Integration af Light fældefangst Sølv Nanostrukturer i hydrogeneret Mikrokrystallinsk silicium solceller ved 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

Der har været et mangeårigt krav om anvendelse af funktionelle nanostrukturer i en bred vifte af teknologiske område. En af forventningerne til denne tendens er at åbne nye design af enhedens arkitekturer, der fører til forbedrede eller nyskabende forestillinger. På området for solceller, for eksempel anvendelse af metal nanostrukturer har været aktivt undersøgt på grund af deres spændende optiske (dvs. plasmoniske) egenskaber, 1 potentielt gavnlig til at konstruere effektive lys fældefangst systemer. 2,3 Faktisk er nogle teoretiske studier 4 -6 har foreslået, at sådanne plasmoniske lys fældefangst kunne opnå effekter overstiger de konventionelle ray optik (texturering) -baseret lys fældefangst grænse. 7 Som et resultat, udvikle strategier til at integrere de ønskede metal nanostrukturer med solceller er blevet stadig vigtigere for at realisere disse teoretiske forudsigelser.

En række strategier harblevet foreslået for at imødekomme denne udfordring. 8-24 Disse omfatter for eksempel, enkel (billig) termisk udglødning af metal-film 8,9 eller dispersion af præ-syntetiseret metal nanopartikler, 10,11 som begge resulterede i vellykkede demonstrationer af plasmoniske lys trapping. Dog skal det påpeges, at metal nanostrukturer fremstillet ved disse fremgangsmåder normalt er udfordrende at matche de teoretiske modeller. I modsætning hertil traditionelle nano-fabrikationsteknikker i halvlederindustrien, såsom fotolitografi og elektronstrålelitografi, 12,13 kan styre strukturer godt stykke under den sub-100 nm plan, men de er ofte for dyre og tidskrævende at gælde for solceller, hvor stort areal kapacitet med lave omkostninger er afgørende. For at opfylde de lave omkostninger, højt gennemløb, og store arealkrav med nanoskala styrbarhed, metoder såsom nanoimprint litografi, 14-16 blød litografi, 17,18 19-21 og hole-maske kolloid litografi 22-24 ville være lovende. Blandt disse valg, har vi udviklet en blød litografisk, avanceret overførsel trykning teknik. 25 Brug en nanostruktureret poly (dimethylsiloxan) (PDMS) frimærker og blokcopolymer-baserede klæbende lag, kunne mønster af bestilte metal nanostrukturer let opnås på en række teknologisk relevante materialer, herunder dem for solceller.

Fokus i denne artikel er at beskrive den detaljerede procedure for vores overførsel trykning tilgang til at indarbejde effektive lys fældefangst plasmoniske nanostrukturer i de eksisterende solcelle strukturer. Som demonstrative tilfælde Ag nanodisks og tyndfilm hydrogeneret mikrokrystallinsk Si (pC-Si: H) solceller blev udvalgt i denne undersøgelse (figur 1), 26, selv om andre typer af metaller og solceller er forenelige med denne fremgangsmåde. Sammen med sin procesenkelhed, ville tilgangen være af interesse for forskellige forskere som et praktisk værktøj til at integrere funktionelle metal nanostrukturer med enheder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af PDMS stempler

