Интеграция легкими прилипания Серебряные наноструктур в гидрогенизированное микрокристаллическая кремниевых солнечных элементов по трансферная печать

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
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Там была давняя потребность в применении функциональных наноструктур в широком диапазоне технологического области. Одним из ожиданий этой тенденции, чтобы открыть новый дизайн архитектуры устройств, ведущих к улучшению или инновационных спектаклей. В области солнечных батарей, например, использование металлических наноструктур активно исследовали из-за их интригующих оптических (т.е., плазмонных) свойств, 1 потенциально полезным построить эффективные системы отлова свет. 2,3 Действительно, некоторые теоретические исследования 4 -6 предположили, что такие захвата плазмонное свет может достичь эффектов, превышающие обычные оптике (текстурирования) основе света предел прилипания. 7 В результате разработки стратегии по интеграции желаемых металлов наноструктур солнечных элементов становится все более важным для того, чтобы реализовать эти теоретические предсказания.

Ряд стратегий естьбыло предложено ответить на этот вызов. 8-24 Они включают в себя, например, простой (недорогим) термического отжига металлических пленок 8,9 или дисперсии предварительно синтезированных наночастиц металлов, 10,11 оба из которых привели к успешных демонстраций плазмонное свет захват. Тем не менее, следует отметить, что металлические наноструктуры, полученные путем таких подходов, как правило, сложные, чтобы соответствовать с теоретическими моделями. В отличие от этого, традиционные методы Nanofabrication в полупроводниковой промышленности, такие как фотолитографии и электронно-лучевой литографии, 12,13 может контролировать структуры значительно ниже уровня суб-100 нм, но они зачастую слишком дорого и отнимает много времени, чтобы применить к солнечным клеток, где возможность большой площади с низкой стоимостью является существенным. Для того, чтобы выполнить низкую стоимость, высокую пропускную способность и требования большой площади с наноразмерной управляемости, методы, такие как наноимпринтинга литографии, 14-16 мягкой литографии, 17,18 19-21 и отверстие маска коллоидный литографии 22-24 будет перспективным. Среди этих вариантов, мы разработали мягкую литографии, передовые технологии передачи печати. ​​25 Использование наноструктурного поли (диметилсилоксан) (PDMS) марок и клейкие слои блок-сополимер на основе, рисунка упорядоченных металлических наноструктур может быть легко достигнуто по ряду технологически соответствующие материалы, в том числе тех, для солнечных батарей.

В центре внимания этой статьи заключается в описании подробную процедуру передачи нашего печатного подхода включать эффективные свет отлова плазмонных наноструктур в существующих солнечных клеточные структуры. В демонстративной случае, Ag nanodisks и тонкопленочных гидрогенизированные микрокристаллическую Si (Мс-Si: H) солнечные элементы были выбраны в этом исследовании (рисунок 1), 26, хотя другие виды металлов и солнечных батарей совместимы с этим подходом. Вместе со своим процессапростота, подход будет представлять интерес для различных исследователей, как удобный инструмент для интеграции функциональных металлических наноструктур с устройствами.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка PDMS Марки

