Introduction
وقد كان هناك طلب منذ فترة طويلة لتطبيق النانو وظيفية في مجموعة واسعة من المجال التكنولوجي. واحدة من التوقعات لهذا الاتجاه هو فتح التصميم الجديد للأبنية الجهاز مما يؤدي إلى تحسين الأداء أو مبتكرة. في مجال الخلايا الشمسية، على سبيل المثال، استخدام النانو المعدنية تم التنقيب بنشاط لما لها من فضول الضوئية (أي plasmonic) خصائص (1)، يحتمل أن تكون مفيدة لبناء أنظمة ضوء محاصرة فعالة. 2،3 الدراسات والواقع أن بعض النظرية 4 -6 وقد اقترح أن مثل هذا الضوء محاصرة plasmonic يمكن تحقيق نتائج تتجاوز البصريات الأشعة التقليدية (التركيب) المستندة إلى حد محاصرة ضوء 7 ونتيجة لذلك، ووضع استراتيجيات لدمج النانو المعدنية المطلوبة مع الخلايا الشمسية أصبحت ذات أهمية متزايدة من أجل تحقيق هذه التنبؤات النظرية.
وهناك عدد من الاستراتيجيات التياقترحت لمواجهة هذا التحدي. 8-24 هذه تشمل، على سبيل المثال، بسيطة (منخفضة التكلفة) الصلب الحرارية الأفلام المعدنية 8،9 أو تشتت الجسيمات النانوية المعدنية المركبة مسبقا، 10،11 كلاهما أسفرت المظاهرات الناجحة ل plasmonic ضوء محاصرة. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن النانو المعدنية المصنعة من قبل هذه الأساليب عادة ما تكون صعبة لمطابقة للنماذج النظرية. في المقابل، فإن التقنيات nanofabrication التقليدية في صناعات أشباه الموصلات، مثل ضوئيه وشعاع الالكترون الطباعة الحجرية، 12،13 يمكن السيطرة على هياكل أقل بكثير من مستوى نانومتر الفرعية 100، ولكن أنها غالبا ما تكون مكلفة للغاية وتستغرق وقتا طويلا لتطبيقها على الخلايا الشمسية، حيث القدرة على مساحة كبيرة مع انخفاض التكلفة ضرورية. من أجل تحقيق منخفضة التكلفة، عالية الإنتاجية، ومتطلبات مساحة كبيرة مع النانو التحكم، وأساليب مثل الطباعة الحجرية nanoimprint، 14-16 الطباعة الحجرية الناعمة، 17،18 19-21 وثقب قناع الغروية الطباعة الحجرية 22-24 سيكون واعدا. ومن بين هذه الخيارات، قمنا بتطوير الحجرية الناعمة، متقدمة تقنية الطباعة نقل 25 عن طريق بولي ذات البنية النانومترية (dimethylsiloxane) (PDMS) الطوابع وطبقات لاصقة على أساس كوبوليمر كتلة، الزخرفة النانو المعدنية أمر يمكن تحقيقه بسهولة على عدد من الناحية التكنولوجية المواد ذات الصلة، بما في ذلك تلك الخلايا الشمسية.
محور هذه المقالة لوصف الإجراءات المفصلة لنهجنا الطباعة نقل لدمج ضوء محاصرة النانو plasmonic فعالة في هياكل الخلايا الشمسية الحالية. كحالة برهانية، nanodisks حج والأغشية الرقيقة المهدرجة الجريزوفولفين سي (μc سي: H) وقد تم اختيار الخلايا الشمسية في هذه الدراسة (الشكل 1)، 26 على الرغم من أن أنواع أخرى من المعادن والخلايا الشمسية متوافقة مع هذا النهج. جنبا إلى جنب مع عملية لهاالبساطة، فإن نهج تكون ذات فائدة للباحثين متنوعة مثل أداة قوية لدمج النانو المعدنية وظيفي مع الأجهزة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد PDMS طوابع
- تعيين قالب nanohole (سيكلو nanoimprinted البوليمر الأوليفين فيلم من البلاستيك، الحجم: 50 ملم × 50 ملم) في تترافلوروإيثيلين (PTFE) حاوية.
