שילוב של אור ננו-מבני כסף השמנה בתאים סולריים המוקשה Microcrystalline הסיליקון ידי העברת הדפסה

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!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

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

יש כבר ביקוש רב שנים ליישום של ננו הפונקציונלי במגוון רחב של תחום טכנולוגי. אחת הציפיות למגמה זו היא לפתוח עיצוב חדש של ארכיטקטורות מכשיר מובילות להופעות משופרות או חדשניות. בתחום של תאים סולריים, למשל, השימוש בננו-מבני מתכת כבר בחן באופן פעיל בשל תכונותיהם המסקרנות האופטיים (כלומר, plasmonic), 1 פוטנציאלי מועיל לבניית מערכות לכידת אור יעילות. 2,3 מחקרים אכן, חלק תיאורטי 4 -6 הראו כי השמנה אור plasmonic כזה יכול להשיג אפקטים עולים אופטיקה ray הקונבנציונלית (טקסטורות) מבוסס גבול השמנה אור. 7 כתוצאה מכך, פיתוח אסטרטגיות לשילוב ננו מתכת רצוי עם תאים סולריים הפך חשוב יותר ויותר כדי לממש את אלה תחזיות תיאורטיות.

מספר האסטרטגיות יש ליהוצעו לאתגר הזה. 8-24 אלה כוללים, למשל, (בעלות נמוכה) פשוט חישול תרמית של סרטי מתכת 8,9 או פיזור של חלקיקי מתכת-מסונתז מראש, 10,11 שניהם הביאו להפגנות מוצלחות של לכידת אור plasmonic. עם זאת, יש לציין כי ננו המתכת מפוברק על ידי גישות אלה בדרך כלל מאתגרים כדי להתאים למודלים תיאורטיים. לעומת זאת, בטכניקות המסורתיות nanofabrication בתעשיות המוליכים למחצה, כגון ליתוגרפיה photolithography וקרן אלקטרונים, 12,13 יכולה לשלוט מבנים הרבה מתחת לרמה ננומטר תת-100, אבל הם לעתים קרובות יקרים וגם גוזלים זמן לפנות לתאים סולריים, שבו יכולת שטח גדול עם עלות נמוכה היא חיונית. על מנת להגשים בעלות נמוכה, תפוקה גבוהה, ודרישות שטח גדול עם יכולת שליטה בקנה מידה ננומטרי, שיטות כגון ליתוגרפיה nanoimprint, 14-16 ליתוגרפיה רכה, 17,18 19-21 וחור-המסכה ליתוגרפיה colloidal 22-24 תהיה מבטיחה. בין האפשרויות הללו, פיתחנו ליתוגרפי רך, טכניקת הדפסת העברה מתקדמת. 25 שימוש פולי nanostructured (dimethylsiloxane) בולים (PDMS) ושכבות מבוססות דבק קופולימר בלוק, דפוסים של ננו מתכת הורה יכולים להיות מושגת בקלות על מספר טכנולוגי חומרים רלוונטיים, כולל אלה של תאים סולריים.

המוקד של מאמר זה הוא לתאר את ההליך מפורט של גישת הדפסת ההעברה שלנו לשלב ננו plasmonic לכידת אור היעיל במבנים קיימים תאים סולריים. כמקרה הפגנתי, nanodisks Ag וסרט דק מוקשה המייקר Si (μc-סי: H) תאים סולריים נבחרו במחקר זה (איור 1), 26 למרות שסוגים אחרים של מתכות ותאים סולריים בקנה אחד עם גישה זו. יחד עם התהליך שלהפשטות, הגישה תהיה עניין לחוקרים מגוונים כמו כלי שימושי לשלב ננו מתכת הפונקציונלי עם מכשירים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת חותמות PDMS