  1. Установите наноотверстия формы (nanoimprinted цикло олефинов полимерной пластиковую пленку, размер: 50 мм × 50 мм) в политетрафторэтилена (ПТФЭ) контейнер.
  2. Взвесьте vinylmethylsiloxane-диметилсилоксан сополимер (0,76 г для мм плесени 50 мм × 50) в одноразовом стеклянной бутылке и смешать его с Pt-дивинилтетраметилдисилоксаном комплекса (6 мкл, используя цифровую микро пипетки с наконечником из полипропилена одноразовой) и 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 мкл, используя цифровую микро пипетки с наконечником из полипропилена одноразового).
  3. Добавить methylhydrosiloxane-диметилсилоксан сополимер (0,24 мл, используя цифровую микро пипетки с наконечником из полипропилена одноразовой) в стеклянной бутылке и смешать его быстро, используя одноразовый стеклянную пипетку. После того как поверхность пресс-формы, установленной в контейнере PTFE обдувается N 2, залить полученную смесь ("жесткий" PDMS форполимера) на форму и начать спин-пальтоING в 1000 оборотов в минуту в течение 40 сек, чтобы достичь толщины слоя ~ 40 мкм.
  4. Поместите образец спин-покрытием в горячей камере, предварительно нагретую при температуре 65 ° С в течение 30 мин кратко сшивки жесткие PDMS.
  5. Во время нагревания, вес силикона (6 г) и смешать его с катализатором (0,6 г) в одноразовом стеклянный флакон. Поместите стеклянную бутылку в эксикаторе и применять вакуум (~ 133 Па) в течение 15 мин, чтобы удалить воздух, находящийся в силиконовой смеси ("мягкий" PDMS форполимера).
  6. Выньте форму и мягкую PDMS форполимера из нагревательной камеры и вакуум-эксикаторе, соответственно, и быстро залить мягкие PDMS форполимера на нагретую форму. Толщина мягкой PDMS слоя ~ 3 мм.
  7. Поместите полученный образец в вакуум-эксикаторе вновь для последующего дегазации при ~ 133 Па, по крайней мере в течение 1 часа.
  8. Передача дегазированной образца в камеру для нагрева и начать нагревание постепенно до 80 ° С (скорость нагрева ~ 3 ° С / мин). Держите эту температуру в течение 5 часовдля сшивания твердых и мягких PDMS полностью.
  9. После охлаждения образец до комнатной температуры, снимите с PDMS штамп тщательно из формы. Повторное форму, чтобы подготовить второй (или более) марки, если это необходимо. Примечание: В том же пресс-формы может быть использован по меньшей мере пять раз без ухудшения качества штампа.
  10. Разрежьте полученный nanopillar печать (двухслойная жесткий / мягкий PDMS композитный) 27 на куски требуемых размеров (обычно 7 мм × 7 мм для наших солнечных батарей), используя нож и не хранить их на воздухе до использования.

2. Подготовка блок-сополимер Solutions

  1. Взвесить порошок polystyrene- блока поли-2-винилпиридина (PS-B -P2VP) в стеклянной бутылке и смешать его с о-ксилола в соотношении 3 мг / мл (PS-B -P2VP / о-ксилола) ,
  2. Смесь перемешивают с помощью тефлоновым покрытием магнитной мешалки при 70 ° С в течение 1 часа.
  3. Держите полученного раствора в течение более чем 24 ч при комнатной температуре без ажиотажакольцо, чтобы завершить формирование самоорганизующихся мицеллы. Плотно запечатать раствор и хранить его при температуре окружающей среды. Примечание: качество решения без изменений, даже через один год после получения.

3. Подготовка М С-Si: H подложках

  1. Промыть стекла покрыты SnO 2: F (обозначим стекло / SnO 2: F, далее) Н 2 О (500 мл), моющее средство (500 мл) и Н 2 O (500 мл) при комнатной температуре с использованием ультразвуковой ванны (15 мин для каждого). Высушите их путем продувки N 2.
  2. Загрузите очищенный стекло / SnO 2: F подложек в держатель подложки и депозитов ZnO: Ga (20 нм) с использованием постоянного тока (DC) распыления системы с условиями, указанными в таблице 2.
  3. Загрузите стекло / SnO 2: F / ZnO: Ga подложки в другом держателя подложки и депозит М С-Si: H р (10 нм), я (500 нм), и N (40 нм) слоев с использованием плазмы повышенной химического Vapoг осаждения (ПХО) система с условиями, указанными в таблице 2.
  4. Храните полученную М С-Si: H (стекло / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ C-Si: H р - я - п) субстраты в вакууме или N 2 до стадии переноса-печати.

4. Ag-покрытие PDMS Марки

  1. Промыть PDMS штампы (полученного на стадии 1), с EtOH (30 мл) с использованием ультразвуковой ванны в течение 15 мин и сухой продувкой N 2.
  2. Загрузите очищенные PDMS марки на держателе образца, используя двусторонней клейкой ленты и сдать на хранение фильм AG (10-80 нм), используя электронный луч (EB) испарение системы со следующими условиями: осаждение ставки = 5-10 Å / сек, давление = ~ 1,5 × 10 -4 Па.
  3. Выньте марки АГ-покрытием из системы испарения EB и использовать их непосредственно в следующей стадии передачи печати.

