Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door Transfer Printing

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

Er is al lang een vraag naar de toepassing van functionele nanostructuren in een breed scala van technologisch gebied. Een van de verwachtingen voor deze trend is om nieuwe ontwerp van het apparaat architecturen leidt tot verbeterde of vernieuwende voorstellingen te openen. Op het gebied van zonnecellen, bijvoorbeeld, het gebruik van metalen nanostructuren is actief onderzocht vanwege hun intrigerende optische (bijv plasmonische) eigenschappen, 1 mogelijk gunstige effectieve licht vangsystemen construeren. 2,3 immers enkele theoretische studies 4 -6 hebben gesuggereerd dat dergelijke plasmonische licht trapping effecten overschrijding van de conventionele ray optische (texturen) -gebaseerde lichtgrens trapping. 7 Daardoor konden bereiken, het ontwikkelen van strategieën om de gewenste metalen nanostructuren te integreren met zonnecellen is steeds belangrijker geworden om deze te realiseren theoretische voorspellingen.

Een aantal strategieënvoorgesteld om deze uitdaging. 8-24 Deze omvatten bijvoorbeeld eenvoudige (low-cost) thermisch gloeien van metaalfolies 8,9 of dispersie van pre-gesynthetiseerde metaal nanodeeltjes, 10,11 beide resulteerde in succesvolle demonstraties plasmonische light trapping. Er moet echter worden opgemerkt dat de metalen nanostructuren vervaardigd door deze benaderingen doorgaans uitdagen aan te passen aan de theoretische modellen. In tegenstelling tot de traditionele nanofabricage technieken halfgeleiderindustrie, zoals fotolithografie en electron beam lithografie, 12,13 kan controlestructuren ver onder de sub-100 nm niveau, maar ze zijn vaak te duur en tijdrovend te passen op zonnecellen, waar grote-area vermogen met lage kosten is essentieel. Om de low-cost, high-throughput en groot oppervlak eisen nanoschaal beheersbaarheid, werkwijzen zoals nanoimprint lithografie, 14-16 zachte lithografie, 17,18 vervullen 19-21 en hole-masker colloïdale lithografie 22-24 zou veelbelovend. Onder deze keuzes, hebben we een zachte lithografische, geavanceerde transferdruk ontwikkelde techniek. 25 Met een nanogestructureerde poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) stempels en blokcopolymeer gebaseerde kleeflagen kan patroonvorming van gelast metalen nanostructuren gemakkelijk worden bereikt op een aantal technologisch relevant materiaal, inclusief die voor zonnecellen.

De focus van dit artikel is om de gedetailleerde procedure van onze transfer printen aanpak beschrijven effectieve licht trapping plasmonische nanostructuren te nemen in bestaande zonnecellen structuren. Als demonstratief geval Ag nanodisks en dunne-film gehydrogeneerd microkristallijn Si (uc-Si: H) zonnecellen werden geselecteerd in deze studie (figuur 1), 26 hoewel andere soorten metalen en zonnecellen verenigbaar zijn met deze benadering. Samen met zijn proceseenvoud, zou de aanpak van belang zijn voor diverse onderzoekers als een handig hulpmiddel om functionele metalen nanostructuren te integreren met apparaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bereiding van PDMS Stamps