  1. Angiv en nanohole form (nanoimprinted cyclo olefinpolymer plastfolie, størrelse: 50 mm x 50 mm) i en polytetrafluorethylen (PTFE) beholder.
  2. Vinylmethylsiloxan-dimethylsiloxan-copolymer (0,76 g for 50 mm x 50 mm mug) i en engangs glasflaske vejes, og bland det med Pt-divinyltetramethyldisiloxan-kompleks (6 pi, ved anvendelse af en digital mikro-pipette med en engangsspids polypropylen) og 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 pi, ved hjælp af en digital mikro pipette med en engangs spids polypropylen).
  3. Tilføj methylhydrosiloxan-dimethylsiloxan copolymer (0,24 ml, ved hjælp af en digital mikro pipette med en engangs spids polypropylen) i glasflaske og bland det hurtigt ved hjælp af en engangs glas pipette. Efter overfladen af formsæt i beholderen PTFE blæses af N2, hæld den resulterende blanding ("hårde" PDMS præpolymer) på formen og begynder spin-coating ved 1000 rpm i 40 sek for at opnå lagtykkelsen af ​​~ 40 um.
  4. Spin-coatede prøve anbringes i en varme kammer forvarmet ved 65 ° C i 30 min til kortvarigt tværbinde hårde PDMS.
  5. Under opvarmningen, vejer silikone (6 g) og bland det med katalysator (0,6 g) i en engangs glasflaske. Placer glasflaske i et vakuumtørreskab og anvende vakuum (~ 133 Pa) i 15 minutter for at fjerne luft fanget i silikone blanding ("blød" PDMS præpolymer).
  6. Tag formen og bløde PDMS præpolymer ud af tørreskabet og vakuumekssikkator henholdsvis, og hurtigt hæld de bløde PDMS præpolymer på den opvarmede støbeform. Tykkelsen af ​​blødt PDMS lag er ~ 3 mm.
  7. Anbring resulterende prøve i vakuumtørreskab igen til yderligere afgasning ved ~ 133 Pa i mindst 1 time.
  8. Overfør afgasset prøve til opvarmningskammeret og begynde at opvarme gradvist op til 80 ° C (opvarmningshastighed ~ 3 ° C / min). Hold denne temperatur i 5 timerat tværbinde de hårde og bløde PDMS helt.
  9. Efter afkøling af prøven ned til stuetemperatur, skrælle PDMS stempel forsigtigt fra formen. Genbrug formen at forberede den anden (eller flere) stempler, hvis det er nødvendigt. Bemærk: Det samme støbeform kan anvendes mindst fem gange uden forringelse af stemplet kvalitet.
  10. Skær den resulterende nanopillar stempel (dobbelt-lags hårdt / blødt PDMS komposit) 27 i stykker af ønskede størrelser (typisk 7 mm × 7 mm for vores solceller) ved hjælp af en kniv og gemme dem under luft indtil brug.

2. Fremstilling af blokcopolymer Solutions

  1. Pulveret af polystyrene- blok -poly-2-vinylpyridin (PS b -P2VP) i en glasflaske vejes, og bland det med o-xylen i et forhold på 3 mg / ml (PS b -P2VP / o-xylen) .
  2. Omrør blandingen under anvendelse af en PTFE-belagt magnetomrører ved 70 ° C i 1 time.
  3. Hold den fremkomne opløsning i mere end 24 timer ved stuetemperatur uden opsigtring for at afslutte dannelsen af ​​selvsamlede miceller. Tæt forsegle løsningen og gemme den under omgivende forhold. Bemærk: Kvaliteten af ​​opløsningen er uændret, selv et år efter fremstillingen.

3. Udarbejdelse af μ c-Si: H Substrater

  1. Vask glas dækket med SnO 2: F (betegne glas / SnO 2: F, i det følgende) med H2O (500 ml), detergent (500 ml), og H2O (500 ml) ved stuetemperatur under anvendelse af et ultralydsbad (15 min for hver). Tør dem ved at blæse N2.
  2. Læg den rensede glas / SnO 2: F substrater i et substrat holder og depositum ZnO: Ga (20 nm) ved hjælp af en jævnstrøm (DC) sputtering-system med betingelserne i tabel 2.
  3. Indlæse glas / SnO 2: F / ZnO: Ga substrater i et andet substrat holderen og deponering μ c-Si: H p (10 nm), I (500 nm) og N (40 nm) lag under anvendelse af en plasma-forbedret kemisk Vapor deposition (PECVD) systemet med betingelserne i tabel 2.
  4. Opbevar den resulterende μ c-Si: H (glas / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substrater under vakuum eller N 2 indtil trin overførslen-udskrivning.

4. Ag-coating af PDMS stempler

  1. Vask PDMS stempler (fremstillet i trin 1) med EtOH (30 ml) under anvendelse af en ultrasonisk bad i 15 minutter og tørre ved at blæse N2.
  2. Læg de rensede PDMS stempler på en prøveholder med dobbeltklæbende tape og deponere en Ag film (10-80 nm) ved anvendelse af en elektronstråle (EB) fordampningssystem med følgende betingelser: deposition rate = 5-10 Å / sek, tryk = ~ 1,5 × 10 -4 Pa.
  3. Tag ud Ag-coatede stempler fra EB fordampning system og bruge dem straks i det følgende overførsel trykning trin.

