расщепляющего спектр, который может повысить эффективность преобразования солнечной энергии в концентрированной фотоэлектрической системе. Предлагаемая система также снизит стоимость солнечных элементов в концентрированной фотоэлектрической системе за счет замены дорогих тандемных солнечных элементов на экономичные однопереходные солнечные элементы. Численно оптимизированы структуры и параметры высококонтрастных решеток для дисперсионных элементов. Экспериментально продемонстрировано изготовление высококонтрастных решеток на большой площади с использованием наноимпринтной литографии и сухого травления. Качество материала решетки и эксплуатационные характеристики изготовленного устройства были охарактеризованы экспериментально. Анализируя результаты измерений, обсуждаются возможные побочные эффекты процессов изготовления и предлагаются несколько методов, которые могут помочь повысить оптическую эффективность изготовленных устройств.

Введение

Наша современное общество не выживет без перемещения значительную часть потребления энергии возобновляемых источников энергии. Для того, чтобы это произошло, мы должны найти способ, чтобы урожай возобновляемых источников энергии по стоимости ниже, чем на нефтяной основе источников энергии в ближайшем будущем. Солнечная энергия является наиболее распространенным возобновляемых источников энергии на Земле. Несмотря на то что много продвижений были сделаны в солнечной сбора энергии, это все еще очень сложно конкурировать с нефтяной основе источников энергии. Повышение эффективности солнечных батарей является одним из наиболее эффективных способов снизить стоимость системы сбора солнечной энергии.

Оптические линзы и отражатели блюдо, как правило, используется в наиболее концентрированной фотоэлектрических (КНД) системы 1, чтобы достичь высокой концентрации падения солнечной энергии на солнечных батареях малой площади, так что это экономически выгодно эксплуатировать дорого тандем мульти-распределительные солнечных батарей 2 в Системы КНД и поддерживать разумныйСтоимость в то же время. Тем не менее, для большинства не-концентрированных фотоэлектрических систем, которые, как правило, требуют большой площади взнос солнечных батарей, то высокой стоимости тандем солнечные элементы не могут быть включены, хотя они, как правило, имеют более широкий отклик солнечного спектра и более высокий общий КПД преобразования, чем одного перехода солнечные батареи 3.

В последнее время с помощью параллельных спектр расщепления оптики (т.е. дисперсионная элемента), параллельно спектр расщепления фотоэлектрических технологий 4 стало возможным, что аналогичные или лучше освещение спектра и эффективность преобразования может быть достигнуто без использования дорогой тандем солнечных батарей. Солнечный спектр может быть разделен на несколько полос, и каждая группа может быть поглощен и преобразуется в электроэнергию с помощью специализированных одного стыка солнечных батарей. Таким образом, дорогой тандемные солнечные элементы в КНД системы могут быть заменены параллельном расположении одного перехода солнечной батареис без компромисса по производительности.

Дисперсионные элемент, который был разработан в настоящем докладе могут быть применены в отражающей системе КПВ (который основан на блюдо отражатели), чтобы понять, параллельный расщепление спектра для повышения эффективности преобразования солнечной электроэнергии и снижение стоимости. Многослойные высокого контраста решетки (HCG) 5 используется в качестве диспергирующего элемента в проектировании каждый слой HCG работать в качестве оптического диапазона отражателя. Структуры и параметры дисперсионного элемента численно оптимизированы. Кроме того, изготовление решеток с высокой контрастностью для дисперсионного элемента с помощью диэлектрика (TiO 2) распыление, нанопечатная литография 6 и реактивное ионное травление изучается и продемонстрировал.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовьте пустой Полидиметилсилоксан (PDMS) Субстрат для наноимпринтинга Mold