5. Передача Печать Ag Nanodisks на разбавителиФильм Si Поверхности

  1. Вынуть тонкопленочного кремниевых подложках, хранящейся в вакууме или N 2 и спин-пальто с PS-B -P2VP раствора (0,3 мл для 50 мм × 50 мм образца, с использованием цифрового микропипетки с одноразовый наконечник полипропилен) в 5000 мин в течение 40 сек.
  2. Намочите PS-б -P2VP поверхности, покрытой с использованием этанола цифровой микро пипетки (/ площадь клеток 5 мкм) и применяются PDMS AG-покрытием печать тихо в этанол-влажной поверхности. Не нажимайте печать.
  3. Поместите тонкопленочной кремниевой подложки с печатью в вакуумной камере и применять вакуум (~ 133 Па).
  4. Через 5 мин, заполните вакуумную камеру с воздухом и вынуть тонкопленочной кремниевой подложки.
  5. Удалить марку от тонкопленочной кремниевой подложке путем проведения как сторона штампа с помощью пинцета, чтобы трансфер-печати Ag nanodisks. Примечание: В случае успеха, след штамповки видна в виде зеленовато месте.
  6. Промыть передачи печатных тонкопленочной кремниевой подложки с непрерывным потоком EtОН в течение 15 сек (~ 30 мл) и сушат на дуть N 2.
  7. Снимите ПС-б-П2ВП покрытие, используя систему Ar плазмы.
    1. Поместите передачи печатных тонкопленочной кремниевой подложки в рабочей камере системы Ar плазмы.
    2. Откачать воздух в рабочую камеру для ~ 5 мин (давление ~ 20 Па).
    3. Откройте клапан в газовой линии Ar и вручную регулировать расход до 4 SCCM. Подождите, ~ 5 мин, чтобы стабилизировать давление до 40 Па.
    4. Создание Ar плазмы для 108 сек.
    5. Закройте клапан газовой линии Ar, остановить накачки, и заполнить воздуха в рабочей камере, чтобы вывезти в плазме очищены, передача печатных тонкопленочных кремниевых подложках.

6. Завершение тонкопленочных кремниевых солнечных клеточной Изготовление

  1. Прикрепите металлические маски передачи печатных тонкой пленки кремниевых подложках после плазменной обработки с использованием Ar полиимидных лент.
  2. Загрузите масках субстратов в держателе подложки распыления системы и deposi DCт ZnO: Ga (100 нм), Ag (250 нм), и ZnO: Ga (40 нм), последовательно с условиями, указанными в таблице 2.
  3. Снять металлические маски из субстратов и удалить масках тонкопленочных слоев кремния (т.е. область, где ZnO: Ga и Ag не были сданы на хранение) с помощью реактивное ионное травление (РИТ) системы.
    1. Поместите образцы в технологическую камеру системы RIE.
    2. Откачать воздух в рабочей камере в соответствии с инструкциями изготовителя.
    3. Установите условия процесса следующим образом следующей инструкцией завода-изготовителя: SF 6 / O 2 Расход = 100/20 SCCM, давление = 20 Па, мощность 100 Вт, время = 1 мин 20 сек.
    4. Откройте SF 6 и O 2 газовые линии, стабилизировать давление, и генерировать плазму.
    5. Закройте клапан SF 6 и O 2 газовой линии, остановить накачки, и заполнить N 2 в рабочую камеру, чтобы вынуть образцы.
  4. ПоложитеОбразцы в вакуумной камере отжига и начать постепенно нагрева до 175 ° С под вакуумом (~ 133 Па). Держите эту температуру в течение 2 часов, а затем дать остыть до комнатной температуры. Заполните воздуха в камере и вывезти образцы, которые в настоящее время можно назвать клетки.
  5. Припой Sn-Zn-сплава на основе на передней прозрачного электрода (стекло / SnO 2: F / ZnO: Ga, открытая часть обработкой RIE) с использованием ультразвукового устройства для пайки.

7. Измерение внешний квантовый выход (EQE)

  1. Приложите светоэкранирующего маску сфабрикованному ячейки с использованием полиимидной лентой и установите в маске ячейку в держателе клетки. Подключение зондов к передней припаян электрода (+) и обратно Ag / ZnO: Ga электрода (-).
  2. Измерьте спектры EQE с использованием системы измерения EQE следуя инструкциям производителя с длиной волны и диапазон шага 300-1,100 нм и 5 нм, соответственно.