5. Overdragelse Trykning af Ag Nanodisks på tyndefilm Si Overflader

  1. Tag tyndfilmpladen Si substrater opbevares under vakuum eller N2 og spin-coat med PS b -P2VP opløsning (0,3 ml for 50 mm x 50 mm prøve, ved hjælp af en digital mikro-pipette med en engangsspids polypropylen) ved 5.000 rpm i 40 sek.
  2. Fugt PS b -P2VP-overflade med EtOH ved hjælp af en digital mikro-pipette (5 um / celle område) og anvende Ag-coatede PDMS stempel sagte til EtOH-våd overflade. Tryk ikke på frimærket.
  3. Placer tynd-film Si substrat med stempel i et vakuumkammer og anvende vakuum (~ 133 Pa).
  4. Efter 5 min fylde vakuumkammer med luft og tag tynd-film Si substrat.
  5. Fjern stemplet fra den tynde-film Si substrat ved at holde begge sider af stemplet med en pincet til at overføre-Print Ag nanodisks. Bemærk: Hvis det lykkes, at spor af stempling er synlig som en grønlig plet.
  6. Skyl overførslen trykt tynd-film Si substrat med en kontinuerlig strøm af EtOH i 15 sek (~ 30 ml) og tør ved at blæse N2.
  7. Fjern PS-b-P2VP coating under anvendelse af en Ar plasma system.
    1. Placer transfer-trykte tynd-film Si substrat i processen kammer Ar plasma-systemet.
    2. Pump luften i proceskammeret for ~ 5 min (tryk ~ 20 Pa).
    3. Åbn ventilen af ​​et Ar gasledningen og manuelt justere flowhastigheden til 4 SCCM. Vent på ~ 5 min at stabilisere trykket til 40 Pa.
    4. Generere Ar plasma til 108 sek.
    5. Luk ventilen af ​​Ar-gasledningen, stop pumpning, og fyld luft ind i processen kammer for at tage ud plasma-renset, overførsel trykt tynd-film-Si substrater.

6. Afslutning af Thin-film Si Solar Cell Fabrication

  1. Vedhæft metal masker til overdragelsen-trykte tynd-film Si substrater efter Ar plasma behandling med polyimid bånd.
  2. Indlæse maskerede substrater i et substrat indehaveren af ​​et DC katodeforstøvningssystem og depositiont ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), og ZnO: Ga (40 nm) sekventielt med betingelserne i tabel 2.
  3. Frigøre metal masker fra substraterne og fjern de maskerede tynd-film Si lag (dvs. det område, hvor ZnO: Ga og Ag ikke blev deponeret) anvendelse af et system reaktiv ion ætsning (RIE).
    1. Placer prøverne i processen kammer RIE-systemet.
    2. Pump luften i proceskammeret efter producentens anvisninger.
    3. Indstil procesbetingelserne som følger efter fabrikantens anvisninger: SF 6 / O 2 strømningshastighed = 100/20 sccm, tryk = 20 Pa, power 100 W, tid = 1 min 20 sek.
    4. Åbn SF 6 og O 2 gasledninger, stabilisere trykket, og generere plasma.
    5. Luk ventilen af SF6 og O 2 gasledningen, stop pumpning, og fyld N2 i proceskammeret til at tegne prøverne.
  4. Sætprøver i et vakuum-kammer annealing og varmer gradvist op til 175 ° C under vakuum (~ 133 Pa). Hold denne temperatur i 2 timer, og derefter afkøles til stuetemperatur. Fyld luft i kammeret og tegne prøver, som nu kan kaldes celler.
  5. Solder Sn-Zn-legering på forsiden transparent elektrode (glas / SnO 2: F / ZnO: Ga, den eksponerede del af RIE behandling) under anvendelse af en ultrasonisk loddeindretningen.

7. Måling af ekstern Quantum Efficiency (EQE)

  1. Vedhæft en lysafskærmende maske til en fabrikeret celle ved hjælp af polyimid tape og sætte den maskerede celle i en celle holder. Tilslut prober til forsiden loddet elektrode (+) og tilbage Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  2. Mål EQE spektre ved hjælp af et EQE målesystem efter producentens anvisninger med et bølgelængdeområde og trin af 300-1,100 nm og 5 nm.