- تزن vinylmethylsiloxane dimethylsiloxane البوليمرات (0.76 جم للمم قالب 50 ملم × 50) في زجاجة يمكن التخلص منها ومزجها مع مجمع PT-divinyltetramethyldisiloxane (6 ميكرولتر، وذلك باستخدام ماصة الرقمية الصغيرة مع طرف البولي بروبلين المتاح) و2،4، 6،8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ميكرولتر، وذلك باستخدام ماصة الصغرى الرقمية مع طرف البولي بروبلين المتاح).
- إضافة methylhydrosiloxane dimethylsiloxane البوليمرات (0.24 مل، وذلك باستخدام ماصة الصغرى الرقمية مع طرف البولي بروبلين المتاح) في زجاجة ومزجها بسرعة باستخدام ماصة الزجاج القابل للتصرف. بعد تفجير سطح قالب المنصوص عليها في حاوية PTFE التي كتبها N 2، صب الخليط الناتج ("من الصعب" PDMS prepolymer) على قالب وتبدأ تدور معطفجي في 1000 دورة في الدقيقة لمدة 40 ثانية لتحقيق سمك طبقة من ~ 40 ميكرون.
- ضع عينة المغلفة تدور في غرفة الساخنة محمى على حرارة 65 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لفترة وجيزة عبر الارتباط في PDMS الصعبة.
- أثناء التسخين، تزن السيليكون (6 ز) ومزجها مع محفز (0.6 غرام) في زجاجة يمكن التخلص منها. ضع زجاجة في مجفف فراغ وتطبيق فراغ (~ 133 باسكال) لمدة 15 دقيقة لإزالة الهواء المحبوس في خليط سيليكون ("لينة" PDMS prepolymer).
- إخراج القالب وناعمة PDMS prepolymer من غرفة التدفئة وفراغ مجفف، على التوالي، وسرعان ما صب PDMS الناعمة prepolymer على القالب ساخنة. سمك طبقة PDMS الناعمة هو ~ 3 مم.
- ضع عينة مما أدى إلى فراغ مجفف مرة أخرى لمزيد من التفريغ في ~ 133 باسكال على الأقل لمدة 1 ساعة.
- نقل العينة نزع الغاز إلى غرفة التدفئة وتسخين تبدأ تدريجيا تصل إلى 80 درجة مئوية (معدل التسخين ~ 3 ° C / دقيقة). الحفاظ على هذه الدرجة لمدة 5 ساعةلعبور الارتباط في PDMS المادية وغير المادية تماما.
- بعد تبريد العينة وصولا الى RT، تقشر ختم PDMS بعناية من العفن. إعادة استخدام القالب لإعداد الطوابع الثانية (أو أكثر)، إذا لزم الأمر. ملاحظة: نفس القالب يمكن استخدام خمس مرات على الأقل دون تدهور نوعية الطوابع.
- قطع الناتجة الطابع nanopillar (مزدوج الطبقات الثابت / لينة PDMS المركبة) 27 إلى قطع من أحجام المطلوب (عادة 7 ملم × 7 ملم للخلايا الشمسية لدينا) باستخدام سكين وتخزينها تحت الهواء حتى الاستخدام.
2. إعداد كتلة كوبوليمر حلول
- وزن مسحوق من كتلة polystyrene- -poly-2-vinylpyridine (ملحوظة: ب -P2VP) في زجاجة ومزجها مع س -xylene في نسبة 3 ملغ / مل (ملحوظة: ب -P2VP / س -xylene) .
- يحرك الخليط باستخدام شريط التحريك المغناطيسي المغلفة PTFE عند 70 درجة مئوية لمدة 1 ساعة.
- يبقي الحل مما أدى لأكثر من 24 ساعة عند RT دون ضجةعصابة لاستكمال تشكيل المذيلات الذاتي تجميعها. ختم بإحكام الحل وتخزينها في ظل الظروف المحيطة. ملاحظة: نوعية الحل لم تتغير حتى بعد سنة واحدة التحضير.
3. إعداد μ سي سي: H ركائز
- نظارات غسل مغطاة سنو 2: F (دلالة على الزجاج / سنو 2: F، الآخرة) مع H 2 O (500 مل)، والمنظفات (500 مل)، وH 2 O (500 مل) في RT استخدام حمام بالموجات فوق الصوتية (15 دقيقة لكل منهما). تجفيفها التي تهب N 2.