  1. Stel een nanohole mal (nanoimprinted cyclo alkeenpolymeer plastic film, grootte: 50 mm x 50 mm) in een polytetrafluorethyleen (PTFE) houder.
  2. Weeg vinylmethylsiloxan-dimethylsiloxaan copolymeer (0,76 g voor de 50 mm × 50 mm schimmel) in een wegwerp glazen fles en meng het met Pt-divinyltetramethyldisiloxaan complex (6 pl, met behulp van een digitale micro-pipet met een wegwerp polypropyleen tip) en 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ui, met behulp van een digitale micro-pipet met een wegwerp polypropyleen tip).
  3. Add methylhydrosiloxane-dimethylsiloxaan copolymeer (0,24 ml, met behulp van een digitale micro-pipet met een wegwerp polypropyleen tip) in de glazen fles en meng het snel met behulp van een wegwerp glazen pipet. Nadat het oppervlak van de in de houder PTFE matrijs geblazen door N2, giet het resulterende mengsel ("hard" PDMS prepolymeer) op de mal en begint spin-coating bij 1000 tpm gedurende 40 seconden om de dikte van ~ 40 urn bereiken.
  4. Plaats de spin beklede monster in een hete kamer voorverwarmd bij 65 ° C gedurende 30 min kort verknopen de harde PDMS.
  5. Tijdens het verwarmen, wegen silicone (6 g) en meng het met katalysator (0,6 g) in een wegwerpbare glazen fles. Plaats de fles in een vacuümexsiccator en toepassen vacuum (~ 133 Pa) gedurende 15 min aan de lucht in de silicone mengsel ("soft" PDMS-prepolymeer) te verwijderen.
  6. Neem de vorm en zachte PDMS prepolymeer uit de droogstoof en vacuümexsiccator, respectievelijk, en snel giet de zachte PDMS prepolymeer op de verwarmde mal. De dikte van de zachte PDMS laag ~ 3 mm.
  7. Plaats het verkregen monster in vacuüm exsiccator weer verdere ontgassing bij ~ 133 Pa tenminste gedurende 1 uur.
  8. Breng het monster ontgast om de verwarmingskamer en start geleidelijk opwarmen tot 80 ° C (verwarmingssnelheid ~ 3 ° C / min). Houd deze temperatuur gedurende 5 uurte verknopen de harde en zachte PDMS volledig.
  9. Na afkoeling van het monster tot op RT, trek het PDMS stempel voorzichtig uit de mal. Hergebruik de vorm om de tweede (of meer) zegels te bereiden, indien nodig. Opmerking: Dezelfde vorm kan ten minste vijf keer gebruiken zonder verslechtering van de kwaliteit stempel.
  10. Snijd de resulterende nanopillar stempel (dubbellaags hard / zacht PDMS composiet) 27 in stukken van de gewenste maten (meestal 7 mm x 7 mm voor onze zonnecellen) met behulp van een mes en bewaar ze onder lucht tot gebruik.

2. Bereiding van blokcopolymeer Solutions

  1. Weeg het poeder van polystyreen-blok-poly-2-vinylpyridine (PS- -P2VP b) in een glazen fles en mengen met o-xyleen in een verhouding van 3 mg / ml (PS b -P2VP / o-xyleen) .
  2. Roer het mengsel onder toepassing van een PTFE-beklede magnetische roerstaaf bij 70 ° C gedurende 1 uur.
  3. Bewaar de verkregen oplossing gedurende meer dan 24 uur bij kamertemperatuur zonder roerring van de vorming van zelf-geassembleerde micellen voltooien. Goed af, de oplossing en bewaar het onder omgevingsomstandigheden. Opmerking: De kwaliteit van de oplossing onveranderd zelfs één jaar na de bereiding.

3. Bereiding van μ c-Si: H Substraten

  1. Was glazen bedekt met SnO 2: F (duiden glas / SnO 2: F hierna) met H2 O (500 ml), detergent (500 ml) en H2O (500 ml) bij KT onder toepassing van een ultrasoon bad (15 min elk). Droog ze door te blazen N2.
  2. Laad het gereinigde glas / SnO 2: F substraten in een substraathouder en deposit ZnO: Ga (20 nm) met een gelijkstroom (DC) sputtersysteem met de in tabel 2 omstandigheden.
  3. Plaats de glazen / SnO 2: F / ZnO: Ga substraten in een substraathouder en borg μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm) en n (40 nm) lagen met behulp van een plasma geassisteerde chemische vapor deposition (PECVD) systeem met de in tabel 2 omstandigheden.
  4. Slaan de resulterende μ c-Si: H (glas / SnO2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substraten onder vacuüm of N2 totdat de transfer-printen stap.

