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Engineering

अंतरण मुद्रण द्वारा हाइड्रोजनीकृत माइक्रोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में प्रकाश को फँसाने रजत Nanostructures की एकता

Published: November 9, 2015 doi: 10.3791/53276
Automatic Translation
1, 2, 2, 1, 1
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

Introduction

तकनीकी क्षेत्र की एक विस्तृत रेंज में कार्यात्मक nanostructures के आवेदन के लिए एक लंबे समय से चली आ रही मांग की गई है। इस प्रवृत्ति के लिए उम्मीदों में से एक सुधार या अभिनव प्रदर्शन के लिए अग्रणी डिवाइस आर्किटेक्चर के नए डिजाइन को खोलने के लिए है। सौर कोशिकाओं के क्षेत्र में, उदाहरण के लिए, धातु nanostructures के उपयोग के लिए सक्रिय रूप से, क्योंकि उनके पेचीदा ऑप्टिकल (यानी, plasmonic) गुण, प्रभावी प्रकाश को फँसाने सिस्टम के निर्माण के लिए एक संभावित लाभदायक का पता लगाया गया है। 2,3 दरअसल, कुछ सैद्धांतिक पढ़ाई 4 -6 ऐसे plasmonic प्रकाश को फँसाने सौर कोशिकाओं के साथ वांछित धातु nanostructures एकीकृत करने के लिए रणनीति विकसित करने, पारंपरिक रे प्रकाशिकी (बनावट) एक परिणाम के रूप में प्रकाश को फँसाने की सीमा। 7 आधारित से अधिक प्रभाव को प्राप्त कर सकता है कि सुझाव दिया है कि इन एहसास करने के क्रम में तेजी से महत्वपूर्ण बन गया है सैद्धांतिक भविष्यवाणियों।

रणनीतियों की एक संख्या हैइस चुनौती का सामना करने के लिए प्रस्तावित किया गया। 8-24 ये, उदाहरण के लिए, सरल (कम लागत) धातु फिल्मों 8,9 या पूर्व संश्लेषित नैनोकणों धातु के फैलाव के थर्मल annealing, के लिए 10,11, जो दोनों के के सफल प्रदर्शनों में हुई शामिल plasmonic प्रकाश को फँसाने। हालांकि, यह इन तरीकों द्वारा गढ़े धातु nanostructures आमतौर पर सैद्धांतिक मॉडल के लिए मैच के लिए चुनौती दे रहे हैं कि बाहर की ओर इशारा किया जाना चाहिए। इसके विपरीत, इस तरह के फोटोलिथोग्राफी और इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी के रूप में अर्धचालक उद्योगों में पारंपरिक नैनो तकनीक, 12,13 अच्छी तरह से उप-100 एनएम के स्तर से नीचे संरचनाओं नियंत्रित कर सकते हैं, लेकिन वे अक्सर बहुत महंगा है और कर रहे हैं सौर कोशिकाओं को लागू करने के लिए समय लेने वाली है, कम लागत के साथ जहां बड़े क्षेत्र की क्षमता के लिए आवश्यक है। कम लागत, उच्च throughput, और nanoscale controllability साथ बड़े क्षेत्र आवश्यकताओं, ऐसे nanoimprint लिथोग्राफी, 14-16 नरम लिथोग्राफी, 17,18 तरीके के रूप में पूरा करने के लिए 19-21 और छेद मुखौटा कोलाइडयन लिथोग्राफी 22-24 का वादा किया जाएगा। इन विकल्पों के अलावा, हम एक नरम पत्थर के छापे, उन्नत अंतरण मुद्रण तकनीक विकसित की है। 25 एक nanostructured पाली (dimethylsiloxane) (PDMS) टिकटों और ब्लॉक copolymer आधारित चिपकने परतों का उपयोग करना, आदेश दिया धातु nanostructures की आकृति आसानी से तकनीकी रूप से एक नंबर पर प्राप्त किया जा सकता है सौर कोशिकाओं के लिए लोगों सहित प्रासंगिक सामग्री,।

इस लेख का ध्यान सौर सेल संरचनाओं मौजूदा में प्रभावी प्रकाश को फँसाने plasmonic nanostructures शामिल करने के लिए हमारे हस्तांतरण मुद्रण दृष्टिकोण की विस्तृत प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए है। धातुओं और सौर कोशिकाओं के अन्य प्रकारों के इस दृष्टिकोण के साथ संगत कर रहे हैं, हालांकि सौर कोशिकाओं इस अध्ययन में चयन किया गया था (चित्रा 1), 26: एक ठोस मामले के रूप में, एजी nanodisks और पतली फिल्म माइक्रोक्रिस्टलाइन सी (एच μc-सी) हाइड्रोजनीकृत। साथ में इसकी प्रक्रिया के साथसादगी, दृष्टिकोण उपकरणों के साथ कार्यात्मक धातु nanostructures एकीकृत करने के लिए एक आसान उपकरण के रूप में विविध शोधकर्ताओं के लिए ब्याज की हो जाएगा।