8. Måling af solcelle Strøm-Spænding (JV) Tegnstika

  1. Kalibrere lysintensitet af et JV karakteristika målesystem ved hjælp af en amorf Si cellereferencen.
    1. Sæt den amorfe Si henvisning celle til en celle indehaveren af ​​JV egenskaber målesystemet og belyse lys.
    2. Læs fotofrembragte strøm ved hjælp af en digital multi-meter udstyret i JV karakteristika målesystemet. Juster lysstyrken, indtil fotofrembragte strøm viser den rigtige værdi for referencen celle (8,34 mA / cm2).
  2. Vedhæfte en lysafskærmende maske til en celle og indstil maskerede celle i en celle holder. Tilslut prober til forsiden loddet elektrode (+) og tilbage Ag / ZnO: Ga elektrode (-).
  3. Belyse kalibreret lys (100 mW / cm2, 1 solen) på cellen og måle fotogenererede strømme ved hjælp af JV egenskaber målesystem efter fabrikantens anvisninger med en spænding trin på 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 skitserer den generelle fremgangsmåde til overførsel trykning af Ag nanodisks på overfladen af pC-Si: H (n lag). Kort fortalt, en Ag film (tykkelse: 10-80 nm) først deponeres på overfladen af ​​en nanopillar PDMS stempel med elektronstråle fordampning. Parallelt hermed en PS b -P2VP løsning er spin-belagt på overfladen af en frisk tilberedt pC-Si: H n lag. Efterfølgende en dråbe EtOH placeret på PS b -P2VP-overflade, og Ag-deponeret PDMS stempel er placeret på EtOH-vådt PS b -P2VP overflade. Nr trykke er nødvendigt for at stemplet, fordi en intim kontakt mellem stempel og substrat spontant danner på grund af overfladespændingen stammer fra fordampning af EtOH. Efter EtOH inddampes væk (under anvendelse af et reduceret tryk), er stemplet frigøres fra substratet for at fuldføre overførslen af ​​Ag aflejret på den hævede område af nanopillar PDMS stempel. Endelig er enAr plasma behandling udføres for at fjerne PS b -P2VP belægning.

Vist i figur 3 er scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder af den resulterende Ag nanodisk array på (i) pC-Si: H. Overflader (celler) 26 Figur 3A og 3B er den øverste og vippes visninger af en samme prøve. Den geometriske middelværdi ruhed (R rms) af den underliggende pC-Si: H overflade var 6,6 nm; Ikke desto mindre, næsten fuldstændig overførsel af Ag nanodisks, hvis diameter, center-til-center afstand, og tykkelsen af Ag nanodisks var 200, 460 og 40 nm, blev opnået. Figur 3C er tværsnitsbillede af et udfyldt pC-Si: H cellestruktur, altså efter udfældning (sputtering) ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lag oven på Ag nanodisk matrix er vist i figur 3A og 3B. Den integrerede Ag nanodisks højre på solcelle pC-Si: H m> p - I - n lag blev klart observeret.

Den EQE spektre af fabrikerede celler er vist i figur 4 26 Sammenlignet med en reference-celle (a pC-Si: H celle fremstillet samtidig med at springe overførsel trykprocessen). Den EQE spektrum af Ag nanodisk (tykkelse: 40 nm) inkorporeret celle viste højere signaler i det lange bølgelængdeområde (650-1,100 nm). En sådan bølgelængde-selektiv forbedring klart angivet den foretrukne effekt af de plasmonically aktive Ag nanodisks for solcelle; nemlig plasmoniske lys trapping. Kvantificering af graden af lyset trapping i 650-1,100 nm observeret i figur 3 blev udført som summen af EQE værdier for hver celle og tage forholdet mellem dem (Ag nanodisk-inkorporeret celle / referencecelle). Værdien var 1,60; Derfor blev 60% EQE stigning opfyldes af Ag nanodisk-medierede plasmoniske lys trapping.

ent "> Tabel 1 opsummerer de fotovoltaiske egenskaber ved Ag nanodisk inkorporeret og referenceceller. 26 Det blev bekræftet, som forventet, at kortslutningsstrømmen densitet (J sc) af Ag nanodisk-inkorporeret celle øget sammenlignet med referencecellen (11,4-12,4 mA / cm2) på grund af EQE forbedring beskrevet ovenfor. Med hensyn til tomgangsspændingen (V oc) og fyld faktor (FF), tallene i de to celler var næsten de samme (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Som følge heraf fotoomdannelse effektivitet (η) for Ag nanodisk-inkorporeret celle forbedret (4,5% til 5,0%).

