Integration of Light fångst Silver nanostrukturer i Hydromikro Silicon solceller genom Transfer Tryck

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:

 

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

Det har varit en lång gammalt krav för tillämpning av funktionella nanostrukturer i ett brett spektrum av tekniska området. En av de förväntningar på denna trend är att öppna nya utformningen av enhetsarkitekturer som leder till förbättrade och innovativa föreställningar. När det gäller solceller, till exempel användning av metallnanostrukturer har aktivt undersökt på grund av deras spännande optiska (dvs plasmoniska) egenskaper, en potentiellt fördelaktigt att bygga effektiva ljusfångstsystem. 2,3 En del teoretiska studier 4 -6 har föreslagit att en sådan plasmoniska ljus fångst skulle kunna uppnå effekter som överstiger de konventionella stråloptik (texturering) -baserad ljus fångstgräns. 7 Som ett resultat, utveckla strategier för att integrera önskade metallnanostrukturer med solceller har blivit allt viktigare för att förverkliga dessa teoretiska förutsägelser.

Ett antal strategier harföreslagits för att möta denna utmaning. 8-24 Dessa inkluderar, till exempel, enkel (låg kostnad) termisk glödgning av metallfilmer 8,9 eller dispersion av i förväg syntetiserade metallnanopartiklar, 10,11 vilka båda resulterade i framgångsrika demonstrationer av plasmoniska ljus svällning. Det bör dock påpekas att metallnanostrukturer tillverkade av dessa metoder vanligtvis en utmaning att matcha de teoretiska modellerna. I motsats till de traditionella nanofabrikation tekniker i halvledarindustrin, såsom fotolitografi och elektronstrålelitografi, kan 12,13 styra strukturer långt under sub-100 nm nivå, men de är ofta för dyrt och tidsödande att gälla för solceller, där stora ytor kapacitet med låg kostnad är avgörande. För att uppfylla den låg kostnad, hög genomströmning och krav med stor area med nano styrbarhet, metoder såsom nanoimprintlitografi, 14-16 mjuk litografi, 17,18 19-21 och hålsmask kolloidalt litografi 22-24 skulle vara lovande. Bland dessa val, har vi utvecklat en mjuk litografisk, avancerad överföring tryckteknik. 25 Använda en nanostrukturerade poly (dimetylsiloxan) (PDMS) stämplar och segmentsampolymer-baserade bindemedelsskikt kan mönstring av beställda metallnanostrukturer lätt uppnås på ett antal tekniskt relevant material, inklusive de för solceller.

Fokus i denna artikel är att beskriva den detaljerade förfarandet för vår överföring utskrift strategi för att införliva effektiva ljusfångst plasmoniska nanostrukturer i befintliga solcellsstrukturer. Som en demonstrativ fall Ag nanodisks och tunnfilms hydrerad mikro Si (ac-Si: H) solceller valdes i denna studie (figur 1), 26 även om andra typer av metaller och solceller är förenliga med detta synsätt. Tillsammans med sin processenkelhet, skulle tillvägagångssättet vara av intresse för olika forskare som ett praktiskt verktyg för att integrera funktionella metallnanostrukturer med enheter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Framställning av PDMS frimärken

