Introduction
无需移动能量消耗的显著一部分可再生能源现代社会将无法生存。要做到这一点，我们必须找到一种方式的成本比在不久的将来，石油为主的能源更低的收获可再生能源。太阳能是地球上最丰富的可再生能源。尽管很多进展的已在太阳能收集，它仍然是非常具有挑战性的，用石油为基础的能源竞争。提高太阳能电池的效率是最有效的方法来降低的太阳能收集系统的成本之一。
光学透镜和盘的反射器通常用在最浓的光伏（CPV）系统1，实现了高浓度对小面积的太阳能电池的太阳能发电率，所以它是经济上可行的利用昂贵串联多结太阳能电池2中CPV系统，并保持合理的成本的同时。然而，对于大多数非集中光伏系统，其通常需要的太阳能电池的大面积装置，高成本叠层太阳电池不能掺入，尽管它们通常具有更广阔的太阳光谱响应和比更高的总转换效率单结太阳能电池3。
最近，与并行光谱分裂光学器件的帮助下（ 即色散元件），平行光谱分裂光伏技术4使得有可能，类似的或更好的频谱覆盖范围和转换效率，而无需使用昂贵的串联型太阳能电池来实现。太阳光谱可以被分成不同的频带，每个频带可以被吸收并转换为电的专门的单结太阳能电池。以这种方式，昂贵的串联型太阳能电池中CPV系统可通过单结太阳能电池的并行分布来代替•不用对性能的任何折衷。
这是设计本报告中的色散元件可以在反射的CPV系统（它是基于盘反射器），以实现平行的频谱分割为改进太阳能电转换效率和降低的成本施用。多层高对比度光栅（HCG）5用作色散元件通过设计的HCG各层工作作为光学带反射器。的结构和色散元件的参数进行数值优化。此外，高对比度的光栅的制造通过使用电介质色散元件（ 二氧化钛）溅射，纳米压印光刻6和反应离子蚀刻进行了研究和论证。
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Protocol
1.准备空白聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材纳米压印模具
- 硅片处理工艺
- 通过用丙酮，甲醇和异丙醇漂洗清洗4英寸的硅晶片。
- 吹干使用氮气枪。
- （：硫酸，用30％的过氧化氢的混合物3）通过浸泡内15分钟用食人鱼溶液清洗。
- 用去离子水冲洗。使用氮气枪吹干。
- 放置在玻璃干燥器的晶片。添加脱模剂（三氯硅烷）进入干燥器的下降（20滴= 1毫升）。
- 抽空干燥器，直到压力表读数-762托，等待5小时。
- 取晶片出来，这已经用脱模剂。
- PDMS薄膜的制备（用作模具在纳米压印）
- 称取将10克硅橡胶基地和1克固化剂。
- 添加它们以相同的玻璃烧杯中。
- 性病r和混合用玻璃棒5分钟。
- 将混合物放入真空干燥器中，直至压力表读数-762乇泵出所有夹带的气泡。
- 均匀地散布到他们的处理4英寸硅晶片。
- 烘烤在顶部的真空烘箱中7小时的PDMS晶片在80℃下，以固化的PDMS膜。
2.（从母模复制）准备纳米压印模具
- 旋12滴（20滴= 1毫升）的UV可固化抗蚀剂（15.2％）干净的空白硅晶片上30秒以1,500rpm。
- 小心剥离一块PDMS膜关闭处理的硅晶片。
- 放的PDMS薄膜上的紫外线固化性抗蚀剂，并让它吸收UV抗蚀剂进行5分钟，然后把它剥开。
- 重复2.1-2.3在相同的PDMS膜两次。吸收UV分别抗蚀3分钟和1分钟。
- 将PDMS膜（后三次抵抗紫外线吸收）到硅模具师傅。
- 把它放入用氮气环境的腔室。
- 打开紫外灯，以固化样品5分钟。
- 剥离PDMS膜。固化的紫外线抗蚀剂上的PDMS将保持母模的负图案。
- 利用射频O 2等离子治疗的PDMS模具。 （RF功率：30W，压力：260毫乇，时间：1分钟）
- 将PDMS模具在真空室中带脱模剂2小时的一滴（20滴= 1毫升）。
3.纳米压印图案转印
- 在基片上旋8滴（20滴= 1毫升）的PMMA（996k，3.1％），以在3,500rpm进行压印，50秒。
- 烤它在热板上进行5分钟，在120℃。
- 等待样品冷却下来。
- 旋8滴（20滴= 1毫升）的UV可固化抗蚀剂（3.9％），在同一基板上。
- 放置的PDMS模具（在步骤2中制备的）在样品上（与两个紫外抗蚀剂和聚甲基丙烯酸甲酯）。