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Protocol

PDMS टिकटों की 1. तैयारी

  1. एक polytetrafluoroethylene (PTFE) कंटेनर में: एक nanohole मोल्ड (50 मिमी × 50 मिमी nanoimprinted Cyclo Olefin बहुलक प्लास्टिक की फिल्म, आकार) की स्थापना की।
  2. और 2,4 (एक डिस्पोजेबल polypropylene के टिप के साथ एक डिजिटल माइक्रो पिपेट का उपयोग, 6 μl) एक डिस्पोजेबल कांच की बोतल में vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer (50 मिमी × 50 मिमी मोल्ड के लिए 0.76 छ) वजन और पं-divinyltetramethyldisiloxane जटिल के साथ मिश्रण, (एक डिस्पोजेबल polypropylene के टिप के साथ एक डिजिटल माइक्रो पिपेट का उपयोग कर 24 μl) 6.8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane।
  3. (0.24 मिलीग्राम एक डिस्पोजेबल polypropylene के टिप के साथ एक डिजिटल माइक्रो पिपेट का उपयोग) methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer जोड़ें कांच की बोतल में और जल्दी से एक डिस्पोजेबल गिलास पिपेट का उपयोग यह मिश्रण। PTFE कंटेनर में सेट मोल्ड की सतह एन 2 से उड़ा दिया है, के बाद मोल्ड पर जिसके परिणामस्वरूप मिश्रण ("" मुश्किल PDMS prepolymer) डालना और स्पिन कोट शुरू40 सेकंड के लिए 1000 rpm पर आईएनजी ~ 40 माइक्रोन की परत मोटाई को प्राप्त करने के लिए।
  4. 30 मिनट के संक्षिप्त पार से लिंक कठिन PDMS करने के लिए 65 डिग्री सेल्सियस पर छोड़ देते हैं एक गर्म चैम्बर में स्पिन में लिपटे नमूना रखें।
  5. हीटिंग के दौरान, सिलिकॉन (6 ग्राम) का वजन और एक डिस्पोजेबल कांच की बोतल में उत्प्रेरक (0.6 ग्राम) के साथ मिश्रण। एक निर्वात desiccator में कांच की बोतल रखें और सिलिकॉन मिश्रण ("सॉफ्ट" PDMS prepolymer) में फंस हवा निकालने के लिए 15 मिनट के लिए वैक्यूम (~ 133 पा) लागू होते हैं।
  6. क्रमशः हीटिंग कक्ष और निर्वात desiccator, से मोल्ड और नरम PDMS prepolymer बाहर ले लो, और जल्दी गर्म मोल्ड पर prepolymer नरम PDMS डालना। मुलायम PDMS परत की मोटाई ~ 3 मिमी है।
  7. कम से कम 1 घंटे के लिए ~ 133 फिलीस्तीनी अथॉरिटी में आगे degassing के लिए फिर से निर्वात desiccator में जिसके परिणामस्वरूप नमूना रखें।
  8. हीटिंग चैम्बर के लिए degassed नमूना हस्तांतरण और 80 डिग्री सेल्सियस (~ 3 डिग्री सेल्सियस / मिनट हीटिंग दर) के लिए धीरे-धीरे गर्म करने लगते हैं। 5 घंटे के लिए इस तापमान रखेंहार्ड और सॉफ्ट PDMS पूरी तरह से पार से लिंक करने के लिए।
  9. आर टी करने के लिए नीचे नमूना ठंडा करने के बाद, PDMS मोल्ड से ध्यान से टिकट दूर छील। यदि आवश्यक हो, दूसरा (या अधिक) के टिकटों को तैयार करने के लिए मोल्ड पुन: उपयोग। नोट: एक ही ढालना स्टांप की गुणवत्ता की गिरावट के बिना कम से कम पांच बार इस्तेमाल किया जा सकता है।
  10. एक चाकू का उपयोग कर वांछित आकार के टुकड़े (हमारे सौर कोशिकाओं के लिए आम तौर पर 7 मिमी × 7 मिमी) में जिसके परिणामस्वरूप nanopillar स्टांप (डबल स्तरित कठिन / नरम PDMS समग्र) 27 काटें और उपयोग करें जब तक हवा के तहत उन्हें दुकान।

ब्लॉक Copolymer समाधान की 2. तैयारी

  1. (PS- ख -P2VP / ओ -xylene) एक कांच की बोतल में polystyrene- ब्लॉक -poly-2-vinylpyridine (PS- ख -P2VP) का पाउडर वजन और 3 मिलीग्राम / एमएल के अनुपात में ओ -xylene के साथ मिश्रण ।
  2. 1 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर एक PTFE लेपित चुंबकीय सरगर्मी पट्टी का उपयोग कर मिश्रण हिलाओ।
  3. हलचल के बिना आरटी पर अधिक से अधिक 24 घंटे के लिए जिसके परिणामस्वरूप समाधान रखेंरिंग आत्म इकट्ठे मिसेलस का गठन पूरा करने के लिए। कसकर समाधान सील करने और परिवेश की स्थिति के तहत यह दुकान। नोट: समाधान की गुणवत्ता भी एक साल की तैयारी के बाद अपरिवर्तित है।