4. Ag-coating PDMS Stamps

  1. Was de PDMS stempels (bereid in stap 1) met EtOH (30 ml) met behulp van een ultrasoon bad gedurende 15 minuten en droog te blazen N2.
  2. Laad de gereinigde PDMS stempels op een monsterhouder met dubbelzijdig plakband en storten een Ag film (10-80 nm) met behulp van een elektronenbundel (EB) verdamping systeem met de volgende voorwaarden: afzetting = 10/05 A / sec, druk = ~ 1,5 x 10 -4 Pa.
  3. Neem de Ag-gecoate stempels van de EB verdamping systeem en onmiddellijk gebruiken in de volgende transfer printen stap.

5. Transfer Printing van Ag Nanodisks op Dunfilmschakelingenfilm Si Oppervlakken

  1. Neem de dunne-film Si substraten opgeslagen onder vacuüm of N2 en spin-jas met de PS- b -P2VP-oplossing (0,3 ml voor 50 mm × 50 mm, met gebruik van een digitale micro-pipet met een wegwerp polypropyleen tip) in 5000 tpm gedurende 40 sec.
  2. Bevochtig de PS- b -P2VP-gecoate oppervlak met EtOH met een digitale micro pipet (5 micrometer / cel gebied) en toepassing van de Ag-gecoate PDMS stempel zachtjes op de EtOH-natte ondergrond. Druk niet op de stempel.
  3. Plaats de dunne-film Si-substraat met het stempel in een vacuümkamer en toepassen vacuum (~ 133 Pa).
  4. Na 5 min, vul de vacuümkamer met lucht en neem de dunne-film Si-substraat.
  5. Verwijder de stempel van de dunne-film Si-substraat door het vasthouden van de beide zijden van de stempel met een pincet om Ag nanodisks-print overdragen. Opmerking: Als dat lukt, het spoor van stempelen is zichtbaar als een groene plek.
  6. Spoel de overdracht bedrukte dunne-film Si-substraat met een continue stroom van EtOH van 15 sec (~ 30 ml) en droog door blazen N2.
  7. Verwijder de PS-b-P2VP coating via een Ar plasmasysteem.
    1. Plaats de overdracht bedrukte dunne-film Si-substraat in de proceskamer van de Ar plasmasysteem.
    2. Pomp de lucht in de proceskamer gedurende ~ 5 min (druk ~ 20 Pa).
    3. Open de klep van een Ar gasleiding en handmatig aanpassen van het debiet tot 4 SCCM. Wacht ~ 5 min de druk 40 Pa te stabiliseren.
    4. Genereren Ar plasma voor 108 sec.
    5. Sluit het ventiel van de Ar gasleiding, stop pompen, en vul de lucht in de proceskamer tot het afsluiten van de plasma-gereinigd, transfer bedrukte dunne-film Si substraten.

6. Voltooiing van dunne-film Si zonnecel Fabrication

  1. Hechten metalen maskers om de transfer bedrukte dunne-film Si substraten na de Ar plasma behandeling met polyimide tapes.
  2. Laad de gemaskeerde substraat in een substraathouder van een DC sputteren systeem depositarist ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), en ZnO: Ga (40 nm) met achtereenvolgens de in tabel 2 omstandigheden.
  3. Maak de metalen maskers uit de substraten en verwijder de gemaskerde dunne-film Si lagen (dat wil zeggen, het gebied waar ZnO: Ga en Ag niet werden afgezet) met behulp van een reactief ionen etsen (RIE) systeem.
    1. Plaats de monsters in de proceskamer van de RIE systeem.
    2. Pomp de lucht in de proceskamer volgende instructies van de fabrikant.
    3. Stel de procesomstandigheden als volgt na instructies van de fabrikant: SF 6 / O 2 debiet = 100/20 SCCM, druk = 20 Pa, vermogen 100 W, tijd = 1 min 20 sec.
    4. Open de SF 6 en O 2 gasleidingen, het stabiliseren van de druk, en het genereren van plasma.
    5. Sluit de klep van de SF 6 en O 2 gasleiding, stop pompen, en vul N2 in de proceskamer te nemen van de monsters.
  4. Zet demonsters in een vacuüm-annealing kamer en beginnen langzaam verwarmen tot 175 ° C onder vacuüm (~ 133 Pa). Houd deze temperatuur gedurende 2 uur, en laat afkoelen tot kamertemperatuur. Vul lucht in de kamer en nemen monsters, die nu cellen worden genoemd.
  5. Soldeer Sn-Zn-gebaseerde legering aan de voorzijde transparante elektrode (glas / SnO 2: F / ZnO: Ga, het blootgestelde deel van de RIE behandeling) via een ultrasone soldeerinrichting.