8. Измерение фотоэлектрической ток-напряжение (СП) Характерстики

  1. Калибровка интенсивности света измерительной системы характеристики СП, используя аморфный Si ссылки на ячейку.
    1. Установите аморфного Si эталонную камеру к держателю клеток измерительной системы характеристики СП, и освещают светом.
    2. Читайте фотогенерированного тока с помощью цифрового мультиметра оборудованная в системе измерения характеристики СП. Регулировка интенсивности света, пока ток не фотогенерированных показывает правильное значение опорной ячейки (8,34 мА / см 2).
  2. Приложите светоэкранирующего маску к клетке и установить в маске ячейку в держателе клетки. Подключение зондов к передней припаян электрода (+) и обратно Ag / ZnO: Ga электрода (-).
  3. Осветить калиброванный свет (100 мВт / см 2, 1 солнца) на клетки и измерять токи фотогенерированного, используя систему измерения характеристик СП, следуя инструкциям изготовителя с шагом напряжения 0,02 В.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Рисунок 2 описывает общий процесс для передачи печати Ag nanodisks на поверхности Мс-Si: H (п слой). Вкратце, пленка Ag (толщина: 10-80 нм) сначала наносят на поверхность штампа PDMS nanopillar по электронно-лучевым испарением. Параллельно б решение -P2VP PS-вращением, с покрытием на поверхности свежеприготовленного Мс-Si: H N слоя. Впоследствии капель этанола помещают на PS-б -P2VP покрытием поверхности, и Ag-хранение ПДМС штамп помещают на EtOH мокрому PS-б -P2VP поверхности. Нет нажатием необходимо штампа, потому что тесный контакт между штампом и подложкой спонтанно образует за счет поверхностного натяжения, полученного из выпариванием этанола. После того, как этанол упаривают в сторону (с использованием пониженного давления), печать высвобождается из субстрата, чтобы завершить передачу Ag, осажденный на повышенной области nanopillar PDMS штампа. Наконец,Ар плазменная обработка проводится с целью удаления PS-б -P2VP покрытие.

Показанный на рисунке 3, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображения получаемого Ag nanodisk массива на (в) мкКл-Si: H. Поверхностей (ячеек) 26 Рис 3A и 3B верхний и наклонена вид в том же образце. Среднеквадратичное шероховатость (RMS R) подстилающей Мс-Si: H поверхность 6.6 нм; Тем не менее, почти полное передача nanodisks Ag, диаметр которого, расстояние от центра до центра, и толщины nanodisks Ag были 200, 460 и 40 нм соответственно, была достигнута. показано поперечное сечение заполненную мкКл-Si: H клеточная структура, то есть после осаждения (напыления) на ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga слои в верхней части массива nanodisk Ag показано на рисунке 3A и 3B. Встроенный прямо Ag nanodisks на фотоэлектрических Мс-Si: H м> р - я - п слои четко прослеживается.

EQE спектры изготовленных клеток показаны на рисунке 4 По сравнению с эталонной ячейке 26 (а мкКл-Si: H клеток изготовлены одновременно с пропуская процесс печати передачи)., То EQE спектр nanodisk Ag (толщина: 40 нм) включены клетки показали более высокие сигналы в долгосрочной диапазоне длин волн (650-1,100 нм). Такой селективный к длине волны повышения четко указано преимущественное эффект plasmonically активных nanodisks Ag для солнечных батарей; а именно, плазмонное свет захват. Количественное определение степени светового захвата в диапазоне 650-1,100 нм наблюдается на рисунке 3 было проведено путем суммирования значения EQE каждой ячейки и как отношение их (Ag-nanodisk включены клеток / клеток ссылкой). Значение было 1,60; Поэтому, увеличение на 60% EQE было достигнуто за счет Ag nanodisk-опосредованной плазмонного света захвата.

ЛОР "> В таблице 1 приведены фотоэлектрических характеристик nanodisk-включены и опорных ячеек Ag. 26 Это было подтверждено, как и ожидалось, что плотность тока короткого замыкания (J SC) в Ag nanodisk-включен клетки увеличилась по сравнению с ссылка на ячейку (11.4 12,4 мА / см 2) из-за повышения EQE, описанной выше. Что касается напряжения холостого хода (V ос) и коэффициент заполнения (FF), те, из двух клеток были почти такими же (V OC : ~ 0,52 В, FF:. ~ 0,76) Как следствие, эффективность фотопреобразования (η) от nanodisk-клетки включены Ag улучшена (4,5% до 5,0%).