Μ सी सी की 3. तैयारी: एच Substrates

  1. एफ (निरूपित गिलास / हिमपात: 2: एफ, इसके बाद) धो चश्मा हिमपात 2 के साथ कवर एक अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग आरटी पर एच 2 ओ (500 एमएल) के साथ, डिटर्जेंट (500 मिलीलीटर), और एच 2 ओ (500 मिलीलीटर) (15 प्रत्येक के लिए न्यूनतम)। एन 2 उड़ाने से उन्हें सूखी।
  2. साफ कांच लोड / हिमपात 2: एक सब्सट्रेट धारक और जमा जेडएनओ में एफ substrates: गा (20 एनएम) तालिका 2 में निर्दिष्ट शर्तों के साथ एक प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) sputtering प्रणाली का उपयोग कर।
  3. कांच लोड / हिमपात 2: एफ / जेडएनओ: एक प्लाज्मा बढ़ाया रासायनिक का उपयोग करते हुए एच पी (10 एनएम), मैं (500 एनएम), और एन (40 एनएम) परतों: एक और सब्सट्रेट धारक और जमा μ सी सी में गा substrates VAPOआर बयान तालिका 2 में निर्दिष्ट शर्तों के साथ (PECVD) प्रणाली।
  4. जिसके परिणामस्वरूप μ सी सी स्टोर एच (ग्लास / हिमपात 2: एफ / जेडएनओ: गा / μ सी सी: एच पी - मैं - एन) हस्तांतरण मुद्रण चरण तक वैक्यूम या एन 2 के तहत substrates।

PDMS टिकटों की 4. एजी-कोटिंग

  1. एन 2 उड़ाने से EtOH के साथ (चरण 1 में तैयार) PDMS टिकटों (30 एमएल) के 15 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक स्नान का उपयोग और सूखी धो लें।
  2. जमा दर = 5-10 / सेक, दबाव: एक इलेक्ट्रॉन बीम निम्न शर्तों के साथ (ईबी) वाष्पीकरण प्रणाली का उपयोग कर एक एजी फिल्म (10-80) एनएम डबल पक्षीय चिपकने वाला टेप का उपयोग कर एक नमूना धारक पर साफ PDMS टिकटों लोड और जमा = ~ 1.5 × 10 -4 फोनों के लिए।
  3. ईबी वाष्पीकरण प्रणाली से एजी-लेपित टिकटों बाहर ले जाओ और निम्नलिखित अंतरण मुद्रण कदम में उन्हें तुरंत का उपयोग करें।

पतली पर एजी Nanodisks 5. अंतरण मुद्रणफिल्म सी सतहों

  1. 5000 में (एक डिस्पोजेबल polypropylene के टिप के साथ एक डिजिटल माइक्रो पिपेट का उपयोग, 50 मिमी × 50 मिमी नमूना के लिए 0.3 एमएल) सी PS- ख -P2VP समाधान के साथ निर्वात या एन 2 और स्पिन कोट के तहत संग्रहीत substrates पतली फिल्म बाहर ले जाओ 40 सेकंड के लिए आरपीएम।
  2. EtOH के एक डिजिटल माइक्रो पिपेट (5 माइक्रोन / सेल क्षेत्र) का उपयोग कर के साथ PS- ख -P2VP लेपित सतह गीला और एजी-लेपित PDMS EtOH-गीला सतह के लिए धीरे स्टांप लागू होते हैं। स्टाम्प प्रेस नहीं है।
  3. एक निर्वात चैम्बर में टिकट के साथ पतली फिल्म सी सब्सट्रेट रखें और लागू निर्वात (~ 133 पा)।
  4. 5 मिनट के बाद, हवा के साथ निर्वात चैम्बर भरने और पतली फिल्म सी सब्सट्रेट बाहर ले।
  5. एजी nanodisks प्रिंट हस्तांतरण करने के लिए चिमटी के साथ टिकट के दोनों ओर धारण करके पतली फिल्म सी सब्सट्रेट से स्टांप निकालें। नोट: यदि सफल, मुद्रांकन का पता लगाने के एक हरे स्थल के रूप में दिख रहा है।
  6. एट के एक सतत प्रवाह के साथ स्थानांतरण-मुद्रित पतली फिल्म सी सब्सट्रेट कुल्लाओह एन 2 उड़ाने से 15 सेकंड (~ 30 एमएल) और सूखे के लिए।
  7. एक की गिरफ्तारी प्लाज्मा प्रणाली का उपयोग कर पी एस-B-P2VP कोटिंग निकालें।
    1. अर प्लाज्मा प्रणाली की प्रक्रिया कक्ष में हस्तांतरण मुद्रित पतली फिल्म सी सब्सट्रेट रखें।
    2. ~ 5 मिनट (दबाव ~ 20 PA) के लिए प्रक्रिया कक्ष में हवा बाहर पंप।
    3. एक की गिरफ्तारी गैस लाइन के वाल्व खोलने और मैन्युअल 4 SCCM के लिए प्रवाह दर को समायोजित। 40 पा के लिए दबाव स्थिर करने के लिए 5 ~ के लिए मिनट रुको।
    4. 108 सेकंड के लिए AR प्लाज्मा उत्पन्न करता है।
    5. प्लाज्मा-साफ, स्थानांतरण-मुद्रित पतली फिल्म सी substrates बाहर ले जाने की प्रक्रिया के चेंबर में हवा, अर गैस लाइन के वाल्व बंद पम्पिंग बंद करो, और भरने के लिए।