- 把它放入用氮气环境的腔室。
- 打开的紫外灯固化5分钟。
- 剥离的PDMS模具关闭样品和在PDMS模具的图案被转移到样品。
4.铬剥离工艺
- 反应离子蚀刻紫外线残留抗蚀剂层和聚甲基丙烯酸甲酯
注：为SOP机器ICP可在https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf发现- 登录RIE威达机械。
- 放入空白4英寸硅片。运行清洁配方10分钟。
- 就拿空白硅片出。
- 安装样品上的另一个干净的硅晶片，并加载到机器。
- 运行紫外抗蚀剂蚀刻配方为2分钟（配方在表1中找到）。
- 取样品出来。放入空白4英寸硅片。重新运行清洁配方10分钟（在表1中可以找到）。
- 装载样品清洁硅晶片上并将其加载到机器。
- 运行的PMMA的蚀刻配方（可在表1中可以找到）2分钟。
注意：现在的残留抗蚀剂已经蚀刻和基材暴露。
- 铬电子束蒸发
- 登录到电子束蒸发器。
- 加载的Cr金属源和样品放入室中。
- 置的厚度（20 nm），而沉积速率（0.03纳米/秒）。
- 泵送腔室，直到所需的真空（10 -7乇）为止。
- 启动沉积过程。
- 取样品从沉积结束后。
- CR剥离过程
- 沉浸样品在丙酮超声搅拌5分钟。
- 通过用丙酮，甲醇和异丙醇漂洗清洁样品。
注意：铬蒸镀在抗蚀剂将被剥离，并形成一个Cr掩膜对基板蚀刻。
5. 二氧化钛德普osition
- 加载样品。
- 设置参数直流磁控溅射镀膜机
- 使用1.5毫托的室压力，以100sccm Ar流量为130 W·溅射功率
- 使用27℃的温度和20 rpm的阶段转动速度。
- 启动溅射处理，并停止在所希望的厚度。
- 取样品出来，退火在氧气环境中的TiO 2膜在300℃下3小时。
6.高对比度光栅刻蚀
- 登录在感应耦合等离子体（ICP）的反应离子蚀刻（RIE）的机器。
- TiO 2的蚀刻
- 放入空白4英寸硅晶片。
- 启动和运行的洁净配方10分钟（在表1中可以找到）。
- 卸载装载晶圆空白和负载与Cr掩膜样品。
- 设置蚀刻时间。开始TiO 2的蚀刻配方。蚀刻过程中会自动matically停止。
- 卸载样品。
- SiO 2的蚀刻
- 除了 使用SiO 2的蚀刻配方重复步骤5.2。
7.反射测量仪
- 登录并打开测量系统。
- 放置在试样保持器的反射率标准镜子和对准的光路。
- 校准系统为100％的反射率。
- 取下反射镜的标准，然后将HCG。
- 测量HCG的反射率。
- 保存数据并注销测量系统。
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Representative Results
图1示出了色散元件（多层高对比度光栅（HCG））的一个集中式光伏系统的实施。太阳光线首先由主反射镜反射并撞击反射色散元件，其中该光束被反射并分成不同波长的不同的频带上。每个频带将撞击在目标位置的太阳电池阵列的最佳吸收并转化成电力上。这里的关键系统是设计和实现色散元件，它是由HCG的多层的。
图2示出了用于在分散元件的每个层中的数值优化结果。结果进行了计算和有限差分时域（FDTD）7商业基础模拟软件“Lumerical的”，并严格耦合波分析（RCWA）8进一步验证。折射率二氧化钛是从SOPRA 9在线数据库。优化的六层色散元件可以提供90％以上在整个太阳光谱10,11全反射。
为了证明HCG的宽带反射率实验，在色散元件HCG结构的六个层中的一个是使用纳米压印加工制成。 如图3所示 ，每个光栅块由两部分组成。顶面格栅的材料是TiO 2和子光栅的材料是熔融石英。二维HCG的间距为453纳米。每个光栅的线宽为220纳米。顶部和子光栅的高度为340纳米。衬底的材料是相同的子光栅。
二氧化钛是采用直流磁控溅射沉积机上熔融石英惠普实验室。腔室压力为1.5毫乇与Ar流量约100标准立方厘米。溅射功率为130 W和率为4纳米/分。两批的TiO 2膜被溅射在不同温度下，27℃，270℃。以确保均匀的膜沉积，基片台旋转被溅射时接通（20rpm下）。的TiO 2薄膜的两批溅射法，以提高膜质量后退火在300℃下3小时。沉积之后， 二氧化钛薄膜的两批使用扫描电子显微镜（SEM）（ 图4）进行了检查。的TiO 2膜的折射率进行了测定（ 图5）。测得的折射率均高于标准数据库低10％，因为该膜是多孔这也可以在图4中观察到的。较高的溅射温度可以提高折射率，但是该膜的粗糙度高得多。要达到折射率和膜粗糙度之间的良好平衡，在TiO 2膜将其sput羊羔在27℃被选为光栅材料。