- تحميل الزجاج تنظيف / سنو 2: ركائز F في حامل الركيزة وديعة أكسيد الزنك: جا (20 نانومتر) باستخدام الحالي (DC) النظام الاخرق المباشر للشروط المحددة في الجدول 2.
- تحميل الزجاج / سنو 2: F / أكسيد الزنك: ركائز جا في آخر حامل الركيزة وμ إيداع سي سي: H ص (10 نانومتر)، ط (500 نانومتر)، و n (40 نانومتر) طبقات باستخدام مادة كيميائية محسنة البلازما vapoترسب ص (PECVD) نظام للشروط المحددة في الجدول 2.
- تخزين الناتج μ سي سي: H (زجاج / سنو 2: F / أكسيد الزنك: جا / μ سي سي: H ص - ط - ن) ركائز تحت فراغ أو N 2 حتى خطوة الطباعة نقل.
4. حج طلاء من PDMS طوابع
- غسل الطوابع PDMS (المعد في الخطوة 1) مع ETOH (30 مل) باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة والجافة التي تهب N 2.
- تحميل PDMS الطوابع تنظيفها على صاحب العينة باستخدام الوجهين شريط لاصق وإيداع فيلم حج (10-80 نانومتر) باستخدام شعاع الالكترون (EB) نظام التبخر مع الشروط التالية: معدل الترسيب = 5-10 Å / ثانية، والضغط = ~ 1.5 × 10 -4 باسكال.
- اخراج الطوابع حج المغلفة من نظام تبخر EB واستخدامها على الفور في خطوة نقل الطباعة التالية.
5. نقل طباعة حج Nanodisks على Thin-فيلم سي السطوح
- اخراج فيلم رقيقة سي ركائز المخزنة تحت فراغ أو N 2 وتدور معطف مع الحل ملحوظة: ب -P2VP (0.3 مل لمدة 50 ملم × 50 ملم العينة، وذلك باستخدام ماصة الصغرى الرقمية مع طرف البولي بروبلين المتاح) في 5000 دورة في الدقيقة لمدة 40 ثانية.
- الرطب السطح المطلي -P2VP-ملحوظة: ب مع ETOH باستخدام ماصة الصغرى الرقمية (5 ميكرون منطقة / خلية) وتطبيق PDMS حج المغلفة ختم بهدوء على سطح-ETOH الرطب. لا تضغط على الطوابع.
- ضع الأغشية الرقيقة سي الركيزة بختم في فراغ الغرفة وتطبيق فراغ (~ 133 باسكال).
- بعد 5 دقائق، وملء فراغ الغرفة مع الهواء وإخراج الأغشية الرقيقة سي الركيزة.
- إزالة ختم من الأغشية الرقيقة سي الركيزة عن طريق الضغط على الجانب كل من الطوابع مع ملاقط لنقل الطباعة nanodisks حج. ملاحظة: إذا نجحت، وأثر لختم مرئيا كبقعة مخضر.
- شطف المطبوعة نقل الأغشية الرقيقة سي الركيزة مع استمرار تدفق إتOH لمدة 15 ثانية (~ 30 مل) والجافة التي تهب N 2.
- إزالة طلاء PS-ب-P2VP باستخدام نظام البلازما هارون.
- ضع الأغشية الرقيقة سي الركيزة المطبوعة نقل في غرفة عملية للنظام البلازما هارون.
- ضخ الهواء في غرفة عملية ل~ 5 دقائق (الضغط ~ 20 باسكال).
- فتح صمام خط الغاز هارون وضبط معدل تدفق إلى 4 SCCM يدويا. انتظر ~ 5 دقائق لتحقيق الاستقرار في الضغط إلى 40 باسكال.
- توليد عار البلازما ل 108 ثانية.
- إغلاق صمام خط الغاز هارون، ووقف الضخ، وملء الهواء في غرفة عملية لإخراج تنظيفها البلازما، الأغشية الرقيقة المطبوعة نقل سي ركائز.
6. الانتهاء من الأغشية الرقيقة سي الشمسية تصنيع خلية
- إرفاق أقنعة المعادن إلى الأغشية الرقيقة المطبوعة نقل سي ركائز بعد العلاج البلازما هارون باستخدام الأشرطة بوليميد.
- تحميل ركائز ملثمين في حامل الركيزة نظام وdeposi الاخرق DCر أكسيد الزنك: جا (100 نانومتر)، حج (250 نانومتر)، وأكسيد الزنك: جا (40 نانومتر) بالتتابع مع الشروط المحددة في الجدول 2.