पतली फिल्म सी सौर सेल निर्माण के पूरा होने 6.

  1. सी Polyimide टेप का उपयोग कर अर प्लाज्मा उपचार के बाद substrates हस्तांतरण मुद्रित पतली फिल्म करने के लिए धातु मास्क संलग्न।
  2. एक डीसी sputtering प्रणाली और deposi का एक सब्सट्रेट धारक में नकाबपोश substrates लोडटी जेडएनओ: गा (100 एनएम), एजी (250 एनएम), और जेडएनओ: गा तालिका 2 में निर्दिष्ट शर्तों के साथ (40 एनएम) क्रमिक।
  3. Substrates से धातु मास्क को अलग करें और नकाबपोश पतली फिल्म सी परतों को हटाने (यानी, जेडएनओ जहां क्षेत्र गा और एजी जमा नहीं किए गए थे) एक प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (आर.आई.ई.) प्रणाली का उपयोग करते हुए।
    1. आर.आई.ई. प्रणाली की प्रक्रिया कक्ष में नमूने रखें।
    2. निर्माता के निर्देशों का पालन प्रक्रिया कक्ष में हवा बाहर पंप।
    3. एस एफ 6 / ओ 2 प्रवाह की दर = 100/20 SCCM, दबाव = 20 फोनों के लिए, बिजली के 100 डब्ल्यू, समय = 1 मिनट 20 सेकंड: निर्माता के निर्देश के बाद इस प्रक्रिया की स्थिति निर्धारित करें।
    4. एस एफ 6 और ओ 2 गैस लाइनों को खोलने का दबाव स्थिर है, और प्लाज्मा उत्पन्न करते हैं।
    5. नमूने लेने के लिए बाहर की प्रक्रिया के चेंबर में एन 2, एस एफ 6 और ओ 2 गैस लाइन के वाल्व बंद पम्पिंग बंद करो, और भरने के लिए।
  4. रखनाएक निर्वात annealing के चैम्बर में नमूने और निर्वात (~ 133 पा) के तहत 175 डिग्री सेल्सियस तक धीरे-धीरे गर्म करने लगते हैं। 2 घंटे के लिए इस तापमान रखें, और फिर आरटी के लिए शांत करने के लिए अनुमति देते हैं। चैम्बर में हवा भरने और अब कोशिकाओं कहा जा सकता है जो नमूने, बाहर ले।
  5. सामने पारदर्शी इलेक्ट्रोड पर मिलाप एस.एन.-Zn आधारित मिश्र धातु (ग्लास / हिमपात 2: एफ / जेडएनओ: गा, री उपचार द्वारा उजागर हिस्सा) एक अल्ट्रासोनिक टांका लगाने के उपकरण का उपयोग कर।

बाहरी क्वांटम दक्षता 7. मापन (EQE)

  1. Polyimide टेप का उपयोग कर एक गढ़े सेल के लिए एक प्रकाश-परिरक्षण मुखौटा देते हैं और एक सेल धारक में नकाबपोश सेल की स्थापना की। (-) गा इलेक्ट्रोड: वापस सामने soldered इलेक्ट्रोड (+) और एजी / जेडएनओ तक जांच करवाइये।
  2. एक तरंगदैर्ध्य रेंज और क्रमशः 300-1,100 एनएम और एनएम 5, के कदम के साथ निर्माता के निर्देशों का पालन एक EQE माप प्रणाली का उपयोग कर EQE स्पेक्ट्रा उपाय।