7. Meting van externe Quantum Efficiency (EQE)

  1. Bevestig een licht-afschermende masker om een ​​gefabriceerde cel met behulp van polyimide tape en zet de gemaskerde cel in een cel houder. Sluit probes naar voren gesoldeerd elektrode (+) en terug Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  2. Meet EQE spectra met behulp van een EQE meetsysteem volgens de instructies van de fabrikant met een golflengtebereik en stap van 300-1,100 nm en 5 nm, respectievelijk.

8. Meting van fotovoltaïsche Current-Voltage (JV) Characterschappen

  1. Kalibreren van de lichtintensiteit van een JV karakteristieken meetsysteem met behulp van een amorfe Si celverwijzing.
    1. Stel de amorfe Si celverwijzing naar een cel houder van de JV karakteristieken meetsysteem, en verlicht het licht.
    2. Lees de photogenerated huidige gebruik van een digitale multi-meter voorzien in de JV karakteristieken meetsysteem. Pas de lichtintensiteit totdat de photogenerated huidige toont de juiste waarde voor de referentie cel (8,34 mA / cm2).
  2. Bevestig een licht-afschermende masker naar een cel en zet de gemaskerde cel in een cel houder. Sluit probes naar voren gesoldeerd elektrode (+) en terug Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  3. Verlichten de gekalibreerde licht (100 mW / cm 2, 1 zon) op de cel en meet photogenerated stromingen met behulp van de JV karakteristieken meetsysteem volgens de instructies van de fabrikant met een spanning stap van 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2 schetst de algemene werkwijze voor de transfer printen van Ag nanodisks op het oppervlak van uc-Si: H (n layer). In het kort, een Ag-film (dikte: 10-80 nm) eerst afgezet op het oppervlak van een nanopillar PDMS stempel met elektronenstraal verdamping. Daarnaast werd een PS- b -P2VP oplossing spin-coating op het oppervlak van een vers bereide uc-Si: H-laag. Vervolgens wordt een druppel EtOH die op de PS- b--P2VP gecoate oppervlak, en de Ag-afgezette PDMS stempel op EtOH natte PS- b -P2VP oppervlak geplaatst. Geen dringende name de stempel, omdat een innig contact tussen de stempel en substraat spontaan vormt vanwege de oppervlaktespanning afkomstig van de verdamping van EtOH. Nadat het EtOH ingedampt afstand (met een verlaagde druk), wordt het stempel uit het substraat afgegeven aan de overdracht van de Ag afgezet op het verhoogde gebied van het nanopillar PDMS stempel voltooien. Ten slotte is eenAr plasma behandeling wordt uitgevoerd om de PS- b -P2VP coating te verwijderen.