  1. Процесс кремниевых пластин Лечение
    1. Очистить 4 дюйма кремниевой пластины промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
    2. Удар высохнуть, используя пистолет азота.
    3. Очистить его с помощью пираньи решение (3: 1 смеси серной кислоты с 30% перекиси водорода) путем замачивания в течение 15 мин.
    4. Промывать деионизированной водой. Сушить, используя пистолет азота.
    5. Поместите пластину в стеклянной эксикаторе. Добавить каплю (20 капель = 1 мл) разделительным составом (трихлорсилана) в эксикаторе.
    6. Откачка эксикаторе до манометр не читает -762 Торр и ждать в течение 5 часов.
    7. Возьмем пластины выход, который был обработан с разделительным составом.
  2. Подготовка PDMS фильм (Используется как плесень в наноимпринтинга)
    1. Взвешивают 10 г силиконового эластомера базы и 1 г отвердителя.
    2. Добавьте их в том же стеклянном стакане.
    3. StiR и смешать стеклянной палочкой в ​​течение 5 мин.
    4. Положите смесь в вакуум-эксикаторе до манометр не читает -762 Торр откачивать все захваченные пузырьки воздуха.
    5. Распространение их равномерно на обрабатываемую 4-дюймовым кремниевой пластины.
    6. Выпекать пластины с PDMS на первое место в вакуумной печи в течение 7 ч при 80 ° С для отверждения пленки PDMS.

2. Подготовьте Почву наноимпринтинга (дублирование из Master Mold)

  1. Спин двенадцать капель (20 капель = 1 мл) УФ-отверждаемые противостоять (15,2%) на чистую пустой кремниевой пластины в течение 30 сек при 1500 оборотах в минуту.
  2. Тщательно очистите кусок PDMS пленку с обработанной кремниевой пластины.
  3. Положите пленку PDMS на УФ излечим противостоять, и пусть он поглощает УФ сопротивляться 5 мин, затем очистить его.
  4. Повторите 2.1-2.3 по одноименному фильму PDMS за два раза. Поглощенный УФ сопротивляться в течение 3 мин и 1 мин соответственно.
  5. Поместите фильм PDMS (после трехкратного УФ противостоять поглощению) на мастер-кремния плесени.
  6. Положите его в камеру с окружающей средой азота.
  7. Включите УФ-лампы для отверждения образца в течение 5 мин.
  8. Слезьте пленку PDMS. Отвержденный УФ сопротивление на PDMS будет поддерживать отрицательный образец мастер плесени.
  9. Использование РФ О 2 плазмы для лечения формы PDMS. (ВЧ-мощность: 30 Вт, рабочее давление: 260 мТорр, время: 1 мин)
  10. Поместите форму PDMS в вакуумной камере с одной капли (20 капель = 1 мл) освобождения агента в течение 2 ч.

3. наноимпринт шаблон передачи

  1. Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) ПММА (996k, 3,1%) на подложке будет запечатлен на 50 сек при 3500 оборотах в минуту.
  2. Испечь его на плите в течение 5 мин при 120 ° С.
  3. Подождите образец, чтобы остыть.
  4. Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) УФ излечим противостоять (3,9%) на той же подложке.
  5. Поместите форму PDMS (полученного на стадии 2) на образец (как с УФ противостоять и ПММА).
  6. Положите его в камеру с окружающей средой азота.
  7. Включите УФ-лампы для отверждения в течение 5 мин.
  8. Пил PDMS формы от образца и образец на форму PDMS будет передан в образце.

4. Cr Лифт-офф Процесс

  1. Реактивное ионное травление остаточный слой резиста и УФ PMMA
    Примечание: СОП ПМС машины можно найти на https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
    1. Войти РИТ ПМС машины.
    2. Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Запустите чистую рецепт в течение 10 мин.
    3. Возьмите пустой кремниевой пластины из.
    4. Установите образец на другую чистую кремниевой пластины и загрузить его в машину.
    5. Запуск УФ сопротивление травления рецепт в течение 2 мин (рецепт можно найти в таблице 1).
    6. Возьмите образец из. Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Повторно начать процесс очистки рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
    7. Установите образец на чистую кремниевой пластиныи загрузить его в машину.
    8. Запуск травления рецепт ПММА (можно найти в таблице 1) в течение 2 мин.
      Примечание: В настоящее время остаточный резист был травлению подложки и подвергается.
  2. Cr Е-лучевого испарения
    1. Вход в электронно-лучевой испаритель.
    2. Загрузите источник Cr металла и пробы в камеру.
    3. Установите толщину (20 нм) и скорость осаждения (0.03 нм / сек).
    4. Насос камеру до требуемого вакуума (10 -7 Торр) достигается.
    5. Начать процесс осаждения.
    6. Возьмите образец после отделки осаждения.
  3. CR отрыва Порядок
    1. Погрузить образец в ацетоне с ультразвуковым перемешиванием в течение 5 мин.
    2. Очистить образец промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
      Примечание: Cr выпаривают на сопротивляются будут сняты с и маска для Cr подложки травлением формируется.