फोटोवोल्टिक वर्तमान वोल्टेज (जेवी) 8. मापन कैरेक्टरistics

  1. एक बेढब सी संदर्भ सेल का उपयोग कर एक संयुक्त उद्यम विशेषताओं माप प्रणाली के प्रकाश की तीव्रता जांचना।
    1. जेवी विशेषताओं माप प्रणाली के एक सेल धारक को अनाकार सी संदर्भ सेल सेट, और प्रकाश रोशन।
    2. जेवी विशेषताओं माप प्रणाली में सुसज्जित एक डिजिटल मल्टी मीटर का उपयोग photogenerated वर्तमान पढ़ें। Photogenerated वर्तमान संदर्भ सेल (8.34 मा / 2 सेमी) के लिए सही मूल्य से पता चलता है जब तक प्रकाश की तीव्रता को समायोजित करें।
  2. एक सेल के लिए एक प्रकाश-परिरक्षण मुखौटा देते हैं और एक सेल धारक में नकाबपोश सेल की स्थापना की। (-) गा इलेक्ट्रोड: वापस सामने soldered इलेक्ट्रोड (+) और एजी / जेडएनओ तक जांच करवाइये।
  3. सेल पर calibrated प्रकाश (100 मेगावाट / 2 सेमी, 1 सूर्य) रोशन और 0.02 वी के एक वोल्टेज कदम के साथ निर्माता के निर्देशों का पालन जेवी विशेषताओं माप प्रणाली का उपयोग कर photogenerated धाराओं उपाय

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Representative Results

एच (एन परत): चित्रा 2 μc-सी की सतह पर एजी nanodisks के हस्तांतरण के मुद्रण के लिए सामान्य प्रक्रिया की रूपरेखा। संक्षेप में, एक एजी फिल्म (मोटाई: 10-80 एनएम) पहले इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण द्वारा एक nanopillar PDMS स्टाम्प की सतह पर जमा किया जाता है। एच एन परत: समानांतर में, एक PS- ख -P2VP समाधान के लिए एक नया तैयार μc-सी की सतह पर लेपित स्पिन है। बाद में, EtOH की एक छोटी बूंद PS- ख -P2VP लेपित सतह पर रखा गया है, और एजी- जमा PDMS स्टाम्प EtOH-गीला PS- ख -P2VP सतह पर रखा गया है। स्टाम्प और सब्सट्रेट के बीच एक घनिष्ठ संपर्क अनायास EtOH के वाष्पीकरण से निकाली गई सतह तनाव के कारण रूपों क्योंकि दबाने नहीं, टिकट के लिए आवश्यक है। EtOH (एक कम दबाव का उपयोग) दूर सुखाया जाता है के बाद, स्टांप nanopillar PDMS स्टाम्प का उठाया क्षेत्र पर जमा एजी के हस्तांतरण को पूरा करने के लिए सब्सट्रेट से जारी है। अंत में, एकअर प्लाज्मा उपचार PS- ख -P2VP कोटिंग दूर करने के लिए किया जाता है।

शीर्ष एच सतहों (सेल) 26 चित्रा 3 ए और 3 बी कर रहे हैं और एक ही नमूने के विचारों झुका:। Μc सी (में) पर जिसके परिणामस्वरूप एजी nanodisk सरणी के इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवियों स्कैनिंग कर रहे हैं 3 चित्र में दिखाया गया है। जड़ वर्ग खुरदरापन अंतर्निहित μc-सी (आर आरएमएस) मतलब: एच सतह 6.6 एनएम था; फिर भी, जिसका व्यास एजी nanodisks, केंद्र के लिए केंद्र की दूरी, और एजी nanodisks की मोटाई का लगभग पूरा हस्तांतरण 200, 460, और 40 एनएम थे, क्रमश: हासिल की थी। चित्रा -3 सी के पार के अनुभागीय दृश्य है एक पूरा μc-सी: एच सेल संरचना, यानी, जेडएनओ के बयान (sputtering) के बाद: गा / एजी / जेडएनओ: चित्रा 3 ए और 3 बी में दिखाया गया एजी nanodisk सरणी के शीर्ष पर गा परतें। फोटोवोल्टिक μc-सी पर एम्बेडेड एजी nanodisks सही: एच मीटर> पी - मैं - एन परतों स्पष्ट रूप से मनाया गया।

गढ़े कोशिकाओं की EQE स्पेक्ट्रा चित्रा 4 में दिखाया जाता है 26 एक संदर्भ सेल की तुलना में (एक μc-सी: हस्तांतरण मुद्रण प्रक्रिया लंघन के साथ एक साथ गढ़े एच सेल)।, एजी nanodisk की EQE स्पेक्ट्रम (मोटाई: 40 एनएम) निगमित सेल लंबे तरंगदैर्ध्य रेंज (650-1,100 एनएम) में उच्च संकेतों से पता चला है। इस तरह की तरंग दैर्ध्य चयनात्मक वृद्धि स्पष्ट रूप से सौर सेल के लिए plasmonically सक्रिय एजी nanodisks के तरजीही प्रभाव संकेत; अर्थात्, plasmonic प्रकाश को फँसाने। चित्रा 3 में मनाया 650-1,100 एनएम रेंज में प्रकाश को फँसाने की डिग्री की मात्रा प्रत्येक कोशिका के EQE मूल्यों संक्षेप है और उनमें से अनुपात (एजी nanodisk-निगमित सेल / संदर्भ सेल) लेने से बाहर किया गया था। मूल्य 1.60 था; इसलिए, 60% EQE वृद्धि एजी nanodisk की मध्यस्थता plasmonic प्रकाश को फँसाने के द्वारा प्राप्त किया गया था।