  1. Ställ en nanohole gjutform (nanoimprinted cyklo olefinpolymer plastfilm, storlek: 50 mm x 50 mm) i en polytetrafluoreten (PTFE) behållare.
  2. Väg vinylmetylsiloxan-dimetylsiloxan-sampolymer (0,76 g i den 50 mm x 50 mm mögel) i en engångsglasflaska och blanda det med Pt-divinyltetrametyldisiloxan-komplex (6 | il, med användning av en digital mikro pipett med en engångs polypropylen spets) och 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 pl, med hjälp av en digital mikro pipett med en engångs polypropylen tips).
  3. Lägg metylhydrosiloxan-dimetylsiloxan-sampolymer (0,24 ml, med användning av en digital mikro pipett med en engångs polypropen spets) i glasflaskan och blanda det snabbt med hjälp av en engångs glaspipett. Efter det att ytan av formen som i PTFE behållaren blåses genom N 2, häll den resulterande blandningen ("hård" PDMS prepolymer) på formen och börja spinn-coating vid 1000 varv per minut under 40 sek för att uppnå den skikttjocklek av ~ 40 | im.
  4. Placera spinnbelades provet i en varm kammare förvärmdes vid 65 ° C under 30 min till en kort stund tvärbinda de hårda PDMS.
  5. Under uppvärmningen, väga silikon (6 g) och blanda det med katalysator (0,6 g) i en engångsglasflaska. Placera glasflaska i en vakuumexsickator och anbringa vakuum (~ 133 Pa) under 15 min för att avlägsna luft i silikonblandningen ("mjuk" PDMS prepolymer).
  6. Ta ut formen och mjuka PDMS prepolymer från värmekammaren och vakuumexsickator, respektive, och snabbt häll mjuka PDMS prepolymer på den uppvärmda formen. Tjockleken på mjuka PDMS lagret är ~ 3 mm.
  7. Placera det resulterande provet i vakuumexsickator igen för ytterligare avgasning vid ~ 133 Pa åtminstone för en timme.
  8. Överför avgasade provet till värmekammaren och börja värma gradvis upp till 80 ° C (uppvärmningshastighet ~ 3 ° C / min). Håll denna temperatur i 5 hatt tvärbinda de hårda och mjuka PDMS fullständigt.
  9. Efter kylning av provet ner till RT, dra av PDMS stämpeln försiktigt från formen. Återanvänd formen för att framställa de andra (eller fler) frimärken, om så är nödvändigt. Obs: Samma gjutform kan användas minst fem gånger utan nedbrytning av stämpelkvalitet.
  10. Skär erhållna nanopillar stämpel (dubbelskiktad hård / mjuk PDMS komposit) 27 i stycken med önskade storlekar (typiskt 7 mm x 7 mm för våra solceller) med användning av en kniv och lagra dem under luft fram till användning.

2. Beredning av Segmentsampolymer Solutions

  1. Väg pulvret av polystyrene- blocket -poly-2-vinylpyridin (PS B -P2VP) i en glasflaska och blanda det med o-xylen i förhållandet 3 mg / ml (PS B -P2VP / o-xylen) .
  2. Rör om blandningen under användning av en PTFE-belagd magnetisk omrörarstav vid 70 ° C under 1 timme.
  3. Håll den resulterande lösningen under mer än 24 timmar vid RT utan uppståndelseringen för att slutföra bildandet av självmonterade miceller. Tätt försegla lösning och lagra den under omgivningsbetingelser. Obs: Kvaliteten på lösningen är oförändrad även ett år efter framställningen.

3. Framställning av μ c-Si: H substrat

  1. Tvätta glasögon täckt med SnO 2: F (beteckna glas / SnO 2: F, nedan) med H2O (500 ml), detergent (500 ml), och H2O (500 ml) vid RT med användning av ett ultraljudbad (15 min för vardera). Torka dem genom att blåsa N2.
  2. Fyll den rengjorda glas / SnO 2: F substrat i en substrathållare och inlånings ZnO: Ga (20 nm) med en likström (DC) sputtring system med de villkor som anges i tabell 2.
  3. Ladda glas / SnO 2: F / ZnO: Ga substrat i en annan substrathållaren och inlånings μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm) och N (40 nm) skikt med hjälp av en plasmaförstärkt kemisk Vapor deponering (PECVD) systemet med de villkor som anges i tabell 2.
  4. Förvara resulte μ c-Si: H (glas / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substrat under vakuum eller N2 tills transfertrycksteg.

4. Ag-beläggning av PDMS frimärken

  1. Tvätta PDMS frimärken (framställd i steg 1) med EtOH (30 ml) med användning av ett ultraljudsbad under 15 min och torra genom att blåsa N2.
  2. Ladda rengjorda PDMS stämplar på en provhållare med dubbelhäftande tejp och deponera en Ag-film (10-80 nm) med hjälp av en elektronstråle (EB) indunstningssystem med följande villkor: förångningshastighet = 5-10 Å / sek, tryck = ~ 1,5 x 10 -4 Pa.
  3. Ta ut Ag-belagda frimärken från EB indunstningssystemet och använda dem omedelbart i följande transfertrycksteg.