- فصل الأقنعة معدنية من ركائز وإزالة ملثمين الأغشية الرقيقة سي طبقات (أي المنطقة التي أكسيد الزنك: لم تودع جا وAG) باستخدام نظام رد الفعل ايون النقش (ري).
- وضع العينات في غرفة عملية للنظام ري.
- ضخ الهواء في غرفة العملية التالية تعليمات الشركة الصانعة.
- تهيئة الظروف العملية على النحو التالي بعد تعليمات الشركة المصنعة: SF 6 / O 2 معدل التدفق = 100/20 SCCM ضغط = 20 باسكال، قوة 100 واط، والوقت = 1 دقيقة و 20 ثانية.
- فتح خطوط SF 6 و O 2 الغاز واستقرار الضغط، وتوليد البلازما.
- إغلاق صمام خط SF 6 و O 2 الغاز، ووقف الضخ، وملء N 2 في غرفة عملية لإخراج العينات.
- وضععينات في غرفة فراغ الصلب وتبدأ التسخين تدريجيا إلى 175 درجة مئوية تحت فراغ (~ 133 باسكال). الحفاظ على هذه الدرجة لمدة 2 ساعة، ثم يترك ليبرد لRT. ملء الهواء في غرفة وإخراج العينات، التي الآن يمكن أن تسمى الخلايا.
- سبائك القصدير والزنك استنادا-جندى على القطب الأمامي الشفاف (زجاج / سنو 2: F / أكسيد الزنك: غا، الجزء الظاهر من العلاج ري) باستخدام جهاز لحام بالموجات فوق الصوتية.
7. قياس كفاءة الكم الخارجية (EQE)
- إرفاق قناع خفيفة التدريع إلى خلية ملفقة باستخدام الشريط بوليميد وضبط خلية ملثمين في حامل الخلية. ربط تحقيقات لملحوم القطب الجبهة (+) والعودة حج / أكسيد الزنك: جا القطب (-).
- قياس EQE الأطياف باستخدام نظام قياس EQE التالية تعليمات الشركة الصانعة مع مجموعة الطول الموجي وخطوة من 300-1،100 نانومتر و 5 نانومتر، على التوالي.
8. قياس الضوئية الحالية الجهد (JV) حرفوالإمداد
- معايرة شدة الضوء من نظام قياس الخصائص JV باستخدام الخلايا إشارة سي غير متبلور.
- تعيين سي الخلية إشارة غير متبلور لحامل خلية من نظام قياس الخصائص JV، وإلقاء الضوء على الضوء.
- قراءة photogenerated الحالية باستخدام رقمي متعدد متر مجهزة في نظام القياس خصائص JV. ضبط شدة الضوء حتى يظهر التيار photogenerated القيمة الصحيحة للخلية المرجعية (8.34 مللي أمبير / سم 2).
- إرفاق قناع خفيفة التدريع إلى خلية وضبط خلية ملثمين في حامل الخلية. ربط تحقيقات لملحوم القطب الجبهة (+) والعودة حج / أكسيد الزنك: جا القطب (-).
- تسليط الضوء على ضوء معايرة (100 ميغاواط / سم 2، 1 الشمس) على الخلية وقياس التيارات photogenerated باستخدام نظام قياس الخصائص JV التالية تعليمات الشركة الصانعة مع خطوة الجهد من 0.02 V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويبين الشكل 2 العملية العامة لطباعة نقل nanodisks حج على سطح μc سي: H (ن طبقة). لفترة وجيزة، وهو فيلم حج (سمك: 10-80 نانومتر) وتودع أول مرة على سطح طابع nanopillar PDMS بواسطة شعاع الالكترون التبخر. في موازاة ذلك، وهو ملحوظة: ب حل -P2VP غير المغلفة تدور على سطح الطازجة μc سي: ن طبقة H. بعد ذلك، يتم وضع قطرات من ETOH على ملحوظة: ب المغلفة -P2VP السطح، ويتم وضع PDMS ختم حج المودعة على-ETOH الرطب ملحوظة: ب سطح -P2VP. لا الضغط الضروري الطابع، لأن اتصال حميم بين الطابع والركيزة يشكل تلقائيا بسبب التوتر السطحي المستمدة من تبخر ETOH. بعد يبخر ETOH بعيدا (باستخدام انخفاض الضغط)، يتم تحرير ختم من الركيزة لاستكمال نقل حج المودعة على المنطقة التي أثيرت من الطوابع nanopillar PDMS. أخيرا، وهوويتم العلاج البلازما AR إلى إزالة ملحوظة: ب -P2VP الطلاء.