  1. קבע עובש nanohole (סרט פלסטיק פולימר olefin סיקל nanoimprinted, גודל: 50 מ"מ × 50) בpolytetrafluoroethylene מיכל (PTFE).
  2. לשקול קופולימר vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane (0.76 גר 'לעובש מ"מ 50 מ"מ × 50) בבקבוק זכוכית חד פעמי ולערבב אותו עם מורכב PT-divinyltetramethyldisiloxane (6 μl, בעזרת פיפטה מיקרו דיגיטלית עם קצה חד פעמי פוליפרופילן) ו2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 μl, בעזרת פיפטה מיקרו דיגיטלית עם קצה פוליפרופילן חד פעמי).
  3. להוסיף קופולימר methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane (0.24 מיליליטר, באמצעות פיפטה דיגיטלית מיקרו עם קצה פוליפרופילן חד פעמי) בבקבוק הזכוכית ולערבב אותו בעזרת פיפטה זכוכית חד פעמית במהירות. , לאחר פני השטח של העובש שנקבע במכל PTFE הוא פוצץ על ידי N 2 לשפוך את התערובת וכתוצאה מכך (prepolymer PDMS "קשה") בעובש ולהתחיל ספין מעילing ב 1000 סל"ד במשך 40 שניות כדי להגיע לעובי השכבה של ~ 40 מיקרומטר.
  4. מניחים את המדגם מצופה ספין בתא חם שחומם מראש על 65 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לזמן קצר קישור צולב PDMS הקשה.
  5. במהלך החימום, שוקל סיליקון (6 ז) ולערבב אותו עם זרז (0.6 גר ') בבקבוק זכוכית חד פעמי. מניחים את בקבוק הזכוכית בייבוש ואקום וליישם ואקום (~ 133 אבא) במשך 15 דקות כדי להסיר את האוויר שנלכד בתערובת סיליקון (prepolymer PDMS "הרך").
  6. להוציא את התבנית וprepolymer PDMS הרך מתא החימום וייבוש ואקום, בהתאמה, ויוצקים את PDMS הרך במהירות prepolymer על התבנית המחוממת. העובי של שכבת PDMS הרכה הוא ~ 3 מ"מ.
  7. מניחים את המדגם וכתוצאה מכך ייבוש הוואקום שוב לסילוק גזים נוספים ב ~ 133 אבא לפחות לשעה 1.
  8. להעביר את מדגם degassed לתא החימום ולהתחיל חימום בהדרגה עד 80 מעלות צלזיוס (שיעור חימום ~ 3 מעלות צלזיוס / min). לשמור על טמפרטורה זו במשך 5 שעותלקישור צולב PDMS הקשה והרך לגמרי.
  9. לאחר קירור המדגם עד RT, לקלף את PDMS להחתים בזהירות מהתבנית. שימוש חוזר בתבנית להכנת חותמות השניה (או יותר), במידת צורך. הערה: אותו העובש יכול לשמש לפחות חמש פעמים בלי השפלה של איכות החותמת.
  10. חותך את החותמת וכתוצאה nanopillar (מרוכבים PDMS קשים / רכים דו-שכבתיים) 27 לחתיכות בגדלים רצויים (בדרך כלל 7 מ"מ × 7 מ"מ לתאי השמש שלנו) באמצעות סכין ולאחסן אותם תחת אוויר עד לשימוש.

2. הכנת פתרונות קופולימר בלוק

  1. לשקול את האבקה של בלוק polystyrene- -poly-2-vinylpyridine (-P2VP ב PS-) בבקבוק זכוכית ולערבב אותו עם -xylene o ביחס של 3 מ"ג / מיליליטר (PS- ב -P2VP / o -xylene) .
  2. מערבבים את התערובת באמצעות סרגל ערבוב מגנטי מצופה PTFE ב 70 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
  3. שמור את הפתרון ליותר מ 24 שעות וכתוצאה מכך על RT ללא מערבביםטבעת כדי להשלים את הקמתה של מיצלות העצמית התאספו. חוזקה לאטום את הפתרון ולאחסן אותו בתנאי סביבה. הערה: איכות הפתרון היא ללא שינוי גם שנה לאחר ההכנה.

3. הכנת μ c-סי: מצעי H

  1. משקפיים לשטוף מכוסים SNO 2: F (נסמן זכוכית / SNO 2: F, להלן) עם H 2 O (500 מיליליטר), חומרי ניקוי (500 מיליליטר), ו- H 2 O (500 מיליליטר) ב RT באמצעות אמבטיה קולית (15 דקות לכל אחד). לייבש אותם על ידי פיצוץ N 2.
  2. טען את הזכוכית ניקתה / SNO 2: מצעי F בZnO בעל מצע וההפקדה: Ga (20 ננומטר) באמצעות מערכת ישירה נוכחית (DC) המקרטעת עם התנאים המפורטים בטבלה 2.
  3. טען את הזכוכית / SNO 2: F / ZnO: מצעי Ga באחר בעל מצע והפקדת μ c-סי: p H (10 ננומטר), אני (500 ננומטר), וn שכבות (40 ננומטר) באמצעות כימי משופר פלזמה vapoבתצהיר r מערכת (PECVD) בתנאים המפורטים בטבלה 2.
  4. אחסן את μ c-סי וכתוצאה מכך: H (זכוכית / SNO 2: F / ZnO: Ga / μ c-סי: p H - i - n) מצעים תחת ואקום או N 2 עד שלב הדפסת ההעברה.