фигура 1
Рисунок 1. Схема кросс-секции Ag-nanodisk включены мкКл-Si:. Н фотоэлемент АГ nanodisks размещает на задней стороне Мс-Si: H солнечных элементов.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2. Общая процедура для передачи печати Ag Nanodisks. AG-покрытием PDMS штамп nanopillar наносится на PS-б -P2VP покрытием тонкопленочной кремниевой подложке, поверхность влажная этанолом. Лечение Ar плазма применяется для удаления PS-B-П2ВП покрытие и подвергать тонкопленочного слоя Si. После этого процесса, ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga слои должны быть нанесены на верхней части передачи печатных Ag nanodisks, чтобы закончить всю структуру клеток солнечной показано на рисунке 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,


Рисунок 3. СЭМ Изображения Трансфер-печатных Ag Nanodisks (диаметр = 200 нм, толщина = 40 нм) (а) Вид сверху передачи печатных Ag nanodisks на Мс-Si: H. Поверхность. (B), наклоном вид передачи печатных Ag nanodisks на Мс-Si: H поверхности. (С) Кросс-разрез передачи печатных Ag nanodisks (размер: 200 нм), внедренных в Мс-Si:. Н клеток 26 Copyright 2014 Японское общество прикладной физики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры ,

Рисунок 4
Рисунок 4. Спектры EQE Мс-Si:. H клетки (синяя линия) Ag nanodisk (НД) -incorporated ячейку. (Красный пунктир)Ссылка клеток. 26 Улучшенные ответы наблюдались синяя линия в связи с Ag ND-опосредованной света захвата. Эта цифра была изменена с Ref. 26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.


Таблица 1. Резюме Фотоэлектрические СП характеристик микроконтроллера-Si: H клеток.

Тип клетки J SC (мА / см 2) В OC (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-включены 12.4 0,526 0,764 5
Справка 11.4 0,521 0.763 4.5


Таблица 2. Условия осаждения.

; "> Ар поток = 200 SCCM, давление = 0,133 Па, постоянного тока = 100 Вт, образец оборот = 10 оборотов в минуту, скорость осаждения = ~ 6 A / сек.
Меры Система осаждения Материалы Условия
3.2 Распыление ZnO: Ga Ар скорость = 200 SCCM, давление = 0,133 Па течь, постоянного тока = 200 Вт, образец оборот = 10 оборотов в минуту, скорость осаждения = ~ 3.3 A / сек.
3.3 ССЗ мкКл-Si: H р Расход SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 SCCM, температуры подложки = 140 ° С, давление = 1,5 торр, радиочастотной (РЧ) плотность мощности = 80 мВт / см 2, время осаждения = 5 мин 45 сек (скорость = ~ 0,3 Å / сек).
мкКл-Si: H я Расход SiH 4 / H 2 = 10,5 / 380 SCCM, температура подложки = 180 ° С, давление = 200 Па, плотность ВЧ-мощность = 40 мВт / см 2, время осаждения = 1 час 2 мин (скорость = ~ 1.3 A / сек).
мкКл-Si: H н Расход SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 SCCM, температуре подложки = 195 ° С, давление = 40 Па, плотность ВЧ-мощность 80 мВт = / см 2, время осаждения 23 мин = (скорость = ~ 0,3 А / сек).
6.2 Распыление ZnO: Ga Ар расход = 200 SCCM, давление = 0,133 Па, постоянного тока = 200 Вт, образец оборот = 10 оборотов в минуту, скорость осаждения = ~ 3.3 A / сек.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этой статье, двухслойный жесткий / мягкий PDMS композитный был использован в качестве гербовых материалов. 27 Эта комбинация оказалась важно точно воспроизвести родительский наноструктуры в форме, которая была шестиугольной плотноупакованная массив круглого отверстия, диаметр которого 230 нм, глубина 500 нм, и отверстие центра до центра шагом 460 нм. Когда только мягкие PDMS был использован, печать всегда в результате плохо наноструктурированных поверхности (например, не острый край в перевернутом структуры столба) в связи с модулем на низких Юнга; 28 поэтому, перевод печати Ag nanodisks никогда не достижимо.