5. TiO 2 Вылетosition

  1. Загрузите образец.
  2. Установите параметры для постоянного тока магнетронного распыления машины
    1. Используйте давление в камере 1,5 мторр, Ar поток 100 SCCM и распыления мощностью 130 Вт
    2. Использование температуре 27 ° С и скорость вращения ступени 20 оборотов в минуту.
  3. Начать процесс распылением и остановиться на нужной толщины.
  4. Возьмем образец, и отжиг пленки TiO 2 в среде кислорода при 300 ° С в течение 3 ч.

6. Высокая контрастность Решетки травление

  1. Войти в индуктивно связанной плазме (ICP) реактивное ионное травление (РИТ) машины.
  2. TiO 2 травления
    1. Загрузите пустой 4-х дюймовых кремниевых пластин.
    2. Запуск и запустить чистую рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
    3. Выгрузка загрузить пустой пластины и загрузить образец с Cr маски.
    4. Установите время травления. Начните TiO 2 травления рецепт. Процесс травления воля автоавтоматическое выключение.
    5. Выгрузка образца.
  3. SiO 2 травление
    1. Повторите шаг 5.2 за исключением использования травления рецепт SiO 2.

7. Измерение отражения

  1. Войдите и включите систему измерения.
  2. Поместите отражения стандартного зеркала на держателе образца и выравнивания оптического пути.
  3. Калибровка системы для 100% отражения.
  4. Снимите стандартного зеркала отражения и поместите HCG.
  5. Измерьте коэффициент отражения HCG.
  6. Сохраните данные и выйдите из системы измерения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Рисунок 1 показывает реализацию дисперсионного элемента (многослойная высокая контрастность решетки (HCG)) в концентрированной фотоэлектрической системы. Солнечный свет сначала отражается первичного зеркала и попадает на отражающий дисперсионного элемента, где луч отражается и расщепляется на разных диапазонах разных длинах волн. Каждая полоса будет падать на определенном месте на панели солнечных батарей для лучшего поглощения и преобразования в электроэнергию. Ключ к этой системе проектирование и внед...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Во-первых, качество фильма TiO 2 очень важно для выполнения HCG. Пик отражения будет выше, если фильм TiO 2 имеет меньше потерь и шероховатость поверхности. Фильм TiO 2 с высоким показателем преломления также благоприятно, потому что режим удержания оптического будет повышена за счет более высокой контрастностью в индексе, который может привести к более пологой и широкий диапазон отражения в HCG.

Во-вторых, ошибки изготовления будет иметь значительные последс...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Это исследование было поддержано в рамках Центра энергетической нанонауки, в научно-исследовательский центр пограничной энергии, финансируемого Министерством энергетики США, Управление по науке при Award Количество DE-SC0001013. Мы также хотим поблагодарить д-ра Макса Чжан Цзяньхуа и д-р Ян из HP Labs за помощь в TiO 2 фильма распыления и показателями преломления измерения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
184 Набор силконового эластомераSylgardPolydimethylsiloxane (PDMS)
4-дюймовая силиконовая пластинаUniversitywafer
4-дюймовая плавленая кремнеземная пластинаUniversitywafer
Poly(метилметакрилат)Sigma-Aldrich182265
УФ-отверждаемый стойкостьНет в наличии на рынке
PlasmaLab System 100Oxford InstrumentsICP IRE
УФ-отверждение Система УФ-отверждения для изготовленияОтсутствует на рынке
Ocean Optics HR-4000 Ocean OpticsHR-4000Спектрометр с нормальным детектором
Lambda 950 UV/VISСпектрометр PerkinElmerс полусферическим детектором
интеграции JSM-7001F-LVJEOLПолевое излучение SEM
DC магнетронное распылениеОборудование находится в лабораториях HP, которые помогли нам распылять TiO2
Metal электронно-лучевой испарительТемескальBJD-1800
машина наноотпечатков

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Изготовление решеток с высоким контрастом для расщепления спектра дисперсионный элемент в концентрированной фотоэлектрической системы
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.