4. Ag-ציפוי של בולים PDMS

  1. שטוף את בולי PDMS (מוכנים בשלב 1) עם EtOH (30 מיליליטר) באמצעות אמבטיה קולית במשך 15 דקות ויבשות על ידי פיצוץ N 2.
  2. טען את בולי PDMS ניקו על בעל מדגם באמצעות קלטת דו צדדית דבק ולהפקיד סרט Ag (10-80 ננומטר) באמצעות קרן אלקטרונים מערכת (EB) אידוי עם התנאים הבאים: שיעור בתצהיר = 5-10 A / sec, לחץ = ~ 1.5 × 10 -4 אבא.
  3. קח את הבולים מצופים Ag ממערכת האידוי EB ולהשתמש בם באופן מיידי בשלב העברת ההדפסה הבא.

5. העברת הדפסה של Ag Nanodisks על נשוךסרט Si משטחים

  1. קח את הסרט דק Si מצעים מאוחסן תחת ואקום או N 2 וספין-מעיל עם פתרון -P2VP ב PS- (0.3 מיליליטר למדגם מ"מ 50 מ"מ × 50, בעזרת פיפטה מיקרו דיגיטלית עם קצה פוליפרופילן חד פעמי) ב5,000 סל"ד במשך 40 שניות.
  2. להרטיב את המשטח מצופה -P2VP PS- ב עם EtOH באמצעות (5 מיקרומטר / אזור תא) פיפטה מיקרו דיגיטלית ולהחיל את PDMS מצופה Ag להחתים בשקט אל פני השטח EtOH-רטוב. אל תלחץ על הבול.
  3. ואקום מניחים את מצע Si סרט דק עם החותמת בתא ואקום ולהחיל (~ 133 אבא).
  4. לאחר 5 דקות, למלא את תא הוואקום עם אוויר ולהוציא את מצע Si סרט דק.
  5. הסר את החותמת מהמצע Si סרט דק על ידי החזקת הצד שניהם החותמת עם פינצטה להעביר-הדפסת nanodisks Ag. הערה: אם מוצלח, העקבות של ביול גלויה כנקודה ירקרקה.
  6. יש לשטוף את מצע Si סרט דק מודפס העברה עם זרימה רציפה של EtOH במשך 15 שניות (~ 30 מיליליטר) ויבשות על ידי פיצוץ N 2.
  7. הסר את ציפוי PS-ב-P2VP באמצעות מערכת פלזמה Ar.
    1. מניחים את מצע Si סרט דק מודפס העברה בתא התהליך של מערכת הפלזמה Ar.
    2. לשאוב את האוויר בתא התהליך ל~ 5 דקות (לחץ ~ 20 אבא).
    3. פתח את השסתום של קו גז Ar וידני להתאים את קצב הזרימה עד 4 SCCM. חכה ~ 5 דקות כדי לייצב את הלחץ עד 40 אבא.
    4. צור פלזמה Ar עבור 108 שניות.
    5. סגור את השסתום של קו גז Ar, להפסיק שאיבה, ולמלא את האוויר לתוך תא התהליך להוציא, Si מצעים מודפס העברת סרט דק-ניקה פלזמה.

6. השלמת סרט דק ייצור תא Si שמש

  1. צרף מסכות מתכת לסרט דק מודפס ההעברה Si מצעים לאחר טיפול הפלזמה Ar באמצעות קלטות polyimide.
  2. טען את מצעים רעולי פנים בבעל מצע של מערכת המקרטעת DC וdeposiלא ZnO: Ga (100 ננומטר), Ag (250 ננומטר), ותחמוצת אבץ: Ga ברצף (40 ננומטר) בתנאים המפורטים בטבלה 2.
  3. לנתק את מסכות מתכת מהמצעים ולהסיר את שכבות Si סרט דק רעולי פנים (כלומר, האזור שבו ZnO: Ga וAg לא הופקדו) באמצעות מערכת תחריט יון תגובתי (RIE).
    1. מניחים את הדגימות בתא התהליך של מערכת RIE.
    2. לשאוב את האוויר בתא התהליך הבא הוראות יצרן.
    3. הגדר את תנאי התהליך כדלקמן הבא הוראות היצרן: SF 6 / O 2 קצב זרימה = 100/20 SCCM, לחץ = 20 אבא, הכח W 100, זמן = 1 דקות 20 שניות.
    4. פתח את קווי גז SF 6 וO 2, לייצב את הלחץ, וליצור פלזמה.
    5. סגור את השסתום של קו גז SF 6 וO 2, להפסיק שאיבה, ולמלא N 2 לתוך תא התהליך להוציא את הדגימות.
  4. שים אתדגימות בתא ואקום-חישול ולהתחיל חימום בהדרגה עד 175 מעלות צלזיוס תחת ואקום (~ 133 אבא). לשמור על טמפרטורה זו למשך 2 שעות, ולאחר מכן להתקרר RT. מלא אוויר בחדר ולהוציא את הדגימות, אשר כעת יכול להיקרא תאים.
  5. סגסוגת מבוססת SN-Zn הלחמה על האלקטרודה השקופה הקדמית (זכוכית / SNO 2: F / ZnO: Ga, החלק שנחשף על ידי טיפול RIE) באמצעות מכשיר הלחמה קולי.

7. מדידה של יעילות קוונטית חיצונית (EQE)

  1. צרף מסכת אור מיגון לתא מפוברק באמצעות קלטת polyimide ולהגדיר את התא רעול פנים בבעל תא. חבר בדיקות לאלקטרודה מול המולחם (+) ובחזרה Ag / ZnO: אלקטרודה Ga (-).
  2. למדוד ספקטרום EQE באמצעות מערכת מדידת EQE הבאה הוראות יצרן עם טווח אורכי גל וצעד של 300-1,100 ננומטר ו -5 ננומטר, בהתאמה.

תווים 8. מדידה של פוטו הנוכחי המתח (JV)istics

  1. כייל את עוצמת האור של מערכת מדידת מאפייני JV באמצעות תא התייחסות Si אמורפי.
    1. הגדר את תא התייחסות אמורפי סי לבעל תא של מערכת מדידת מאפייני JV, ולהאיר את האור.
    2. קראו הנוכחי photogenerated באמצעות רב-מטר דיגיטלי מצויד במערכת מדידת מאפייני JV. התאם את עוצמת האור עד הנוכחי photogenerated מראה את הערך הנכון עבור תא ההתייחסות (8.34 mA / 2 סנטימטר).
  2. צרף מסכת אור מיגון לתא ולהגדיר את התא רעול פנים בבעל תא. חבר בדיקות לאלקטרודה מול המולחם (+) ובחזרה Ag / ZnO: אלקטרודה Ga (-).
  3. להאיר את האור המכויל (100 mW / 2 סנטימטר, שמש 1) בתא ולמדוד זרמי photogenerated באמצעות מערכת מדידת מאפייני JV הבא הוראות יצרן בצעד מתח של 0.02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 2 מתאר את התהליך הכללי להדפסת העברת nanodisks Ag על פני השטח של μc-סי: H (שכבת n). בקצרה, סרט Ag (עובי: 10-80 ננומטר) מופקד ראשון על פני השטח של חותמת PDMS nanopillar על ידי אידוי קרן אלקטרונים. במקביל, פתרון -P2VP ב PS- הוא ספין מצופה על פני השטח של μc-סי מוכנה טרי: שכבת n H. בהמשך לכך, טיפה של EtOH ממוקמת על פני השטח מצופה -P2VP PS- ב, וחותמת PDMS הופקד-Ag ממוקמת על פני השטח -P2VP PS- ב EtOH-רטוב. לא לוחץ יש צורך בחותמת, כי קשר אינטימי בין הבולים והמצע באופן ספונטני יוצר בשל מתח הפנים נובעים מהאידוי של EtOH. לאחר EtOH הוא התאדה משם (באמצעות לחץ מופחת), החותמת משתחררת מהמצע כדי להשלים את העברתו של היועץ המשפטי לממשלה שהופקדה על אזור ההרים של חותמת PDMS nanopillar. לבסוף,טיפול פלזמה Ar מתבצע כדי להסיר את ציפוי -P2VP PS- ב.

שמוצג באיור 3 סורקים תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) של מערך nanodisk כתוצאה Ag ב( ב) μc-סי:. H משטחים (תאים) 3A 26 איור ו3B הם הראש והטה את הנופים של מדגם זהה. השורש מתכוון חספוס רבוע (RMS R) של μc-סי הבסיסית: משטח H היה ​​6.6 ננומטר; בכל זאת, העברת nanodisks Ag, שקוטרו, מרחק מרכז למרכז, והעובי של nanodisks Ag כמעט מלאה היו 200, 460, ו -40 ננומטר, בהתאמה, הושג. איור 3 ג הוא תצוגת חתך רוחב של הושלם μc-סי: מבנה H תא; כלומר, לאחר בתצהיר (המקרטעת) של ZnO: Ga / Ag / ZnO: שכבות Ga על גבי מערך nanodisk Ag שמוצג באיור 3 א ו3B. הזכות המוטבעת nanodisks Ag על μc-סי פוטו: H מ '> p - i - n שכבות היו ברור שנצפו.

ספקטרום EQE של התאים מפוברקים מוצג באיור 4 26 בהשוואה לתא התייחסות (μc-סי: תא H המפוברק בו-זמנית עם דילוג תהליך הדפסת ההעברה)., ספקטרום EQE של nanodisk Ag (עובי: 40 ננומטר) תא משולב הראה אותות גבוהים יותר בטווח הארוך הגל (650-1,100 ננומטר). שיפור אורך גל סלקטיבי כזה מצביע בבירור על ההשפעה מועדפת של nanodisks Ag plasmonically-הפעיל לתאים סולריים; כלומר, השמנה אור plasmonic. כימות מידת ההשמנה האור בטווח 650-1,100 ננומטר נצפה באיור 3 בוצעו על ידי סיכום ערכי EQE של כל תא ולוקח את היחס שלהם (תא / תא התייחסות התאגד-nanodisk Ag). הערך היה 1.60; לכן, 60% גידול EQE הושג על ידי לכידת אור plasmonic תיווך nanodisk Ag.

אף אוזן גרון "> טבלת 1 מסכמת את המאפיינים של תאי פוטו-ושולב nanodisk התייחסות Ag. 26 זה אושר, כצפוי, כי הצפיפות לקצר הנוכחית (SC J) של התא התאגד-nanodisk Ag גדלה לעומת זה של תא ההתייחסות (11.4-12.4 mA / 2 סנטימטר) בגלל שיפור EQE שתואר לעיל. באשר למתח המעגל הפתוח (OC V) ולמלא את הגורם (FF), אלה של שני התאים היו כמעט זהה (OC V : ~ 0.52 V, FF:. ~ 0.76) כתוצאה מכך, יעילות photoconversion (η) של התא-התאגד nanodisk Ag השתפרה (4.5% עד 5.0%).

איור 1
איור 1. סכמטי חתך של התאגד-nanodisk Ag μc-סי:. Nanodisks תאים סולריים H Ag מאתר בצד האחורי של μc-סי: התאים סולריים H. : "Target =" _ //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. נוהל הכללי להדפסת העברת חותמת PDMS nanopillar מצופה Ag Ag Nanodisks. מוחל על מצע Si מצופה -P2VP PS- ב סרט דק משטח שהוא רטוב עם EtOH. טיפול פלזמה Ar מיושם כדי להסיר את ציפוי PS-ב-P2VP ולחשוף את שכבת Si סרט דק. לאחר תהליך זה, ZnO: Ga / ZnO Ag /: שכבות Ga צריכים להיות מופקדות על גבי nanodisks Ag-מודפס ההעברה כדי להשלים את מבנה תא שמש כולה מוצג באיור 1. לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .

ether.within עמודים = "תמיד"> איור 3
איור 3. תמונות SEM של העברה-המודפס Ag Nanodisks (קוטר = 200 ננומטר, ננומטר עובי = 40) (א) להציג לראש nanodisks מודפס העברת Ag על μc-סי:. משטח H. משטח H: תצוגה נטויה של nanodisks מודפס העברת Ag על μc-סי (B). (ג) חתך מבט של nanodisks Ag-מודפס העברה (גודל: 200 ננומטר) משובץ בμc-סי:. תא H 26 זכויות יוצרים 2014 אגודת יפן לפיסיקה יישומית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .

איור 4
איור 4. EQE ספקטרה של μc-סי:. תאי H (קו הכחול) nanodisk Ag (ND) -incorporated תא. (קו מקווקו אדום)הפניה לתא. 26 תגובות משופרות נצפו עם הקו הכחול בשל ההשמנה אור התיווך-ND Ag. נתון זה שונה מRef. 26. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.


טבלת 1. סיכום של מאפייני פוטו JV של μc-סי: תאי H.

סוג התא sc J (mA / 2 סנטימטר) OC V (V) FF Η (%)
Ag-התאגד nanodisk 12.4 0.526 .764 5
התייחסות 11.4 .521 .763 4.5


טבלת 2. תנאי הפקדת.

; "> זרימת Ar = 200 SCCM, לחץ = .133 אבא, DC הכח = 100 W, מדגם הסיבוב = 10 סל"ד, שיעור בתצהיר = ~ 6 / sec.
צעדים מערכת בתצהיר חומרים תנאים
3.2 המקרטעת ZnO: Ga Ar קצב זרימה = 200 SCCM, לחץ = .133 אבא, הכח = 200 W DC, מדגם הסיבוב = 10 סל"ד, שיעור בתצהיר = ~ 3.3 / sec.
3.3 CVD μc-סי: p H קצב זרימה של 4 SiH / H 2 / B 2 H 6 = 3.5 / 450/2 SCCM, טמפרטורת מצע = 140 מעלות צלזיוס, בלחץ = 1.5 Torr, תדר רדיו (RF) צפיפות הספק = 80 mW / 2 סנטימטר, זמן תצהיר = 5 דקות 45 שניות (שיעור = ~ 0.3 A / sec).
μc-סי: אני H קצב זרימה של 4 SiH / H 2 = 10.5 / 380 SCCM, טמפרטורת מצע = 180 מעלות צלזיוס, בלחץ = 200 אבא, צפיפות הספק RF = 40 mW / 2 סנטימטר, = שעה דקות זמן בתצהיר 1 2 (שיעור = ~ 1.3 / שניות).
μc-סי: n H קצב זרימה של 4 SiH / H 2/3 = PH 3/148/12 SCCM, טמפרטורת מצע = 195 מעלות צלזיוס, בלחץ = 40 אבא, צפיפות הספק RF = 80/2 סנטימטר, זמן תצהיר = 23 דקות mW (שיעור = ~ 0.3 A / sec).
6.2 המקרטעת ZnO: Ga זרימת Ar = 200 SCCM, לחץ = .133 אבא, הכח = 200 W DC, מדגם הסיבוב = 10 סל"ד, שיעור בתצהיר = ~ 3.3 / sec.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במאמר זה, מרוכבים / PDMS הרך קשים שכבתי כפולים הועסקו כחומרי חותמת. 27 שילוב זה נמצא חיוני כדי לשכפל בדיוק ננו-מבנה ההורה בעובש, שהיה מערך עגול חור משושים קרובים גדוש שקוטרו של 230 ננומטר, עומק של 500 ננומטר, ומרווח בין חור במרכז למרכז של 460 ננומטר. כאשר רק PDMS הרך שימש, החותמת תמיד הביאה משטח nanostructured גרועה (לדוגמא, אין קצה חד במבנה העמוד ההפוך) בשל מודולוס של יאנג הנמוך; 28 לכן, הדפסת העברת nanodisks Ag מעולם לא הייתה ברת השגה.

השימוש בקופולימר מצופה ספין בלוק (-P2VP ב PS-) דקים-סרטים כמו שכבות מחייבות הוא מפתח נוסף להעברת הדפסה מוצלחת על μc-סי: משטחי H, שאינם חלקים (RMS R = ~ 6.6 ננומטר). למרות העברת ההדפסה של מבני מתכת במקור פותחה באמצעות WHI מולקולות אורגניות הקטןפרק מהווה monolayers עצמי התאספו (Sams) על משטחים, 29 מצאנו כי השימוש בסוללות נ"מ (3-mercaptopropyltrimethoxysilane) לא עובדים עבור (מעט) מרקם μc-סי: משטחי H. בנוסף, ההיווצרות של סאמס עם איכות טובה לוקחת זמן (~ כמה שעות), ואילו התהליך שלנו דורש פחות מ 1 דקות (40 שניות על ידי ציפוי ספין). נקודה זו עשויה להיות חשובה לחומרים שצריכים פעולות מהירות כדי להימנע מאירועי משטח שליליים, כגון היווצרות תחמוצות או זיהומים מיותרים.