هو مبين في الشكل (3) والمجهر الإلكتروني (SEM) وصور من الناتج حج nanodisk مجموعة على (في) μc سي: H السطوح (الخلايا) 3A 26 الشكل و3B هي أعلى ويميل جهات نظر نفس العينة. جذر متوسط خشونة مربع (RMS R) للالأساسية μc سي: كان H سطح 6.6 نانومتر. ومع ذلك، كان نقل كامل تقريبا من nanodisks حج، قطرها، المسافة مركز إلى مركز، وسمك nanodisks حج 200، 460، و 40 نانومتر، على التوالي، وقد تحقق. الشكل 3C هو رأي مستعرضة من وأكملت μc سي: H هيكل الخلية؛ أي بعد الترسيب (الاخرق) من أكسيد الزنك: جا / حج / أكسيد الزنك: طبقات جا على رأس nanodisk مجموعة حج هو مبين في الشكل 3A و 3B. الحق حج nanodisks جزءا لا يتجزأ من على الضوئية μc سي: H
وتظهر أطياف EQE من الخلايا ملفقة في الشكل 4 26 بالمقارنة مع خلية المرجعية (أ μc سي: H خلية ملفقة في وقت واحد مع تخطي عملية الطباعة نقل)، الطيف EQE من nanodisk حج (سمك: 40 نانومتر) وأظهرت الخلايا أدرجت إشارات العليا في نطاق الطول الموجي الطويل (650-1،100 نانومتر). وأشار هذا الطول الموجي انتقائية تعزيز بوضوح تأثير تفضيلية للnanodisks حج plasmonically نشط للخلية الشمسية؛ وهي plasmonic ضوء محاصرة. وقد أجريت الكمي لدرجة محاصرة ضوء في نطاق 650-1،100 نانومتر لاحظ في الشكل 3 بجمع القيم EQE كل خلية وأخذ نسبة منهم (أدرجت nanodisk-AG خلية خلية / إشارة). وبلغت قيمة 1.60. وبالتالي، تم تحقيق 60٪ زيادة EQE التي تتوسط nanodisk-AG ضوء محاصرة plasmonic.
والأنف والحنجرة "> ويلخص الجدول 1 الخصائص الضوئية للخلايا أدرجت nanodisk والمرجعية حج 26 تم تأكيد ذلك، كما هو متوقع، أن الكثافة الحالية دائرة قصر (J الشوري) للخلية أدرجت nanodisk-AG زادت مقارنة بما كان عليه الخلية المرجعية (11،4-12،4 مللي أمبير / سم 2) بسبب تعزيز EQE المذكورة أعلاه. أما بالنسبة الجهد الدائرة المفتوحة (V OC) وملء عامل (FF)، تلك الخلايا كانا تقريبا نفس (V OC : ~ 0.52 V، FF: ~ 0.76) ونتيجة لذلك، وكفاءة photoconversion (η) من خلية أدرجت nanodisk حج تحسين (4.5٪ إلى 5.0٪).
الشكل 1. تخطيطي المقطع العرضي لإدراجها nanodisk-AG μc سي: nanodisks H الخلايا الشمسية وحج يقع في الجانب الخلفي من μc سي: H الخلايا الشمسية. : //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 2. يتم تطبيق الإجراءات العامة لطباعة نقل حج Nanodisks. آغ المغلفة ختم nanopillar PDMS على مغلفة -P2VP-ملحوظة: ب-طبقة رقيقة سي الركيزة التي السطح الرطب مع ETOH. يتم تطبيق AR العلاج البلازما لإزالة طلاء PS-ب-P2VP وفضح سي طبقة رقيقة الفيلم. بعد هذه العملية، أكسيد الزنك: جا / حج / أكسيد الزنك: تحتاج طبقات جا لتودع على رأس المطبوعة نقل وnanodisks حج لاستكمال هيكل الخلية الشمسي بأكمله هو مبين في الشكل 1. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم .
ether.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 3. SEM صور نقل مطبوعة حج Nanodisks (القطر = 200 نانومتر، وسمك = 40 نانومتر) (A) أعلى نظرا المطبوعة نقل nanodisks حج على μc سي: H السطح. (B) عرض مائل للالمطبوعة نقل nanodisks حج على μc سي: H السطح. (C) مستعرضة رأي المطبوعة نقل nanodisks حج (الحجم: 200 نانومتر) جزءا لا يتجزأ من μc سي: H خلية 26 جميع الحقوق محفوظة 2014 جمعية اليابان الفيزياء التطبيقية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم .
الرقم 4. EQE أطياف μc سي: H الخلايا (الخط الأزرق) حج nanodisk (ND) -incorporated الخلية. (أحمر متقطع سطر)وقد لوحظت مرجع الخلية. 26 تحسين استجابات مع الخط الأزرق نظرا لمحاصرة ضوء حج ND بوساطة. تم تعديل هذا الرقم من الرقم. 26. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجدول 1. ملخص خصائص الضوئية JV من μc سي: H الخلايا.
| نوع من الخلايا | J الشوري (مللي أمبير / سم 2) | OC V (V) | FF | η (٪) |
| AG-أدرجت nanodisk | 12.4 | 0،526 | 0،764 | 5 |
| إشارة | 11.4 | 0.521 | 0،763 | 4.5 |
الجدول 2. ظروف ترسب.
| خطوات | نظام ترسب | المواد | الظروف |
| 3.2 | الاخرق | أكسيد الزنك: جا | ع معدل = 200 SCCM، الضغط = 0.133 التدفق باسكال، DC الطاقة = 200 W، عينة دوران = 10 دورة في الدقيقة، ومعدل ترسب = ~ 3.3 Å / ثانية. |
| 3.3 | الأمراض القلبية الوعائية | μc سي: H ص | معدل التدفق من سيح 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3.5 / 450/2 SCCM، ودرجة الحرارة الركيزة = 140 ° C، وضغط = 1.5 عربة، تردد الراديو (RF) كثافة الطاقة = 80 ميغاواط / سم 2، والوقت ترسب = 5 دقيقة و 45 ثانية (معدل = ~ 0.3 Å / ثانية). |
| μc سي: H ط | معدل التدفق من سيح 4 / H 2 = 10.5 / 380 SCCM، ودرجة الحرارة الركيزة = 180 ° C، وضغط = 200 باسكال، كثافة الطاقة RF = 40 ميغاواط / سم 2، والوقت ترسب = 1 ساعة 2 دقيقة (معدل = ~ 1.3 Å / ثانية). | ||
| μc سي: H ن | معدل التدفق من سيح 4 / H 2/3 PH = 3/148/12 SCCM، ودرجة الحرارة الركيزة = 195 ° C، وضغط = 40 باسكال، كثافة الطاقة RF = 80 ميغاواط / سم 2، والوقت ترسب = 23 دقيقة (معدل = ~ 0.3 Å / ثانية). | ||
| 6.2 | الاخرق | أكسيد الزنك: جا | تدفق ع = 200 SCCM، الضغط = 0.133 باسكال، DC الطاقة = 200 W، عينة دوران = 10 دورة في الدقيقة، ومعدل ترسب = ~ 3.3 Å / ثانية. |
| AG | ؛ "> تدفق هارون = 200 SCCM، الضغط = 0.133 باسكال، DC الطاقة = 100 W، عينة دوران = 10 دورة في الدقيقة، ومعدل ترسب = ~ 6 Å / ثانية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
في هذه المقالة، كان يعمل مزدوج الطبقات الصلبة / PDMS الناعمة المركب كمواد الطوابع. تم العثور على 27 وهذا المزيج على أنها ضرورية لتكرار بالضبط البنية النانوية الأم في القالب، الذي كان مجموعة جولة حفرة سداسي قريبة معبأة قطرها من 230 نانومتر، وعمق 500 نانومتر، وثقب مركز إلى مركز تباعد من 460 نانومتر. عندما استخدمت PDMS الغازية فقط، وختم أدى دائما في سطح سيئة النانوية (على سبيل المثال، لا حافة حادة في بنية عمود مقلوب) نتيجة لانخفاض معامل يونغ (28)؛ وبالتالي، كان الطباعة نقل nanodisks حج أبدا تحقيقه.