ईएनटी "> 1 टेबल एजी nanodisk-शामिल किया और संदर्भ कोशिकाओं के फोटोवोल्टिक विशेषताओं का सार। 26 के रूप में उम्मीद आईटी एजी nanodisk-निगमित सेल के शॉर्ट सर्किट वर्तमान घनत्व (जे सुप्रीम कोर्ट) की तुलना में वृद्धि हुई है, इस बात की पुष्टि की गई थी संदर्भ सेल क्योंकि खुले सर्किट वोल्टेज (वी ओसी) के रूप में। उपरोक्त वर्णित EQE वृद्धि की (11.4-12.4 मा / 2 सेमी) और कारक (एफएफ) को भरने, दो कोशिकाओं के उन लगभग एक ही (वी OC थे : ~ 0.52 वी, एफएफ:। ~ 0.76) एक परिणाम के रूप में, सुधार एजी nanodisk-निगमित सेल की photoconversion दक्षता (η) (5.0% से 4.5%)।

चित्र 1
चित्रा 1. एक एजी nanodisk-निगमित μc-सी के योजनाबद्ध पार अनुभाग:। एच सौर सेल: एच सौर सेल एजी nanodisks μc-सी के पीछे की तरफ रेखांकित किया गया।: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2। एजी Nanodisks। एजी-लेपित nanopillar PDMS स्टाम्प का अंतरण मुद्रण के लिए सामान्य प्रक्रिया है जिसका सतह EtOH के साथ गीला है PS- ख -P2VP लेपित पतली फिल्म सी सब्सट्रेट पर लागू किया जाता है। अर प्लाज्मा उपचार पी एस-B-P2VP कोटिंग को दूर करने और पतली फिल्म सी परत बेनकाब करने के लिए लागू किया जाता है। इस प्रक्रिया के बाद, जेडएनओ: गा / एजी / जेडएनओ: गा परतों चित्र 1 में दिखाया पूरे सौर सेल संरचना को पूरा करने के लिए स्थानांतरण-मुद्रित एजी nanodisks के शीर्ष पर जमा किए जाने की जरूरत है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।


। एच सतह: स्थानांतरण मुद्रित एजी Nanodisks (व्यास = 200 एनएम, 40 = मोटाई एनएम) (ए) एक μc सी हस्तांतरण पर मुद्रित एजी nanodisks के शीर्ष दृश्य के चित्रा 3. SEM छवियों। (बी) के एक μc सी हस्तांतरण पर मुद्रित एजी nanodisks का झुका हुआ दृश्य: एच सतह। (सी) क्रॉस अनुभागीय हस्तांतरण मुद्रित एजी nanodisks के दृश्य (आकार: 200 एनएम) एक μc-सी में एम्बेडेड:। एच सेल 26 कॉपीराइट 2014 एप्लाइड फिजिक्स की जापान सोसाइटी। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 4
Μc सी चित्रा 4 EQE स्पेक्ट्रा। एच कोशिकाओं (ब्लू लाइन) एजी nanodisk (एनडी) सेल -incorporated। (रेड लाइन धराशायी)संदर्भ सेल। 26 बेहतर प्रतिक्रियाएं ब्लू लाइन एजी एनडी की मध्यस्थता प्रकाश को फँसाने के कारण के साथ मनाया गया। यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 26. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


एच कोशिकाओं: μc-सी के फोटोवोल्टिक जेवी लक्षण की तालिका 1. सारांश।

सेल प्रकार जम्मू अनुसूचित जाति (मा / 2 सेमी) वी ओसी (वी) एफएफ Η (%)
एजी nanodisk-निगमित 12.4 0.526 0.764 5
संदर्भ 11.4 0.521 0.763 4.5