5. Överföring Utskrift av Ag Nanodisks på tunnFilmen Si Ytor

  1. Ta ut tunnfilms Si-substrat lagras under vakuum eller N2 och spin-rock med PS b -P2VP lösning (0,3 ml för 50 mm x 50 mm prov, med hjälp av en digital mikro pipett med en engångs polypropylen spets) vid 5000 rpm i 40 sek.
  2. Blöt PS B -P2VP belagd yta med EtOH med hjälp av en digital mikro pipett (5 pm / cellområdet) och tillämpar Ag-belagda PDMS stämpel mjukt till EtOH-våta ytan. Tryck inte stämpeln.
  3. Placera tunnfilms Si-substratet med stämpel i en vakuumkammare och anbringa vakuum (~ 133 Pa).
  4. Efter 5 minuter, fylla vakuumkammaren med luft och ta ut den tunnfilms Si-substrat.
  5. Ta bort stämpeln från tunnfilms Si-substratet genom att hålla båda sidor av stämpel med pincett för att överföra-print Ag nanodisks. Obs: Om det lyckas, syns som en grönaktig fläck spår av stämpling.
  6. Skölj överföringen tryckta tunnfilms Si-substratet med ett kontinuerligt flöde av EtOH för 15 sek (~ 30 ml) och torr genom att blåsa N2.
  7. Ta ut PS-b-P2VP beläggning med hjälp av en Ar-plasmasystem.
    1. Placera överföringen tryckta tunnfilms Si-substratet i processkammaren i Ar plasmasystem.
    2. Pumpa ut luften i processkammaren för ~ 5 min (tryck ~ 20 Pa).
    3. Öppna ventilen av en Ar gasledningen och justera flödet till 4 sccm manuellt. Vänta för ~ 5 minuter för att stabilisera trycket till 40 Pa.
    4. Generera Ar plasma för 108 sek.
    5. Stäng ventilen i Ar gasledningen, sluta pumpa och fyll luft i processkammaren för att ta ut plasma rengjorda, överföring ryckt tunnfilms Si-substrat.

6. Slutförande av tunnfilm Si Solar Cell Fabrication

  1. Fäst metallmasker till överföringen tryckta tunnfilms Si substrat efter Ar plasma behandling med polyimid band.
  2. Ladda maskerade substraten i ett substrat innehavare av en DC förstoftningssystem och depositarient ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), och ZnO: Ga (40 nm) i tur och ordning med de villkor som anges i tabell 2.
  3. Frigör metallmasker från substraten och avlägsna de maskerade tunnfilms Si skikt (dvs det område där ZnO: Ga och Ag inte deponerades) med användning av en reaktiv jonetsning (RIE) -system.
    1. Placera proven i processkammaren av RIE-systemet.
    2. Pumpa ut luften i processkammaren i enlighet med tillverkarens instruktioner.
    3. Ställ processbetingelserna enligt följande genom att följa tillverkarens instruktioner: SF 6 / O 2 flödeshastighet = 100/20 sccm, tryck = 20 Pa, effekt 100 W, tid = 1 min 20 sek.
    4. Öppna SF 6 och O 2 gasledningar, stabilisera trycket, och generera plasma.
    5. Stäng ventilen av SF 6 och O 2 gasledning, stoppa pumpning, och fyll N 2 in i processkammaren för att ta ut proverna.
  4. Sättaprov i en vakuum glödgningskammaren och börja värma gradvis upp till 175 ° C under vakuum (~ 133 Pa). Behåll denna temperatur under 2 timmar, och låt svalna till RT. Fyll luft i kammaren och ta ut prover, som nu kan kallas celler.
  5. Solder Sn-Zn-legering på den främre transparenta elektroden (glas / SnO 2: F / ZnO: Ga, den exponerade delen av RIE behandling) med hjälp av en ultraljudslödningsanordning.

7. Mätning av extern Quantum Efficiency (EQE)

  1. Fäst en Ijusavskärmande mask för att en tillverkad cell med användning av polyimid tejp och ställa den maskerade cell i ett cellhållare. Anslut prober till fronten lödas elektroden (+) och tillbaka Ag / ZnO: Ga elektroden (-).
  2. Mät EQE spektra med hjälp av ett mätsystem EQE enligt tillverkarens anvisningar med ett våglängdsområde och steg av 300-1,100 nm och 5 nm, respektive.