Использование спин-покрытием блок-сополимера (PS-б -P2VP) тонких пленок в качестве связующего слоя является еще одним ключевым для успешного термопечать на Мс-Si: H поверхности, которые не являются гладкими (R эфф ​​= ~ 6.6 нм). Хотя передача печать из металлоконструкций был первоначально разработан с использованием малых органических молекул WHIч образует самоорганизующихся монослоев (Sams) на поверхностях, 29 мы обнаружили, что использование зенитных ракет (3-меркаптопропилтриметоксисилан) не работает для (немного) текстурированный мкКл-Si: H поверхностей. Кроме того, формирование ЗРК с хорошим качеством требует времени (~ за пару часов), в то время как наш способ требует менее 1 мин (40 сек методом центрифугирования). Эта точка может быть важно для материалов, которые нужно быстро, чтобы избежать операции неблагоприятные поверхностные события, такие как формирование избыточных оксидов или загрязнений.

Роли этанола в печати с переносом также должны быть подчеркнуты. Первая роль, как уже описано, чтобы помочь формирование тесного контакта между печатью и поверхности мишени с использованием поверхностного натяжения при испарении. Второй задачей является реконструкция PS-б -P2VP тонкую пленку, которая обеспечивает захват металлов (Ag) на PDMS штампов путем формирования металлических пиридин координационных связей. 25 Мы считаем, что Sдинамического события уч на границе штамп / подложки имеет важное значение для передачи печати, особенно на текстурированных поверхностях.

Когда передача печати по описанной выше процедуре была неудачной, причина была в основном в штампов, используемых. Так конформного контакта между штампом и подложкой является критическим, плоскостность поверхности штампа очень важно. Плоскость определяется статусом исходной формы; Поэтому, как только трансферная печать не удается, то это будет время для изменения формы. По нашему опыту, сколько раз плесень могут быть повторно использованы пять, но было бы быть увеличена путем соответствующей очистки и хранения формы. Плоскостность штампа также будет иметь существенное влияние на области, которые могут быть равномерно передачи печатных. В связи с этим, мы продемонстрировали 20 мм × 20 мм масштабе паттерна с печатью, полученного из свежего пресс-формы. 25

Что касается рисунка конструкции пресс-формы / штампа,круглыми отверстиями / столб структуры с диаметром 230/200 нм, используемой (чем меньше диаметр колонны связано с коническим форма первоначального отверстия). Этот выбор был просто потому, что такие пресс-формы (nanoimprinted пластиковая пленка) был в продаже, и это был не тот, изготовлены специально для нашего приложения солнечных батарей. Это в свою очередь означает, что есть много места для рисунка конструкций, которые привели бы к значительно превосходит способности света захвата по сравнению с результатом, показанным здесь. В этом отношении использование оптического моделирования было бы полезно для поиска более моделей. Хотя изготовление пресс-форм (реальных вероятно электронно-лучевой литографии) могут быть дорогими, как только изготовлены, соответствующие штампы могут быть воспроизведены столько раз, сколько это необходимо. Таким образом, общая стоимость процесс может быть значительно подавляется, что является большим преимуществом передачи подходов печати.

С точки зрения металлов передачи печатаемые в порядке, описал еее, Au, Cu, Ni и были подтверждены, чтобы быть применимо. Следует отметить, что ни один из этих металлов не предусмотрено более световых эффектов прилипания по сравнению со случаем из Ag. Еще испытания металл Al, который считается хорошим кандидатом для плазмонных применений света захвата. 30 Было найдено, однако, что трансферная печать Аль неудачно, возможно, из-за сильного сродства с PDMS. Таким образом, модификации поверхностей PDMS 31 может потребоваться для облегчения передачи печати за счет уменьшения взаимодействия между PDMS и хранение Al.

Кроме мкКл-Si: H, метод может быть использован с различными материалами, в том числе высокой необработанных (текстурированных) поверхностей (R RMS ≥ 20 нм) 25 В самом деле, мы уже рассмотрели возможность синергического текстурирования / plasmon-. опосредованный захват света от изготовления клеток с текстурированной стекла / SnO 2: е. подложек 17 Кроме того, подобный свет захват ЭФФЕКТ была зарегистрирована использованием гидрированных аморфных клетки Si. 32 других технически важных материалов, таких как кристаллический Si, GaAs, InP и оксидов металлов, также совместимы с методом, и, таким образом дальнейшее применение устройств (не только для солнечных элементов) будет ожидалось.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
  2. Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
  3. Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
  4. 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).
  5. Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
  6. 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).
  7. Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
  8. Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
  12. Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
  16. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
  17. 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).
  18. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
  19. Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
  20. Hsu, C. -M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
  21. 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).
  22. Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
  23. 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).
  24. Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
  32. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics