Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

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

Ha habido una demanda de larga data para la aplicación de nanoestructuras funcionales en una amplia gama de campo tecnológico. Una de las expectativas para esta tendencia es abrir el nuevo diseño de arquitecturas de dispositivos que conducen a mejores o innovadores actuaciones. En el campo de las células solares, por ejemplo, el uso de nanoestructuras metálicas ha sido explorado activamente debido a sus propiedades ópticas interesantes (es decir, plasmónicas), 1 potencialmente beneficioso para la construcción de sistemas de luz de captura eficaces. 2,3 estudios De hecho, algunos teóricos 4 -6 han sugerido que tal captura la luz plasmónica podría lograr efectos superiores a la óptica de rayos convencionales (texturizado) -basada límite de captura de luz. 7 En consecuencia, el desarrollo de estrategias para integrar nanoestructuras metálicas deseadas con las células solares se ha convertido cada vez más importante para hacer realidad estos predicciones teóricas.

Una serie de estrategias tieneha propuesto para afrontar este reto. 24.8 Estos incluyen, por ejemplo, simple (bajo costo) recocido térmico de películas metálicas 8,9 o dispersión de nanopartículas metálicas previamente sintetizado, 10,11 los cuales dieron lugar a manifestaciones exitosas de captura la luz plasmónica. Sin embargo, debe señalarse que las nanoestructuras metálicas fabricadas por estos enfoques suelen ser difíciles de igualar a los modelos teóricos. En contraste, las técnicas de nanofabricación tradicionales en las industrias de semiconductores, tales como la fotolitografía y de litografía por haz de electrones, 12,13 pueden controlar estructuras bien por debajo del nivel nm sub-100, pero a menudo son demasiado caros y consumen mucho tiempo para aplicar a las células solares, donde la capacidad de gran superficie con un bajo costo es esencial. Con el fin de cumplir con el bajo costo, alto rendimiento, y los requisitos de gran superficie con capacidad de control a escala nanométrica, los métodos tales como la litografía de nanoimpresión, 14-16 litografía blanda, 17,18 nanoesfera, 19-21 y el agujero-máscara coloidal litografía 22-24 sería prometedor. Entre estas opciones, hemos desarrollado un litográfica suave, la técnica de impresión por transferencia avanzado. 25 El uso de un poli nanoestructurado (dimetilsiloxano) (PDMS) sellos y las capas adhesivas a base de copolímero de bloque, patrón de nanoestructuras metálicas ordenados podría lograrse fácilmente en un número de tecnológicamente materiales pertinentes, incluyendo los de las células solares.

El objetivo de este artículo es describir el procedimiento detallado de nuestro enfoque de impresión por transferencia para incorporar luz de captura nanoestructuras plasmónicas eficaces en las estructuras de células solares existentes. Como un caso demostrativo, nanodiscos AG y de película delgada hidrogenados microcristalina Si (mu c-Si: H) se seleccionaron células solares en este estudio (Figura 1), 26 aunque otros tipos de metales y las células solares son compatibles con este enfoque. Junto con su proceso desimplicidad, el enfoque sería de interés para diversos investigadores como una herramienta útil para integrar nanoestructuras metálicas funcionales con los dispositivos.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Preparación de Sellos PDMS

  1. Establecer un molde nanohole (ciclo nanoimprinted polímero de olefina película de plástico, tamaño: 50 mm x 50 mm) en un politetrafluoroetileno (PTFE) contenedor.
  2. Pesar copolímero de vinilmetilsiloxano dimetilsiloxano (0,76 g para el molde de 50 mm × 50 mm) en una botella de vidrio desechable y se mezcla con el complejo de Pt-diviniltetrametildisiloxano (6 l, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) y 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 l, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno).
  3. Añadir copolímero de metilhidrosiloxano dimetilsiloxano (0,24 ml, usando una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) en la botella de vidrio y se mezcla rápidamente con una pipeta de vidrio desechable. Después de la superficie del molde situado en el recipiente PTFE se sopla por N 2, verter la mezcla resultante ("duro" prepolímero PDMS) sobre el molde y comenzar spin-escudoing a 1.000 rpm durante 40 segundos para lograr el espesor de capa de ~ 40 m.
  4. Coloque la muestra spin-revestido en una cámara caliente precalentada a 65 ° C durante 30 min a brevemente reticular las PDMS duros.
  5. Durante el calentamiento, pesar de silicona (6 g) y se mezcla con el catalizador (0,6 g) en una botella de vidrio desechable. Coloque la botella de vidrio en un desecador de vacío y aplicar vacío (~ 133 Pa) durante 15 min para eliminar el aire atrapado en la mezcla de silicona ("suave" prepolímero PDMS).
  6. Sacar el molde y prepolímero PDMS suave de la cámara de calefacción y desecador de vacío, respectivamente, y se vierte rápidamente el PDMS suaves prepolímero sobre el molde calentado. El espesor de la capa de PDMS es suave ~ 3 mm.
  7. Coloque la muestra resultante en el desecador de vacío de nuevo para más de desgasificación en ~ 133 Pa por lo menos durante 1 hora.
  8. Transferir la muestra desgasificada a la cámara de calentamiento y empezar a calentar gradualmente hasta 80 ° C (velocidad de calentamiento ~ 3 ° C / min). Mantener esta temperatura durante 5 horaspara reticular los PDMS duros y blandos por completo.
  9. Después de enfriar la muestra a temperatura ambiente, se despegan los PDMS sello con cuidado del molde. Reutilizar el molde para preparar el segundo (o más) sellos, si es necesario. Nota: El mismo molde se puede utilizar por lo menos cinco veces sin degradación de la calidad del sello.
  10. Cortar el sello nanopilares resultante (de doble capa dura / blanda PDMS compuesto) 27 en piezas de tamaños deseados (normalmente 7 mm x 7 mm para nuestras células solares), utilizando un cuchillo y almacenarlos bajo aire hasta su uso.

2. Preparación del bloque de copolímero Soluciones

  1. Pesar el polvo del bloque de poliestireno poli-2-vinilpiridina (PS-b -P2VP) en una botella de vidrio y se mezcla con o-xileno en una proporción de 3 mg / ml (PS-b -P2VP / o-xileno) .
  2. Se agita la mezcla usando una barra de agitación magnética revestida de PTFE a 70 ° C durante 1 hr.
  3. Mantenga la solución resultante durante más de 24 horas a temperatura ambiente y sin revueloanillo para completar la formación de micelas autoensambladas. Sellar herméticamente la solución y almacenarlo en condiciones ambientales. Nota: La calidad de la solución es la misma, incluso un año después de la preparación.

3. Preparación de μ c-Si: H Sustratos

  1. Vasos Lavado de cubiertas de SnO2: F (denotar vidrio / SnO2: F, en lo sucesivo) con H 2 O (500 ml), detergente (500 ml), y H 2 O (500 ml) a temperatura ambiente usando un baño de ultrasonidos (15 min para cada uno). Secarlos soplando N2.
  2. Cargue el vidrio limpia / SnO2: F sustratos en un soporte de sustrato y depósito de ZnO: GA (20 nm) con un (DC) sistema de corriente continua de pulverización catódica con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
  3. Cargue el vidrio / SnO2: F / ZnO: sustratos Ga en otro soporte de sustrato y μ depósito de c-Si: H p (10 nm), i (500 nm) y n (40 nm) capas utilizando un producto químico mejorado con plasma vapor deposición del sistema (PECVD) con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
  4. Almacenar el resultado μ c-Si: H (vidrio / SnO2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) sustratos al vacío o N 2 hasta la etapa de impresión de transferencia.

4. Ag-recubrimiento de Sellos PDMS

  1. Lave los sellos PDMS (preparado en el paso 1) con EtOH (30 ml) utilizando un baño de ultrasonidos durante 15 minutos y secas soplando N2.
  2. Cargue los sellos PDMS limpiados en un soporte de muestras con cinta adhesiva de doble cara y de depositar una película de Ag (10-80 nm) utilizando un haz de electrones (EB) sistema de evaporación con las condiciones siguientes: tasa de deposición = 5.10 Å / seg, presión = ~ 1,5 × 10 -4 Pa.
  3. Saque los sellos con recubrimiento de Ag del sistema de evaporación EB y utilizarlos inmediatamente en la siguiente etapa de impresión de transferencia.

5. Transferencia de impresión de Ag nanodiscos en delgadapelícula de Si Superficies

  1. Saque la película delgada de Si sustratos almacenados al vacío o N 2 y spin-capa con la solución PD b -P2VP (0,3 ml de 50 mm x 50 mm de la muestra, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) en 5000 rpm durante 40 seg.
  2. Humedezca la superficie con recubrimiento de -P2VP PS-b con EtOH con una pipeta micro digital (5 micras área / célula) y aplicar el PDMS con recubrimiento de Ag sello suavemente a la superficie-EtOH mojado. No presione el sello.
  3. Coloque el sustrato de Si de película delgada con el sello en una cámara de vacío y aplicar vacío (~ 133 Pa).
  4. Después de 5 minutos, llenar la cámara de vacío con el aire y sacar el sustrato de Si de película delgada.
  5. Retire el sello de sustrato de Si de película fina mediante la celebración de un lado tanto de la estampilla con pinzas para transferir-impresión nanodiscos Ag. Nota: Si tiene éxito, la huella de estampación es visible como una mancha verdosa.
  6. Enjuague la película delgada sustrato de Si impreso de transferencia con un flujo continuo de EtOH durante 15 s (~ 30 ml) y se seca mediante soplado N 2.
  7. Retire el revestimiento PS-b-P2VP utilizando un sistema de plasma de Ar.
    1. Coloque la película delgada sustrato de Si impreso de transferencia en la cámara de proceso del sistema de plasma de Ar.
    2. Bombear el aire en la cámara de proceso durante ~ 5 min (presión ~ 20 Pa).
    3. Abrir la válvula de una línea de gas Ar y ajustar manualmente la velocidad de flujo a 4 sccm. Espere para ~ 5 minutos para estabilizar la presión de 40 Pa.
    4. Generar plasma de Ar de 108 seg.
    5. Cierre la válvula de la línea de gas Ar, dejar de bombear, y llenar de aire en la cámara de proceso para sacar los sustratos de Si, de película delgada impresa transferencia plasma limpiado.

6. Finalización de capa fina Si Solar Fabricación celular

  1. Adjuntar máscaras de metal a la película delgada impresa transferencia-Si sustratos después del tratamiento con plasma Ar utilizando cintas de poliamida.
  2. Cargar los substratos enmascarados en un soporte de sustrato de un sistema de pulverización catódica DC y deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), y ZnO: Ga (40 nm) secuencialmente con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
  3. Separe las máscaras de metal de los sustratos y quitar las capas de película delgada de Si enmascarados (es decir, el área donde ZnO: no se depositaron Ga y Ag), utilizando un sistema de grabado por iones reactivos (RIE).
    1. Colocar las muestras en la cámara de proceso del sistema RIE.
    2. Bombear el aire en la cámara de proceso, siguiendo las instrucciones del fabricante.
    3. Establecer las condiciones del proceso como sigue siguiendo las instrucciones del fabricante: SF 6 / O 2 velocidad de flujo = 100/20 sccm, presión = 20 Pa, potencia 100 W, tiempo = 1 min 20 sec.
    4. Abra las líneas de SF 6 y O2 gas, estabilizar la presión, y generar plasma.
    5. Cierre la válvula de la línea de SF 6 y O2 gas, dejar de bombear, y llenar N 2 en la cámara de proceso para sacar las muestras.
  4. Pon elmuestras en una cámara de vacío recocido y comienzan calentando gradualmente hasta 175 ° C bajo vacío (~ 133 Pa). Mantener esta temperatura durante 2 horas, y luego se deja enfriar a temperatura ambiente. Llenar de aire en la cámara y sacar muestras, que ahora pueden ser llamados células.
  5. Aleación a base de Sn-Zn de soldadura sobre el electrodo transparente frontal (vidrio / SnO2: F / ZnO: Ga, la parte expuesta por el tratamiento RIE) usando un dispositivo de soldadura por ultrasonidos.

7. Medición de la eficiencia cuántica externa (EQE)

  1. Adjunte una máscara de protección de luz a una célula fabricada usando cinta de poliamida y establecer la celda enmascarado en un soporte de celda. Conectar sondas para el electrodo frontal soldada (+) y la parte posterior Ag / ZnO: Ga electrodo (-).
  2. Mida espectros EQE usando un sistema de medición EQE siguiendo las instrucciones del fabricante con una gama de longitud de onda y el paso de 300-1,100 nm y 5 nm, respectivamente.

8. Medición de la fotovoltaica actual tensión (JV) Caráctercas

  1. Calibrar la intensidad de la luz de un sistema de medición de las características de riesgo compartido utilizando una celda de referencia de Si amorfo.
    1. Establezca la célula amorfa referencia Si a un soporte de célula del sistema características de medición de riesgo compartido, e iluminar la luz.
    2. Lea la corriente fotogenerada usando un multímetro digital equipado en el sistema de medición de las características de riesgo compartido. Ajuste la intensidad de la luz hasta que la corriente fotogenerada muestra el valor correcto para la celda de referencia (8,34 mA / cm 2).
  2. Adjunte una máscara de protección de luz a una celda y establecer la celda enmascarado en un soporte de celda. Conectar sondas para el electrodo frontal soldada (+) y la parte posterior Ag / ZnO: Ga electrodo (-).
  3. Ilumine la luz calibrada (100 mW / cm 2, 1 sol) en la célula y medir corrientes fotogenerados utilizando el sistema de medición de las características de riesgo compartido siguiendo las instrucciones del fabricante con un escalón de tensión de 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La Figura 2 describe el proceso general para la impresión por transferencia de nanodiscos Ag sobre la superficie de mu c-Si: H (capa n). En resumen, una película de Ag (espesor: de 10-80 nm) se deposita primero sobre la superficie de un sello de PDMS nanopilares por evaporación por haz de electrones. En paralelo, una solución -P2VP PS- b es mediante revestimiento por centrifugación sobre la superficie de un recién preparada mu c-Si: H n capa. Posteriormente, una gotita de EtOH se coloca en la superficie -P2VP recubiertos PS- b, y el sello PDMS-Ag depositado se coloca sobre la superficie de PS- b -P2VP-EtOH húmedo. No es necesario presionar el sello, porque un contacto íntimo entre el sello y sustrato, forma espontáneamente debido a la tensión superficial derivado de la evaporación del EtOH. Después de que el EtOH se evapora de distancia (usando una presión reducida), el sello se libera del sustrato para completar la transferencia de la Ag depositado sobre la región elevada del sello PDMS nanopilares. Por último, unaTratamiento de plasma Ar se lleva a cabo para eliminar el recubrimiento -P2VP PS- b.

En la Figura 3 se escanean imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la Ag gama nanodisk resultante sobre (en) mu c-Si: H. Superficies (células) 26 Figura 3A y 3B son la parte superior y vistas de una misma muestra inclinado. La raíz rugosidad media cuadrada (rms R) del subyacente mu c-Si: H superficie fue de 6,6 nm; Sin embargo, la transferencia de casi completa de la nanodiscos Ag, cuyo diámetro, distancia de centro a centro, y el espesor de las nanodiscos Ag fueron 200, 460 y 40 nm, respectivamente, se logró. La Figura 3C es la vista en sección transversal de un completado mu c-Si: H estructura celular, es decir, después de la deposición (pulverización catódica) de ZnO: Ga / Ag / ZnO: capas Ga en la parte superior de la matriz nanodisk Ag se muestra en la Figura 3A y 3B. El derecho Ag nanodiscos incrustado en la fotovoltaica mu c-Si: H m> p - i - n capas se observa claramente.

Los espectros EQE de las células fabricadas se muestran en la Figura 4 26 En comparación con una célula de referencia (un mu c-Si: de células H fabricado de forma simultánea con saltar el proceso de impresión por transferencia)., El espectro EQE del nanodisk Ag (espesor: 40 nm) celular incorporado mostró señales más altas en el rango de longitud de onda larga (650-1,100 nm). Tal aumento de longitud de onda selectiva indica claramente el efecto preferencial de los nanodiscos plasmonically activos Ag para células solares; es decir, captura la luz plasmónica. La cuantificación del grado de la retención de la luz en el rango 650-1,100 nm observado en la Figura 3 se llevó a cabo mediante la suma de los valores EQE de cada célula y tomando la proporción de ellos (célula a célula / referencia incorporado-nanodisk Ag). El valor fue de 1,60; Por lo tanto, el 60% de aumento EQE se logró la captura de luz plasmónica mediada nanodisk Ag.

ent "> Tabla 1 se resumen las características fotovoltaicas de las células nanodisk-incorporado y de referencia de Ag. 26 Se confirmó, como se esperaba, que la densidad de corriente de cortocircuito (J sc) de la célula incorporado-nanodisk Ag aumentó en comparación con la de la célula de referencia (11.4 a 12,4 mA / cm 2) a causa de la mejora EQE descrito anteriormente. En cuanto a la tensión en circuito abierto (V oc) y factor de llenado (FF), los de las dos células eran casi la misma (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Como consecuencia, la eficiencia de fotoconversión (η) de la célula constituida nanodisk-Ag mejorado (4,5% a 5,0%).

Figura 1
Figura 1. Esquema Cross-sección de un incorporado-nanodisk Ag mu c-Si:. Nanodiscos célula solar H El Ag localiza en el lado posterior de la mu c-Si: H de células solares.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
La Figura 2. Procedimiento general para la impresión de transferencia de recubierto de Ag Ag nanodiscos. El sello de nanopilares PDMS se aplica sobre el sustrato de Si de película fina recubierta de -P2VP PS- b cuya superficie es mojada con EtOH. Se aplica un tratamiento de plasma de Ar para eliminar el revestimiento PS-b-P2VP y para exponer la capa de Si de película delgada. Después de este proceso, ZnO: Ga / Ag / ZnO: capas Ga deben ser depositados en la parte superior de los nanodiscos Ag impreso de transferencia-para completar toda la estructura de la célula solar se muestra en la Figura 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .


Figura 3. Imágenes de SEM de Transfer-Impreso Ag nanodiscos (diámetro = 200 nm, espesor = 40 nm) (A) Vista superior de impreso de transferencia-nanodiscos Ag en un mu c-Si:. Superficie H. (B) Vista inclinada del impreso de transferencia-nanodiscos Ag en un mu c-Si: H superficie. (C) transversal vista de nanodiscos Ag impreso de transferencia-(tamaño: 200 nm) incrustado en una mu c-Si:. Celular H 26 Derechos de Autor 2014 La Sociedad Japonesa de Física Aplicada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura .

Figura 4
Figura 4. EQE Spectra de mu c-Si:. Células H (línea azul) Ag nanodisk (ND) -incorporated celular. (Rojo línea discontinua)Referencia celular. 26 respuestas mejoradas se observaron con la línea azul debido a la retención de la luz mediada-ND Ag. Esta cifra ha sido modificado desde Ref. 26. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Tabla 1. Resumen de Fotovoltaica JV Características de mu c-Si: H células.

Tipo de la célula J sc (mA / cm 2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk incorporada 12.4 0,526 0,764 5
Referencia 11.4 0,521 0,763 4.5


Tabla 2. Condiciones de deposición.

; "> Flujo de Ar = 200 sccm, presión = 0.133 Pa, DC = 100 W de potencia, muestra de rotación = 10 rpm, velocidad de depósito = ~ 6 A / seg.
Pasos Sistema de deposición Materiales Condiciones
3.2 Farfulla ZnO: Ga Ar tasa = 200 sccm, presión = 0,133 fluir Pa, DC = 200 W de potencia, muestra de rotación = 10 rpm, velocidad de depósito = ~ 3,3 Å / seg.
3.3 ECV mu c-Si: H p Velocidad de flujo de SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm, temperatura del substrato = 140 ° C, presión = 1,5 torr, la frecuencia de radio (RF) densidad de potencia = 80 mW / cm 2, tiempo de deposición = 5 min 45 seg (tasa = ~ 0,3 Å / seg).
mu c-Si: H i Caudal de SiH4 / H2 = 10,5 / 380 sccm, la temperatura del sustrato = 180 ° C, presión = 200 Pa, la densidad de potencia de RF = 40 mW / cm 2, tiempo de deposición = 1 hora 2 minutos (velocidad = ~ 1,3 Å / sec).
mu c-Si: H n Velocidad de flujo de SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 sccm, temperatura del substrato = 195 ° C, presión = 40 Pa, la densidad de potencia RF = 80 mW / cm 2, tiempo de deposición = 23 min (velocidad = ~ 0,3 Å / seg).
6.2 Farfulla ZnO: Ga Flujo de Ar = 200 sccm, presión = 0.133 Pa, DC = 200 W de potencia, muestra de rotación = 10 rpm, velocidad de depósito = ~ 3,3 Å / seg.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En este artículo, un / PDMS blandos dura compuesta de doble capa se empleó como material de sellos. 27 Esta combinación resultó ser esencial para replicar con precisión la nanoestructura de los padres en el molde, que era una matriz de agujero redondo hexagonal close-embalado cuyo diámetro de 230 nm, la profundidad de 500 nm, y el agujero espaciamiento de centro a centro de 460 nm. Cuando se utilizó sólo PDMS suaves, el sello siempre dio lugar a una superficie mal nanoestructurados (por ejemplo, no borde afilado en la estructura de pilares invertida) debido a que el módulo de Young bajo; 28 por lo tanto, la impresión de transferencia de nanodiscos Ag nunca fue alcanzable.

El uso de copolímero de bloque de spin-revestido (PS- b -P2VP) películas delgadas como capas de unión es otra clave para la impresión de transferencia exitosa en la mu c-Si: H, superficies que no son lisas (rms R = ~ 6,6 nm). Aunque la transferencia de impresión de estructuras metálicas fue desarrollado originalmente usando pequeñas moléculas orgánicas which forma monocapas autoensambladas (SAMs) en superficies, 29 se encontró que el uso de SAM (3-mercaptopropiltrimetoxisilano) no funciona para las (ligeramente) textura mu c-Si: H superficies. Además, la formación de SAMs con buena calidad requiere tiempo (~ un par de horas), mientras que nuestro proceso requiere menos de 1 min (40 sec mediante revestimiento por rotación). Este punto puede ser importante para los materiales que necesitan operaciones rápidas para evitar eventos superficiales desfavorables, tales como la formación de exceso de óxidos o contaminaciones.

Los roles de EtOH en la impresión de transferencia también debe hacerse hincapié. La primera función es, como ya se ha descrito, para ayudar a la formación del contacto íntimo entre la superficie de sello y de destino mediante la tensión superficial después de la evaporación. La segunda función es reconstruir la película delgada PS- b -P2VP, lo que asegura la captación de metales (AG) sobre la PDMS sellos a través de la formación de enlaces de coordinación de metal-piridina. 25 Creemos que sUCH evento dinámico en la interfaz Sello / sustrato es esencial para la impresión por transferencia sobre todo en superficies texturadas.

Cuando la impresión por transferencia por procedimiento anterior no tuvo éxito, la razón era en su mayoría en los sellos empleados. Desde contacto conforme entre un sello y un sustrato es crítica, la planitud de la superficie de la estampa es muy importante. La llanura está determinada por el estado de un molde inicial; por lo tanto, una vez que falla la impresión por transferencia, que sería el momento para cambiar el molde. Según nuestra experiencia, el número de veces un molde puede ser reutilizado es de cinco, pero se incrementaría en la limpieza y el almacenamiento del molde apropiado. Planitud de un sello también tendría un impacto significativo en el área que puede ser transferencia impresa de manera uniforme. En este respecto, hemos demostrado un patrón 20 mm × 20 mm escala con un sello preparado a partir de un molde fresco. 25

En cuanto al diseño del modelo de molde / sello,estructuras / pilar de orificios redondos con el diámetro de 230/200 nm se emplea (el diámetro más pequeño del pilar es debido a la forma cónica del agujero original). Esta elección fue simplemente porque dicho molde (película de plástico nanoimprinted) estaba disponible comercialmente, y no fue el fabricado específicamente para nuestra aplicación célula solar. Esto a su vez significa que hay mucho espacio para los diseños de patrones, lo que llevaría a mucha habilidad luz captura superior en comparación con el resultado que se muestra aquí. En este sentido, el uso de la simulación óptica sería útil para buscar mejores patrones. Aunque la fabricación de moldes reales (probablemente por litografía por haz de electrones) puede ser costoso, una vez fabricado, los sellos correspondientes pueden ser replicados tantas veces como sea necesario. Por lo tanto, el coste total del proceso se puede suprimir de manera significativa, que es la gran ventaja de los enfoques de impresión por transferencia.

En términos de la transferencia de metales imprimible por el procedimiento descrito sue, Au, Cu y Ni fueron confirmados para ser aplicable. Debe mencionarse que ninguno de estos metales proporcionan mejores efectos de captura de luz en comparación con el caso de Ag. Otro metal probado era Al, que es considerado como un buen candidato para aplicaciones de luz de captura plasmónicas. 30 Se encontró, sin embargo, que la impresión de transferencia de Al no tiene éxito, posiblemente debido a la fuerte afinidad con PDMS. Por lo tanto, las modificaciones de PDMS superficies 31 pueden ser necesarios para facilitar la impresión de transferencia mediante la reducción de la interacción entre PDMS y depositó Al.

Aparte de mu c-Si: H, el método se puede utilizar con una variedad de materiales, incluyendo (con textura) superficies muy rugosas (R rms ≥ 20 nm) 25 De hecho, hemos abordado previamente la posibilidad de texturización sinérgico / plasmon-. mediada captura la luz mediante la fabricación de las células con el vidrio con textura Sno / 2:. sustratos F 17 Además, un parecido efe luz atrapamientoct se ha documentado el uso de células de Si amorfo hidrogenado. 32 Otros materiales tecnológicamente importantes, tales como cristalina Si, GaAs, InP, y óxidos metálicos, también son compatibles con el método, y por lo tanto más aplicaciones de dispositivos (no sólo para las células solares) sería esperado.

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