Figur 1
Figur 1. Skematisk tværsnit af en Ag nanodisk-inkorporeret pC-Si:. H solcelle Ag nanodisks lokaliserer på bagsiden af pC-Si: H solcelle.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Generel procedure for overførsel trykning af Ag Nanodisks. AG-belagte nanopillar PDMS stempel påføres på PS b -P2VP-belagt tynd-film Si substrat, hvis overflade er våd med EtOH. Ar plasmabehandling påføres fjerne PS-b-P2VP belægning og for at blotlægge tyndfilms Si lag. Efter denne proces, ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lag skal afsættes på toppen af transfer-trykt Ag nanodisks at gennemføre hele solcelle struktur vist i figur 1. Klik her for at se en større version af dette tal .


Figur 3. SEM Billeder af Transfer-Trykt Ag Nanodisks (diameter = 200 nm, tykkelse = 40 nm) (A) set fra oven transfer-trykt Ag nanodisks på en pC-Si:. H overflade. (B) Skråt billede af transfer-trykt Ag nanodisks på en pC-Si: H overflade. (C) Cross-snit af transfer-trykte Ag nanodisks (størrelse: 200 nm) indlejret i en pC-Si:. H celle 26 Copyright 2014 Japan Society of Applied Physics. Klik her for at se en større version af dette tal .

Figur 4
Figur 4. EQE Spectra af pC-Si:. H-celler (blå linje) Ag nanodisk (ND) -incorporated celle. (Rød stiplet linie)Referencecellen. 26 Forbedrede responser blev observeret med den blå linje på grund af Ag ND-medieret lys trapping. Dette tal er blevet ændret fra ref. 26. Klik her for at se en større version af dette tal.


Tabel 1. Oversigt over solcelle JV Karakteristik af pC-Si: H celler.

Celletype J sc (mA / cm2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk inkorporeret 12.4 0,526 0,764 5
Henvisning 11.4 ,521 0,763 4,5


Tabel 2. depositionsbetingelserne.

; "> Ar flow = 200 SCCM, tryk = 0,133 Pa, jævnstrøm = 100 W, prøve rotation = 10 rpm, afsætningshastighed = ~ 6 Å / sek.
Steps Deposition-system Materialer Betingelser
3.2 Sputtering ZnO: Ga Ar strømningshastighed = 200 SCCM, tryk = 0,133 Pa, jævnstrøm = 200 W, prøve rotation = 10 rpm, afsætningshastighed = ~ 3,3 Å / sek.
3.3 CVD pC-Si: H p Strømningshastighed af SiH4 / H2 / B2 H6 = 3,5 / 450/2 SCCM, substrattemperatur = 140 ° C, tryk = 1,5 torr, radiofrekvens (RF) effekttæthed = 80 mW / cm2, deposition tid = 5 min 45 sek (hastighed = ~ 0,3 Å / sek).
pC-Si: H i Strømningshastighed af SiH4 / H2 = 10,5 / 380 SCCM, substrattemperatur = 180 ° C, tryk = 200 Pa, RF effekttæthed = 40 mW / cm2, deposition tid = 1 time 2 min (hastighed = ~ 1,3 Å / sek).
pC-Si: H n Strømningshastighed af SiH4 / H2 / PH 3 = 3/148/12 SCCM, substrattemperatur = 195 ° C, tryk = 40 Pa, RF effekttæthed = 80 mW / cm2, deposition tid = 23 min (hastighed = ~ 0,3 Å / sek).
6.2 Sputtering ZnO: Ga Ar flow = 200 SCCM, tryk = 0,133 Pa, jævnstrøm = 200 W, prøve rotation = 10 rpm, afsætningshastighed = ~ 3,3 Å / sek.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne artikel, var en dobbelt-lag hårdt / bløde PDMS komposit ansat som stempel materialer. 27 Denne kombination viste sig at være afgørende for præcist replikere den forælder nanostruktur i formen, som var en hexagonalt tætpakket rundt hul matrix, hvis diameter 230 nm, dybde på 500 nm, og hullet center-til-center på 460 nm. Når kun bløde PDMS blev anvendt, stempel altid resulterede i et dårligt nanostrukturerede overflade (for eksempel ingen skarpe kant i den omvendte søjlestrukturen) på grund af den lave Youngs modul; 28 derfor overførsel trykning af Ag nanodisks aldrig muligt.