استخدام المغلفة تدور كتلة من البوليمرات (ملحوظة: ب -P2VP) أفلام رقيقة على هيئة طبقات ملزم هو مفتاح آخر لنجاح نقل الطباعة على μc سي: H الأسطح، والتي لا سلس (RMS R = ~ 6،6 نانومتر). على الرغم من أن نقل الطباعة الهياكل المعدنية وضعت أصلا باستخدام جزيئات عضوية مبادرة الخوذ البيضاء الصغيرةالفصل يشكل الطبقات الوحيدة ذاتية-التجمع (سام) على الأسطح، 29 وجدنا أن استخدام صواريخ سام (3-mercaptopropyltrimethoxysilane) لا يعمل لل(قليلا) محكم μc سي: H السطوح. وبالإضافة إلى ذلك، وتشكيل لصواريخ سام مع نوعية جيدة يستغرق وقتا طويلا (~ بضع ساعات)، في حين أن عمليتنا يتطلب أقل من 1 دقيقة (40 ثانية قبل طلاء تدور). هذه النقطة قد تكون مهمة بالنسبة للمواد التي تحتاج إلى عمليات سريعة لتجنب الأحداث السطحية غير المواتية، مثل تشكيل أكاسيد أو التلوث الزائدة.
كما ينبغي التأكيد على أدوار ETOH في الطباعة نقل. الدور الأول، كما سبق وصفها، للمساعدة في تشكيل اتصال حميم بين سطح ختم والهدف باستخدام التوتر السطحي على التبخر. الدور الثاني هو إعادة بناء طبقة رقيقة ملحوظة: ب -P2VP، والتي تضمن التقاط المعادن (حج) على PDMS الطوابع من خلال تشكيل روابط التنسيق المعادن البريدين. 25 ونحن نعتقد أن ليالياوك الحدث الديناميكي في واجهة جميلة / الركيزة ضروري لنقل الطباعة خصوصا على الأسطح محكم.
عندما كانت الطباعة التحويل عن طريق الإجراء أعلاه غير ناجحة، وكان السبب الغالب في الطوابع المستخدمة. منذ امتثالي الاتصال بين طابع وركيزة أمر بالغ الأهمية، والتسطيح من سطح الختم مهم جدا. يتم تحديد التسطيح من صفة قالب الأصلي؛ لذلك، مرة واحدة فشلت الطباعة نقل، سيكون من الوقت لتغيير القالب. وفقا لتجربتنا، وعدد المرات التي يمكن إعادة استخدامها العفن هو خمسة، ولكن سيتم زيادة من قبل تنظيف وتخزين القالب المناسب. سوف التسطيح طابع أيضا أن يكون لها تأثير كبير على المنطقة التي يمكن أن تكون موحد المطبوعة نقل. في هذا الإطار، لقد أثبتنا في الزخرفة 20 ملم × 20 ملم على نطاق ضيق مع طابع أعدت من قالب جديد. 25
أما بالنسبة للتصميم نمط القالب / ختم،جولة حفرة هياكل / عمود بقطر 230/200 نانومتر كانوا يعملون (قطر أصغر من عمود ويرجع ذلك إلى شكل مدبب من ثقب الأصلي). وكان هذا الاختيار ببساطة لأن مثل قالب (فيلم البلاستيك nanoimprinted) كان يتوفر تجاريا، وأنه لم يكن واحد ملفقة خصيصا لطلبنا الخلايا الشمسية. وهذا بدوره يعني أن هناك مجالا واسعا للتصاميم النمط، الذي من شأنه أن يؤدي إلى الكثير متفوقة قدرة ضوء محاصرة بالمقارنة مع النتيجة المعروضة هنا. وفي هذا الصدد، فإن استخدام المحاكاة البصرية تكون مفيدة للبحث أنماط أفضل. على الرغم من أن تصنيع قوالب الفعلية (ربما عن طريق شعاع الالكترون الطباعة الحجرية) يمكن أن تكون مكلفة، مرة واحدة ملفقة، الطوابع المقابلة يمكن تكرارها عدة مرات حسب الحاجة. وهكذا، فإن التكلفة العملية الكلية يمكن قمعها بشكل كبير، والذي هو ميزة كبيرة للنهج الطباعة نقل.