Afgebeeld in figuur 3 zijn scanning elektronenmicroscopie (SEM) opnamen van de resulterende Ag nanodisk array op (in) uc-Si:. H oppervlakken (cellen) 26 Figuur 3A en 3B zijn de bovenste en schuine aanzichten van een zelfde monster. De kwadratisch gemiddelde ruwheid (R rms) van de onderliggende uc-Si: H oppervlakte was 6,6 nm; niettemin nagenoeg volledige overdracht van de Ag nanodisks, waarvan de diameter, hart-op-hart afstand en de dikte van de Ag nanodisks waren 200, 460 en 40 nm, respectievelijk gerealiseerd. Figuur 3C is de dwarsdoorsnede van een voltooide uc-Si: H celstructuur, dat wil zeggen na de depositie (sputteren) van ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lagen bovenop de Ag nanodisk matrix getoond in figuur 3A en 3B. De embedded Ag nanodisks direct aan de fotovoltaïsche uc-Si: H m> p - i - n lagen werden duidelijk waargenomen.

De EQE spectra van de gefabriceerde cellen worden getoond in Figuur 4 26 Vergeleken met een referentiecel (a uc-Si: H cellen tegelijk vervaardigd met overslaan van de overdracht drukproces). Het EQE spectrum van de Ag nanodisk (dikte: 40 nm) opgenomen cel werden hogere signalen in de lange golflengte (650-1,100 nm). Dergelijke golflengte-selectieve verbetering duidelijk aangegeven de preferentiële effect van de plasmonically-actieve Ag nanodisks voor zonnecellen; namelijk plasmonische licht trapping. Kwantificering van de mate waarin het licht trapping in het 650-1,100 nm waargenomen in figuur 3 werd uitgevoerd door het optellen van de EQE waarden van elke cel en het nemen van de verhouding daarvan (Ag nanodisk-opgenomen cel / referentiecel) uitgevoerd. De prijs was 1,60; Daarom werd 60% EQE toename bereikt door de Ag nanodisk-gemedieerde plasmonische light trapping.

ent "> Tabel 1 vat de fotovoltaïsche eigenschappen van de Ag-nanodisk opgenomen en referentiecellen. 26 Bevestigd werd, zoals verwacht, dat de kortsluitstroom dichtheid (J sc) van het Ag nanodisk-opgenomen cel verhoogd vergeleken met die van de referentiecel (11,4 om 12,4 mA / cm2) door de EQE enhancement hierboven beschreven. Voor de open circuit voltage (V oc) en vullinggraad (FF), die van de twee cellen waren vrijwel gelijk (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Bijgevolg, het fotoconversie efficiëntie (η) van de Ag-nanodisk opgenomen cell verbeterde (4,5% tot 5,0%).

Figuur 1
Figuur 1. Schematische dwarsdoorsnede van een Ag-nanodisk opgenomen uc-Si:. H zonnecel De Ag nanodisks lokaliseert aan de achterzijde van de uc-Si: H zonnecel.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Algemene procedure voor de overdracht drukken van Ag Nanodisks. De Ag beklede nanopillar PDMS stempel aangebracht op de PS- b -P2VP-beklede dunne film Si-substraat waarvan het oppervlak nat met EtOH. Ar plasmabehandeling wordt toegepast op de PS-b-P2VP coating te verwijderen en de dunne-film Si laag bloot te leggen. Na dit proces ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lagen moeten worden afgezet op de top van de overdracht gedrukte Ag nanodisks om de hele zonnecel structuur in figuur 1 te voltooien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .


Figuur 3. SEM afbeeldingen van Transfer-Gedrukt Ag Nanodisks (diameter = 200 nm, dikte = 40 nm) (A) Bovenaanzicht van de overdracht gedrukte Ag nanodisks op een uc-Si:. H oppervlak. (B) Gekantelde weergave van overdracht gedrukte Ag nanodisks op een uc-Si: H oppervlak. (C) Dwarsdoorsnede van overdracht gedrukte Ag nanodisks (grootte: 200 nm) ingebed in een uc-Si:. H cel 26 Copyright 2014 The Japan Society of Applied Physics. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .

Figuur 4
Figuur 4. EQE Spectra van uc-Si:. H-cellen (blauwe lijn) Ag nanodisk (ND) -incorporated cel. (Rode stippellijn)Celverwijzing. 26 Verbeterde reacties werden waargenomen met de blauwe lijn als gevolg van de Ag ND-gemedieerde light trapping. Dit cijfer is aangepast van Ref. 26. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


Tabel 1. Samenvatting van Fotovoltaïsche JV Kenmerken van uc-Si: H cellen.

Celtype Sc J (mA / cm2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-opgenomen 12.4 0,526 0,764 5
Referentie 11.4 0,521 0,763 4.5


Tabel 2. neerslagomstandigheden.

; "> Ar stroom = 200 SCCM, druk = 0,133 Pa, DC = 100 W, monster rotatie = 10 rpm, neersmeltsnelheid = ~ 6 A / sec.
Stappen Depositie systeem Materialen Voorwaarden
3.2 Sputteren ZnO: Ga Ar debiet = 200 SCCM, druk = 0,133 Pa, DC = 200 W, monster rotatie = 10 rpm, neersmeltsnelheid = ~ 3.3 / sec.
3.3 CVD uc-Si: H p Stroomsnelheid van SiH4 / H2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm substraattemperatuur = 140 ° C, druk = 1,5 torr, radiofrequentie (RF) vermogensdichtheid = 80 mW / cm 2, depositietijd = 5 min 45 sec (rate = ~ 0,3 A / sec).
uc-Si: H i Debiet van SiH4 / H 2 = 10,5 / 380 SCCM, substraat temperatuur = 180 ° C, druk = 200 Pa, RF vermogensdichtheid = 40 mW / cm2, depositie tijd = 1 uur 2 min (rate = ~ 1.3 Å / sec).
uc-Si: H n Debiet van SiH4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 SCCM, substraat temperatuur = 195 ° C, druk = 40 Pa, RF vermogensdichtheid = 80 mW / cm2, depositie tijd = 23 min (rate = ~ 0,3 A / sec).
6.2 Sputteren ZnO: Ga Ar stroom = 200 SCCM, druk = 0,133 Pa, DC = 200 W, monster rotatie = 10 rpm, neersmeltsnelheid = ~ 3.3 / sec.
Een G

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In dit artikel werd een dubbel-gelaagde hard / zacht PDMS samengestelde gebruikt als stempel materialen. 27 Deze combinatie bleek essentieel te zijn voor de ouder nanostructuur precies repliceren in de vorm, waarin een hexagonaal close-verpakt ronde gaten array waarvan de diameter was van 230 nm, de diepte van 500 nm en hole hart op hart afstand van 460 nm. Wanneer slechts zachte PDMS gebruikt, het stempel steeds resulteerde in een slecht nanogestructureerde oppervlak (bijvoorbeeld geen scherpe rand in de omgekeerde pijlerstructuur) vanwege de lage elasticiteitsmodulus, 28 derhalve transfer printen van Ag nanodisks is niet haalbaar.

Het gebruik van spinbekleed blokcopolymeer (PS- b -P2VP) dunne films bindende lagen is een sleutel voor succesvolle overdracht afdrukken op de uc-Si: H oppervlakken niet glad zijn (R rms = ~ 6,6 nm). Hoewel de transfer-printen van metalen structuren die oorspronkelijk werd ontwikkeld met behulp van kleine organische moleculen which vormt zelf-geassembleerde monolagen (SAMs) op oppervlakten 29 vonden we dat het gebruik van monolagen (3-mercaptopropyltrimethoxysilaan) werkt niet voor de (licht) getextureerde uc-Si: H oppervlakken. Daarnaast is de vorming van SAM's met goede kwaliteit kost tijd (~ enkele uren), terwijl onze werkwijze minder dan 1 min (40 sec door middel van spin coating) vereist. Dit punt zou kunnen zijn van belang voor materialen die een snelle operaties moeten ongunstige oppervlakte gebeurtenissen, zoals de vorming van overtollige oxiden of besmettingen te voorkomen.