对于纳米压印制造中的主要步骤在图6中被示意性地示出。首先，用一定图案的模具按压到所述可UV固化的抗蚀剂的基板上。然后施加UV光来固化抗蚀剂。固化后，模具能够从衬底分离并抵抗的形状是完全相同的模具的相反。压印的图案可以用作掩模来蚀刻残留抗蚀剂，沉积金属时，抬起和最后蚀刻到衬底中。以这种方式，该模具的形状被转印到衬底。
为了制作2D HCG，模具是由这是由制造干涉光刻12一维周期性光栅硅主复制。然后将相同的模具，用于在相同的硅衬底，以图案的二维孔阵列（ 图7）上正交的方向印两次。该混合纳米压印<SUP> 13过程可以使大面积的样品具有高分辨率和小的缺陷。压印的结果（2D孔阵列硅阵列）示于图8。边缘的粗糙度可与边缘平滑技术14的帮助下被进一步降低。
后纳米压印图案化和Cr掩膜阵列完成后，使用ICP RIE机器来蚀刻样品。两个分别不同的蚀刻配方被开发为TiO 2和熔融二氧化硅，其示于表1中 。将制造的结构示于图9。
2D HCG的反射率（从法线入射）使用两种不同的光谱仪具有不同类型的检测器，正常检测器和球体集成检测器测量。在对比球集成检测器，正常检测器具有接受的相对小的角度，因此，将不接收的散射升飞行。 如图10所示，在由两个探测器测量的反射率曲线的差表示的光被散射的HCG由于结构粗糙。积分球测量和模拟数据之间的差异主要是由于材料和制造误差的损失。的反射率曲线可以表明所制造的装置可作为带反射器工作作为一个层中的色散元件。由于指数的光栅和基片之间的高对比度，HCG具有良好的角度的独立性。的反射率曲线也不会发生大的变化时，入射角小于15°。
图1：色散元件（多人HCG）的一个集中式光伏（CPV）系统的实施。
图2：从数字优化反射率曲线为色散元件设计（六层堆叠HCG），可以覆盖大部分的太阳光谱。
图3：一个HCG示范纳米压印制造的优化结构。
图4：溅射二氧化钛薄膜的SEM照片（横截面图）（ 一 ）27°C和（b）270℃。 请点击此处查看大图版本这个数字。
图5：测量和标准的屈光（SOPRA数据库）溅射二氧化钛薄膜的指数。
图6：纳米压印制造工艺 请点击此处查看该图的放大版本。
图7：二维阵列孔硅母（往下看）的SEM图像。
图8：二维阵列孔硅母由PDMS为基础的纳米压印制造出的照片。
图9：所制造的2D HCG的SEM图像（剖视图）。
图10：一模拟反射率曲线，并使用分别球面积分检测器和正常检测器两个测量反射率曲线。
图11：（一 ）的折射率的影响对HCG的反射率; （二）对HCG反射侧壁角度的影响。 请点击此处查看该图的放大版本。
| ICP功率 | 前进动力 | SF 6流量 | C 4 F 8流量 | O 2流 | 压力 | 蚀刻速率 | |
| 二氧化钛 | 0瓦特 | 25瓦 | 25 SCCM | 10 SCCM | 10 SCC米 | 10毫托 | 43纳米/分 |
| 熔融石英 | 0瓦特 | 100瓦 | 0 SCCM | 15 SCCM | 15 SCCM | 10毫托 | 20纳米/分 |
| 抵制 | 0瓦特 | 25瓦 | 25 SCCM | 15 SCCM | 0 | 10毫托 | 22纳米/分 |
| PMMA | 0瓦特 | 30瓦 | 0 | 0 | 30 SCCM | 2乇 | 55纳米/分 |
| 清洁 | 为1,000W | 200瓦 | 0 | 0 | 50 SCCM | 50毫托 | NA |
表1：蚀刻配方为二氧化钛，熔凝硅石，紫外线抗蚀剂，聚甲基丙烯酸甲酯和清洁。
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Discussion
首先，在TiO 2膜的质量对于HCG的性能非常关键。反射率峰值将更高，如果在TiO 2膜具有较少损耗和表面粗糙度。在TiO 2膜具有更高的折射率也是有利的，因为该光学模式限制将通过在指数更高的对比度，从而可以产生更平坦和更广泛的反射带中的HCG来增强。