תפקידיו של EtOH בהדפסת העברה גם יש להדגיש. התפקיד הראשון הוא, כפי שכבר תאר, כדי לסייע להיווצרות הקשר האינטימי בין משטח החותמת והיעד באמצעות המתח הפנים על אידוי. התפקיד השני הוא לשחזר את הסרט הדק -P2VP PS- ב, אשר מבטיח את הלכידה של מתכות (Ag) על בולי PDMS דרך ההיווצרות של אג"ח תיאום מתכת פירידין. 25 אנחנו מאמינים שזהאירוע דינמי uch בממשק חותמת / מצע חיוני להעברת ההדפסה במיוחד על משטחים בעלי מרקם.

כאשר הדפסת ההעברה על ידי הליך הנ"ל לא הצליח, הסיבה לכך הייתה בעיקר בבולים מועסקים. מאז קשר בין קונפורמי חותמת ומצע הוא קריטי, השטיחות של פני השטח של הבול היא מאוד חשובות. השטיחות נקבעה על ידי המצב של עובש מקורי; לכן, ברגע שדפוס העברה נכשל, זה יהיה הזמן לשינוי העובש. על פי הניסיון שלנו, את מספר הפעמים עובש ניתן לעשות שימוש חוזר הוא חמש, אבל זה יהיה להיות מוגבר על ידי ניקוי ואחסון של העובש מתאים. שטיחות של בול היו גם השפעה משמעותית על האזור שיכול להיות מודפס העברה אחידה. לגבי זה, יש לנו הפגין דפוסי 20 מ"מ × 20 מ"מ בקנה מידה עם חותמת הוכנה מעובש טרי. 25

באשר לעיצוב הדפוס של העובש / החותמת,מבנים / עמוד עגול חור בקוטר של 230/200 ננומטר היו מועסק (הקוטר הקטן יותר של העמוד הוא בגלל הצורה מחודדת של החור המקורי). בחירה זו הייתה פשוט כי עובש כזה (סרט פלסטיק nanoimprinted) היה זמין באופן מסחרי, וזה לא היה אחד מפוברק במיוחד ליישום התאים הסולרי שלנו. זה בתורו אומר שיש הרבה מקום לעיצובי דפוס, מה שיוביל להרבה יכולת לכידת אור טובה יותר בהשוואה לתוצאות שמוצגת כאן. מבחינה זו, השימוש בסימולציה אופטית יהיה מועיל לחפש דפוסים טובים יותר. למרות שהייצור של תבניות בפועל (ככל הנראה על ידי קרן אלקטרונים ליתוגרפיה) יכול להיות יקר, מפוברק פעם, ניתן לשכפל את הבולים המתאימים כמספר פעמים הדרושות. לפיכך, סך עלות התהליך ניתן לדכא באופן משמעותי, וזה היתרון הגדול של גישות הדפסת העברה.

במונחים של מתכות העברה מיועדות להדפסה על ידי ההליך המתוארדואר, Au, Cu, Ni ואושרו להיות ישים. יש לציין כי אף אחד ממתכות אלה סיפקו אפקטי לכידת אור טובים יותר בהשוואה למקרה של Ag. מתכת אחרת שנבדקה הייתה אל, שנחשב כמועמד טוב עבור יישומי לכידת אור plasmonic. 30 נמצא, עם זאת, כי דפוס העברת אל הוא לא מוצלח, אולי בשל הזיקה החזקה עם PDMS. לכן, שינויים של PDMS משטחים -31 במאי יידרש כדי להקל על העברת הדפסה על ידי צמצום האינטראקציה בין PDMS והופקד אל.

מלבד μc-סי: H, השיטה יכולה לשמש במגוון של חומרים, כולל משטחים מאוד מחוספס (מרקם) (R RMS ≥ 20 ננומטר) 25 למעשה, יש לנו לטפל האפשרות של טקסטורות סינרגיסטי בעבר / plasmon-. תיווך לכידת אור על ידי בודה תאים עם זכוכית מרקם / 2 SNO:. מצעי F 17 בנוסף, effe לכידת אור דומהCT תועד באמצעות תאי Si אמורפי מוקשים. 32 חומרים חשובים מבחינה טכנולוגית אחרים, כגון גבישים Si, GaAs, InP, ותחמוצות מתכת, גם בקנה אחד עם השיטה, ויישומים למכשיר ובכך נוספים (לא רק לתאים סולריים) יהיה צפוי.

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