तालिका 2 जमाव की स्थिति।

; "> अर प्रवाह = 200 SCCM, दबाव = 0.133 फोनों के लिए, डीसी बिजली = 100 डब्ल्यू, नमूना रोटेशन = 10 आरपीएम, जमा दर = ~ 6 ए / सेकंड।
कदम बयान प्रणाली सामग्री शर्तेँ
3.2 Sputtering जेडएनओ: गा अर दर = 200 SCCM, दबाव = 0.133 प्रवाह फोनों के लिए, डीसी बिजली = 200 डब्ल्यू, नमूना रोटेशन = 10 आरपीएम, जमा दर = ~ 3.3 / सेक।
3.3 सीवीडी μc-सी: एच पी SiH 4 / एच 2 / बी 2 एच 6 = 3.5 / 450/2 SCCM, सब्सट्रेट तापमान = के प्रवाह की दर 140 डिग्री सेल्सियस, दबाव = 1.5 Torr, रेडियो फ्रीक्वेंसी (आरएफ) ऊर्जा घनत्व = 80 मेगावाट / 2 सेमी, बयान समय = 5 मिनट 45 सेकंड (दर = ~ 0.3 ए / सेक)।
μc-सी: एच मैं SiH 4 / एच 2 = 10.5 / 380 SCCM, सब्सट्रेट तापमान = 180 डिग्री सेल्सियस, दबाव = 200 फोनों के लिए, आरएफ शक्ति घनत्व = 40 मेगावाट / 2 सेमी, बयान समय = 1 घंटा 2 मिनट (दर की दर प्रवाह = ~ 1.3 ए / सेकंड)।
μc-सी: एच एन SiH 4 / एच 2 / पीएच 3 = 3/148/12 SCCM, सब्सट्रेट तापमान = 195 डिग्री सेल्सियस, दबाव = 40 फोनों के लिए, आरएफ शक्ति घनत्व = 80 मेगावाट / 2 सेमी, बयान समय = 23 मिनट (दर की दर प्रवाह = ~ 0.3 ए / सेक)।
6.2 Sputtering जेडएनओ: गा अर प्रवाह = 200 SCCM, दबाव = 0.133 फोनों के लिए, डीसी बिजली = 200 डब्ल्यू, नमूना रोटेशन = 10 आरपीएम, जमा दर = ~ 3.3 / सेक।
एजी

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Discussion

इस अनुच्छेद में, एक डबल स्तरित कठिन / नरम PDMS समग्र स्टाम्प माल के रूप में नियुक्त किया गया था। 27 इस संयोजन ठीक जिसका व्यास एक hexagonally करीब पैक दौर छेद सरणी था जो मिट्टी, में माता-पिता nanostructure को दोहराने के लिए आवश्यक हो पाया था 230 एनएम, 500 एनएम की गहराई, और 460 एनएम का छेद केंद्र के लिए केंद्र रिक्ति की। केवल नरम PDMS इस्तेमाल किया गया था, स्टांप हमेशा एक खराब nanostructured सतह के परिणामस्वरूप (उदाहरण के लिए, उल्टे स्तंभ संरचना में कोई तेज धार) कम होने के कारण यंग मापांक के लिए; 28 इसलिए, एजी nanodisks के हस्तांतरण मुद्रण कभी नहीं प्राप्त किया गया था।

स्पिन में लिपटे ब्लॉक copolymer (PS- ख -P2VP) बाध्यकारी परतों के रूप में पतली फिल्मों के उपयोग μc-सी पर सफल हस्तांतरण मुद्रण के लिए एक और महत्वपूर्ण है: (आर आरएमएस = ~ 6.6 एनएम) चिकनी नहीं कर रहे हैं, जो एच सतहों। धातु संरचनाओं के हस्तांतरण मुद्रण मूल रूप से छोटे कार्बनिक अणुओं whi का उपयोग कर विकसित किया गया था हालांकिएच सतहों: CH हम SAMs (3-mercaptopropyltrimethoxysilane) के उपयोग (थोड़ा) से बनावट μc-सी के लिए काम नहीं करता पाया गया कि 29, सतहों पर आत्म इकट्ठे monolayers (SAMs) रूपों। इसके अलावा, अच्छी गुणवत्ता के साथ SAMs के गठन के समय (~ घंटे के एक जोड़े), हमारी प्रक्रिया 1 मिनट (स्पिन कोटिंग से 40 सेकंड) से भी कम समय की आवश्यकता है, जबकि लेता है। इस बिंदु इस तरह के अतिरिक्त आक्साइड या संदूषण के गठन के रूप में प्रतिकूल सतह की घटनाओं से बचने के लिए त्वरित संचालन की जरूरत है जो सामग्री के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है।

अंतरण मुद्रण में EtOH की भूमिका भी जोर दिया जाना चाहिए। पहली भूमिका पहले से वाष्पीकरण पर सतह तनाव का उपयोग कर टिकट और लक्ष्य की सतह के बीच घनिष्ठ संपर्क के गठन की सहायता करने के लिए, के रूप में वर्णित है। दूसरी भूमिका धातु-पिरिडीन समन्वय बांड के गठन के माध्यम से PDMS टिकटों पर धातुओं (एजी) का कब्जा है जो सुनिश्चित करता PS- ख -P2VP पतली फिल्म, फिर से संगठित करने के लिए है। 25 हम जानते हैं कि एस का मानना ​​हैस्टाम्प / सब्सट्रेट इंटरफेस में uch गतिशील घटना विशेष रूप से बनावट सतहों पर अंतरण मुद्रण के लिए आवश्यक है।

उपरोक्त प्रक्रिया से स्थानान्तरण मुद्रण असफल हो गया था, कारण कार्यरत टिकटों में ज्यादातर था। एक डाक टिकट और एक सब्सट्रेट के बीच conformal संपर्क महत्वपूर्ण है के बाद से, स्टांप की सतह की उदासी बहुत महत्वपूर्ण है। उदासी एक मूल ढालना की स्थिति के आधार पर निर्धारित किया जाता है; अंतरण मुद्रण में विफल रहता है इसलिए, एक बार, यह मोल्ड को बदलने के लिए समय होगा। हमारे अनुभव के अनुसार, एक ढालना पुन: उपयोग किया जा सकता है समय की संख्या पांच है, लेकिन यह उचित सफाई और मोल्ड के भंडारण के द्वारा बढ़ाया जा सकता है। एक डाक टिकट की उदासी भी समान रूप से हस्तांतरण मुद्रित किया जा सकता है कि उस क्षेत्र पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ेगा। इस संबंध में, हम एक ताजा मोल्ड से तैयार एक डाक टिकट के साथ एक 20 मिमी 20 × मिमी पैमाने patterning प्रदर्शन किया है। 25

मोल्ड / टिकट के पैटर्न डिजाइन के रूप में,कार्यरत थे एनएम 230/200 के व्यास के साथ गोल छेद / स्तंभ संरचनाओं (स्तंभ के छोटे व्यास के कारण मूल छेद का पतला आकार के लिए है)। इस तरह के एक मोल्ड (nanoimprinted प्लास्टिक की फिल्म) व्यावसायिक रूप से उपलब्ध था, क्योंकि इस चुनाव बस गया था, और यह हमारे सौर सेल आवेदन करने के लिए विशेष रूप से गढ़े एक नहीं था। यह बदले में यहाँ दिखाया परिणाम की तुलना में ज्यादा बेहतर प्रकाश को फँसाने की क्षमता के लिए नेतृत्व करेंगे जो पैटर्न डिजाइन, के लिए कमरे के बहुत सारे है कि इसका मतलब है। इस संबंध में, ऑप्टिकल अनुकरण का उपयोग बेहतर पैटर्न खोज करने के लिए मददगार होगा। (शायद इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी द्वारा) वास्तविक molds के निर्माण के लिए एक बार गढ़े, महंगा हो सकता है हालांकि जरूरत के रूप में, इसी टिकटों कई बार के रूप में दोहराया जा सकता है। इस प्रकार, कुल प्रक्रिया लागत काफी अंतरण मुद्रण दृष्टिकोण के महान लाभ है, जो दबा दिया जा सकता है।

प्रक्रिया द्वारा धातुओं हस्तांतरण-मुद्रण के मामले में उसके वर्णितई, Au, घन, और नी लागू होने की पुष्टि की गई। यह इन धातुओं में से कोई भी एजी के मामले की तुलना में बेहतर प्रकाश को फँसाने प्रभाव प्रदान की है कि उल्लेख किया जाना चाहिए। परीक्षण किया एक और धातु plasmonic प्रकाश को फँसाने अनुप्रयोगों के लिए एक अच्छे उम्मीदवार। यह पाया गया 30 के रूप में माना जाता है, जो अल था, हालांकि, अल कि स्थानान्तरण मुद्रण के कारण संभवतः PDMS के साथ मजबूत संबंध के लिए, असफल है। इसलिए, PDMS के संशोधनों 31 PDMS के बीच बातचीत को कम करने से स्थानान्तरण मुद्रण की सुविधा के लिए आवश्यक और अल जमा किया जा सकता है सतहों।

अन्य μc-सी से:। एच, विधि अत्यधिक किसी न किसी (बनावट) सतहों सहित सामग्री की एक किस्म है, (आर आरएमएस ≥ 20 एनएम) 25 वास्तव में, हम पहले से सहक्रियाशील बनावट की संभावना को संबोधित किया है / plasmon- के साथ इस्तेमाल किया जा सकता / हिमपात 2 textured गिलास के साथ कोशिकाओं fabricating द्वारा प्रकाश को फँसाने की मध्यस्थता:। एफ substrates के अलावा 17, एक समान प्रकाश को फँसाने प्रभावी तरीकेसीटी हाइड्रोजनीकृत अनाकार सी कोशिकाओं का उपयोग कर दर्ज किया गया है। इस तरह की क्रिस्टलीय सी, GaAs, InP, और धातु आक्साइड के रूप में 32 अन्य तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण सामग्री है, यह भी हो सकता है (न केवल सौर कोशिकाओं के लिए) विधि के साथ संगत है, और इस प्रकार आगे डिवाइस आवेदन कर रहे हैं उम्मीद।

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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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 105 स्थानांतरण प्रिंट Nanofabrication स्टाम्प पाली (dimethylsiloxane) सिल्वर Plasmon प्रकाश को फँसाने सौर सेल सिलिकॉन
अंतरण मुद्रण द्वारा हाइड्रोजनीकृत माइक्रोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में प्रकाश को फँसाने रजत Nanostructures की एकता
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Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing. J. Vis. Exp. (105), e53276, doi:10.3791/53276 (2015).

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