De rollen van EtOH in transfer printen moet ook worden benadrukt. De eerste functie is, zoals reeds beschreven, de vorming van het innig contact tussen de stempel en het doeloppervlak met behulp van de oppervlaktespanning bij verdamping staan. De tweede taak de PS- b -P2VP dunne film, waarbij het ​​vangen van metalen (Ag) op PDMS zegels zorgt door de vorming van metaal-pyridine coördinatie bindingen reconstrueren. 25 We geloven dat such dynamische evenement op de stempel / substraat-interface is essentieel voor de transfer printen vooral op gestructureerde oppervlakken.

Wanneer de transfer printen door bovenstaande procedure is mislukt, de reden was meestal in postzegels gebruikt. Aangezien conform contact tussen een stempel en een substraat kritisch, de vlakheid van het oppervlak van de stempel is belangrijk. De vlakheid wordt bepaald door de status van een oorspronkelijke matrijs; Daarom, zodra transfer printen mislukt, zou de tijd voor het veranderen van de schimmel. Volgens onze ervaring, het aantal keren dat een schimmel kan worden hergebruikt vijf, maar het zou worden verhoogd door geschikte reiniging en opslaan van de matrijs. Vlakheid van een stempel zou ook een aanzienlijke impact hebben op het gebied dat gelijkmatig-overdracht gedrukt kan worden. In dit opzicht hebben we een 20 mm x 20 mm schaal patroon met een stempel vervaardigd uit een nieuw matrijs aangetoond. 25

Als voor de patroon ontwerp van de mal / stempel,ronde gaten / zuil structuren met de diameter van 230/200 nm werden toegepast (de kleinere diameter van de pijler vanwege de conische vorm van de oorspronkelijke gat). Deze keuze was gewoon omdat een dergelijke vorm (nanoimprinted plastic folie) commercieel beschikbaar was, en het was niet de een speciaal vervaardigd om onze zonnecel applicatie. Dit op zijn beurt betekent dat er voldoende ruimte voor patroon ontwerpen, die zou leiden tot een veel beter licht trapping vermogen ten opzichte van de hier getoonde resultaat. In dit opzicht zou het gebruik van optische simulatie nuttig zijn om betere patronen zoeken. Hoewel de fabricage van werkelijke mallen (waarschijnlijk door electron beam lithografie) dure, eenmaal gefabriceerd kan worden, kan de bijbehorende stempels worden herhaald zo vaak als nodig. Aldus kan de totale proceskosten aanzienlijk onderdrukt, wat het grote voordeel van transferdruk benaderingen.

In termen van de metalen overdracht bedrukbare de procedure beschreven haare, Au, Cu en Ni werden bevestigd toepassing. Opgemerkt wordt dat geen van deze metalen beter licht ontvangen trapping effecten in vergelijking met het geval van Ag. Een ander metaal testte was Al, die wordt beschouwd als een goede kandidaat voor plasmon licht trapping applicaties. 30 Het bleek echter dat transfer printen van Al mislukt, mogelijk vanwege de sterke affiniteit met PDMS. Daarom modificaties van PDMS oppervlakken 31 kan worden verzocht transferdruk vergemakkelijken door het verminderen van de interactie tussen PDMS en gedeponeerd Al.

Anders dan uc-Si: H, kan de werkwijze worden gebruikt met een verscheidenheid aan materialen, waaronder zeer ruw (gestructureerde) oppervlakken (R rms ≥ 20 nm) 25 In feite hebben we eerder het mogelijk synergetische texturing aangepakt / plasmon-. gemedieerd light trapping door het fabriceren van de cellen met geweven glas / SnO2:. F substraten 17 Daarnaast is er een soortgelijke licht trapping effect werd gedocumenteerd onder gehydrogeneerd amorf Si cellen. 32 Andere technologisch belangrijke materialen, zoals kristallijne Si, GaAs, InP, en metaaloxiden, zijn ook compatibel met de werkwijze en daardoor verdere inrichting toepassingen (niet alleen voor zonnecellen) zou verwacht.

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