من حيث المعادن نقل للطباعة عن طريق إجراءات وصفها لهاوتأكدت ه، والاتحاد الافريقي، والنحاس، والنيكل قابلة للتطبيق. وتجدر الإشارة إلى أن أيا من هذه المعادن توفير أفضل الآثار محاصرة الخفيفة بالمقارنة مع حالة من حج. وكان معدن آخر اختبار القاعدة الذي يعتبر مرشحا جيدا لplasmonic تطبيقات ضوء محاصرة. 30 وقد وجد، مع ذلك، أن الطباعة نقل آل غير ناجحة، وربما يعود ذلك إلى تقارب قوي مع PDMS. ولذلك، إدخال تعديلات على السطوح PDMS 31 قد تكون هناك حاجة لتسهيل نقل الطباعة عن طريق الحد من التفاعل بين PDMS وأودعت شركة.
بخلاف μc سي: H، طريقة يمكن استخدامها مع مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك الخام للغاية (محكم) الأسطح (R التربيعي ≥ 20 نانومتر) 25 وفي الواقع، لقد سبق تناولها إمكانية التركيب التآزر / plasmon-. بوساطة محاصرة الضوء من خلال افتعال الخلايا مع زجاج محكم / سنو 2: F ركائز 17 بالإضافة إلى ذلك، يشبه ضوء محاصرة EFFEوقد تم توثيق التصوير المقطعي باستخدام خلايا سي غير متبلور المهدرجة. 32 غيرها من المواد الهامة من الناحية التكنولوجية، مثل البلورية سي، الغاليوم، البرنامج النووي العراقي، وأكاسيد المعادن، هي أيضا متوافقة مع أسلوب، وبالتالي تعزيز تطبيقات جهاز (وليس فقط للخلايا الشمسية) سيكون متوقع.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nanohole mold | Scivax | FLH230/500-120 | |
| PTFE container | Eishin | n/a | Custom made |
| Hard-PDMS materials | |||
| Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | VDT-731 | |
| Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex | Gelest | SIP6831.1 | |
| Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer | Gelest | HMS-301 | |
| 2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane | Sigma-Aldrich | 396281 | Additive for hard-PDMS |
| Soft-PDMS materials | Dow Corning | Sylgard-184 | Silicone precursor |
| PS-b-P2VP | Polymer Source | P5742-S2VP | Mn × 103 = 133-b-132 |
| Glass/SnO2:F substrates | Asahi Glass Co. Ltd. | Type VU | Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces |
| Detergent | Fruuchi Chemical Co. http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm |
Semico-clean 56 | Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates |
| ZnO:Ga supputtering target | AGC Ceramics Co. Ltd. | 5.7GZO | |
| Ag supputtering target | Mitsubishi Materials Co. | 4NAg | |
| Double-sided adhesive tape | Nisshin EM Co. | 732 | |
| Polyimide tape | Dupont | Kapton 650S#25 | |
| Sn-Zn-based Solder | Kuroda Techno Co., Ltd. | Cerasolzer AL-200 | |
| Digital micro pipette | Nichiryo | 00-NPX2-20 00-NPX2-200 00-NPX2-1000 |
|
| Heating chamber | Tokyo Rikakikai Co., Ltd. | VOS-201SD | |
| Electron beam evaporator | Canon-Anelva | n/a | Custom made |
| Electron beam evaporator | Arios | n/a | Custom made |
| Sputtering system | Ulvac | SBR-2306 | |
| PECVD system | Shimadzu Emit Co. Ltd. | SLCM-13 | |
| Ar plasma system | Diner Electric Gmbh | Femto | |
| RIE system | Samco Inc. | RIE-10NR | |
| Ultrasonic soldering device | Colby-Eishin Enterprises, Inc. | SUNBONDER | |
| EQE measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | CEP-25BXS | |
| J-V characteristics measurement system | Bunkoukeiki Co. Ltd. | OTENTOSUN-5S-I/V | |
| Amorphous Si reference cell | Bunkoukeiki Co. Ltd. | WPVS-NPB-S1 | For light intensity calibration |
| Digital multi-meter | Keithley Instruments Inc. | 2400 | |
References
- Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
- Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
- Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
- Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
- Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
- Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
- Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
- Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
- Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
- Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
- Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
- Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
- Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
- Na, S. -I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
- Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
- Hsu, C. -M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
- Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
- Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
- Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
- Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
- Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
- Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
- Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
- Loo, Y. -L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
- Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
- Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
- Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).