第二，在制造误差会对HCG显著影响，应加以避免。在制造中引入的粗糙度会导致更多的光被散射，所以反射率会变得更低。在HCG制造参数，包括线宽度，高度和节距的偏差将不会允许该设备最佳地工作，成为模拟。此外，HCG的反射率强烈地依赖于蚀刻轮廓， 即侧壁的角度。在图11中 ，侧壁角度的效果S上HCG的反射率数值计算。作为该侧壁角从90°降低到84°时，平均反射率下降，从90％至小于50％，因为HCG行为更像一个圆锥形抗反射涂层时的侧壁角度是小的。
色散元件的光学效率是用于CPV系统的整体效率的重要，所以HCG的各层的反射率应尽可能地高。根据上面的讨论，而光学效率为所制造的层为约60％，有几个可能的改进对一个更好的HCG反射率。在TiO 2溅射条件可以进一步优化，以产生具有较高折射率，更小的表面粗糙度和低光学损耗的膜。干蚀刻配方应进一步调整为更好的蚀刻轮廓，使得光栅直，这可以通过调整气体的组合（C 4 F来实现8，SF 6和O 2），以平衡蚀刻和再沉积过程。纳米压印和剥离工艺进行改进，避免粗糙度和加工误差，使得不必要的散射可被减小以增加整个光学效率。
通过堆叠二维HCGS具有不同间距的多个层，所述色散镜可以操作在更广泛的范围。镜子可以反射性地直接进入的光根据波长不同的角度，在所有的包装层HCG随后在不同的角度倾斜的一种方式。此外，该色散反射镜可以在一个大的面积，并以较低的成本使用纳米压印光刻（NIL）来制造。此外，该系统提供与现有的聚光光伏（CPV）设置一个简单的集成，以便它有可能被广泛接受的行业提高太阳能转换效率。
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Acknowledgments
这项研究得到为中心的能源纳米，由能源，科学办公室根据奖号DE-SC0001013美国能源部资助的能源前沿研究中心的一部分。我们还要感谢张兆旭博士和杨建华惠普实验室的博士它们对二氧化钛薄膜溅射和折射率测量帮助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 184 Silcone elastomer kit | Sylgard | Polydimethylsiloxane (PDMS) | |
| 4 inch silicon wafer | Universitywafer | ||
| 4 inch fused silica wafer | Universitywafer | ||
| Poly(methyl methacrylate) | Sigma-Aldrich | 182265 | |
| UV-curable resist | Nor available on market | ||
| PlasmaLab System 100 | Oxford Instruments | ICP IRE machine | |
| UV curing system for nanoimprint fabrication | Not available on market | ||
| Ocean Optics HR-4000 | Ocean Optics | HR-4000 | Spectrometer with normal detector |
| Lambda 950 UV / VIS | PerkinElmer | spectrometer with hemisphere intergration detector | |
| JSM-7001F-LV | JEOL | Field emission SEM | |
| DC magnetron sputtering machine | Equipment is in HP labs, who helped us to sputter the TiO2 | ||
| Metal e-beam evaporator | Temescal | BJD-1800 |
References
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