Brugen af spin-belagt blokcopolymer (PS b -P2VP) tynd-film som bindende lag er et andet centralt for en vellykket overførsel udskrivning på pC-Si: H overflader, som ikke er glat (R rms = ~ 6,6 nm). Selvom overdragelsen-udskrivning af metalkonstruktioner oprindeligt blev udviklet ved hjælp af små organiske molekyler whiCH danner selvsamlende monolag (SAM'er) på overflader, 29 vi fundet, at anvendelsen af SAMs (3-mercaptopropyltrimethoxysilan) ikke virker for de (lidt) tekstureret pC-Si: H overflader. Hertil kommer, at dannelsen af ​​SAMs med god kvalitet tager tid (~ et par timer), mens vores proces kræver mindre end 1 min (40 sek ved spin coating). Dette punkt kan være vigtigt for materialer, der kræver hurtige operationer for at undgå ugunstige overflade begivenheder, såsom dannelsen af ​​overskydende oxider eller forureninger.

Roller EtOH i overførsel trykning bør også fremhæves. Den første rolle er, som allerede beskrevet, for at hjælpe dannelsen af ​​den intime kontakt mellem stempel og måloverfladen hjælp af overfladespændingen ved fordampning. Den anden rolle er at rekonstruere PS b -P2VP tynd film, som sikrer registrering af metaller (Ag) på PDMS frimærker gennem dannelsen af metal-pyridin koordinationsbindinger. 25 Vi mener, at such dynamisk begivenhed på frimærket / substrat interface er afgørende for trykning overførsel især på strukturerede overflader.

Når overførslen udskrivningen ved ovennævnte procedure mislykkedes, grunden var for det meste i frimærker ansat. Da konform kontakt mellem et stempel og et substrat er kritisk, fladhed af stempel overflade er meget vigtigt. Fladheden bestemmes af status en original form; Derfor, når overførsel trykning mislykkes, vil det være tid til at ændre formen. Ifølge vores erfaring, antallet af gange en støbeform kan genbruges er fem, men det ville forøges ved passende rengøring og lagring af formen. Fladhed et stempel ville også have en betydelig indvirkning på det område, der kan være ensartet overførsel-udskrives. I denne hilsen, har vi påvist en 20 mm × 20 mm-skala mønster med et stempel fremstillet af en frisk støbeform. 25

Med hensyn til mønster af formen / stempel,/ søjle strukturer rundt hul med diameter 230/200 nm blev anvendt (den mindre diameter af søjlen skyldes den koniske form af den oprindelige hul). Dette valg var simpelthen fordi en sådan en støbeform (nanoimprinted plastfolie) var kommercielt tilgængelige, og det var ikke den, fremstillet specifikt til vores solcelle ansøgning. Dette betyder igen, at der er masser af plads til mønster design, hvilket ville føre til meget overlegen lys fældefangst evne i forhold til resultatet vises her. I den forbindelse vil brugen af ​​optiske simulering være nyttigt at søge bedre mønstre. Selvom fremstillingen af ​​faktiske forme (sandsynligvis ved elektronstrålelitografi) kan være dyrt, når fremstillet, kan de tilsvarende stempler blive gentaget så mange gange som nødvendigt. Således kan det totale procesomkostninger betydeligt undertrykt, hvilket er den store fordel af overførsel trykning tilgange.

Med hensyn til metaller transfer-printable ved fremgangsmåden beskrevet hendee, Au, Cu og Ni blev bekræftet at være gældende. Det skal nævnes, at ingen af ​​disse metaller billede bedre lys fældefangst virkninger i forhold til tilfældet med Ag. En anden testet metal var Al, der betragtes som en god kandidat til plasmoniske lys fældefangst applikationer. 30. Det konstateredes imidlertid, at overførsel trykning af Al mislykkes, muligvis på grund af den stærke affinitet med PDMS. Derfor modifikationer af PDMS overflader 31 kan være nødvendige for at lette overførsel udskrivning ved at reducere interaktionen mellem PDMS og deponerede Al.

Bortset fra pC-Si: H, kan fremgangsmåden anvendes med en række materialer, herunder meget ru (tekstureret) overflader (R RMS ≥ 20 nm) 25 Faktisk har vi tidligere behandlet muligheden for synergistiske teksturering / plasmon-. medieret lys fældefangst ved opdigte celler med tekstureret glas / SnO 2:. F substrater 17 Desuden en lignende lys fældefangst effect er blevet dokumenteret ved hjælp af hydrogenerede amorfe Si celler. 32 andre teknologisk vigtige materialer, såsom krystallinsk Si, GaAs, InP, og metaloxider, er også kompatible med fremgangsmåden, og dermed yderligere indretning applikationer (ikke kun for solceller) ville være forventet.

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