8. Mätning av Solceller Ström spänning (JV) Characterskaper

  1. Kalibrera ljusintensiteten hos en JV egenskaper mätsystem med hjälp av en amorf Si referenscell.
    1. Ställ den amorfa Si referenscellen till en cell innehavare av egenskaper mätsystemet JV och belysa ljuset.
    2. Läs fotogenererad ström med hjälp av en digital multimeter utrustad egenskaper mätsystemet JV. Justera ljusintensiteten tills fotogenererad ström visar rätt värde för referenscellen (8,34 mA / cm 2).
  2. Fäst en Ijusavskärmande mask för att en cell och ställa den maskerade cell i ett cellhållare. Anslut prober till fronten lödas elektroden (+) och tillbaka Ag / ZnO: Ga elektroden (-).
  3. Belysa kalibrerade ljus (100 mW / cm 2, 1 sol) på cellen och mäta fotogenererade strömmar med hjälp av egenskaper mätsystemet JV enligt tillverkarens anvisningar med ett spänningssteg på 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 2 beskriver den generella processen för överföring tryckning av Ag nanodisks på ytan av ac-Si: H (n-skikt). I korthet, en Ag-film (tjocklek: 10-80 nm) först avsattes på ytan av en nanopillar PDMS stämpel genom elektronstråleförångning. Parallellt är en PS b -P2VP lösning spinnbelades på ytan av en nyligen beredd ac-Si: H n-lagret. Därefter är en droppe av EtOH placeras på PS B -P2VP belagd yta, och Ag avsatta PDMS stämpel placeras på EtOH våta PS b -P2VP yta. Nr pressning är nödvändig för stämpeln, eftersom en nära kontakt mellan stämpel och underlaget bildar spontant på grund av ytspänningen som härrör från avdunstning av EtOH. Efter EtOH avdunstas bort (genom att använda ett reducerat tryck), är stämpeln frisätts från substratet för att slutföra överföringen av Ag deponeras på det förhöjda området av nanopillar PDMS stämpel. Slutligen ettAr plasmabehandling utförs för att avlägsna PS B -P2VP beläggning.

Visas i figur 3 är svepelektronmikroskop (SEM) bilder av den resulterande Ag nanodisk array på (i) ac-Si:. H ytor (celler) 26 Figur 3a och 3b är den övre och lutas vyer av en samma prov. Roten ur medelkvadrat grovhet (R rms) av underliggande ac-Si: H yta var 6,6 nm; icke desto mindre, nästan fullständig överföring av Ag nanodisks, vars diameter, centrum-till-centrumavstånd, och tjockleken på Ag-nanodisks var 200, 460, och 40 nm, respektive, uppnåddes. Figur 3C är ett tvärsnitt av en ifylld ac-Si: H-cellstruktur, dvs efter avsättningen (sputtring) ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga skikt ovanpå Ag nanodisk arrayen visas i fig 3A och 3B. Den inbäddade Ag nanodisks rätt på solceller ac-Si: H m> p - i - n skikten tydligt observerats.

EQE spektra för de tillverkade celler visas i fig 4 26 I jämförelse med en referenscell (en ac-Si: H-cell tillverkades samtidigt med att hoppa över transfertryckprocessen)., EQE spektrum Ag nanodisk (tjocklek: 40 nm) införlivas cell visade högre signaler i det långa våglängdsområdet (650-1,100 nm). Sådan våglängdsselektiva förbättring visade tydligt förmåns effekten av de plasmonically aktiva Ag nanodisks för solcell; nämligen plasmoniska ljus fångstmetoder. Kvantifiering av graden av ljus infångning i 650-1,100 nm observerades i figur 3 utfördes genom att summera EQE värdena för varje cell och ta förhållandet av dem (Ag nanodisk-inkorporerade cell / referenscellen). Värdet var 1,60; Därför var 60% EQE ökning uppnås av Ag nanodisk-medierad plasmoniska ljus fångstmetoder.

ent "> Tabell 1 sammanfattar solceller egenskaperna hos Ag nanodisk införlivade och referensceller. 26 Det bekräftades, som väntat, att kortslutningsströmtäthet (J sc) i Ag nanodisk inkorporerade cell ökat jämfört med den för referenscellen (11,4 till 12,4 mA / cm ^ 2) på grund av EQE förbättring som beskrivits ovan. När det gäller den öppna kretsspänningen (V oc) och fyllnadsfaktom (FF), de av de båda cellerna var nästan samma (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Som en konsekvens av detta photoconversion verkningsgrad (η) av Ag-nanodisk-inkorporerad cell förbättrats (4,5% till 5,0%).

Figur 1
Figur 1. Schematisk Tvärsnitt av en Ag nanodisk införlivade ac-Si. H solcell Ag nanodisks lokaliserar på baksidan av ac-Si: H solcell.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Allmänt förfarande för överföringstryckning av Ag Nanodisks. Ag belagda nanopillar PDMS stämpeln anbringas på PS B -P2VP belagda tunnfilms Si-substrat, vars yta är våt med EtOH. Ar plasmabehandling för att avlägsna en PS-b-P2VP beläggning och att exponera tunnfilms Si-skiktet. Efter denna process, ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga lager måste deponeras ovanpå överföringstryckta Ag nanodisks att slutföra hela solcellsstrukturen som visas i figur 1. Klicka här för att se en större version av denna siffra .


Figur 3. SEM Bilder inom Transfer-Printed Ag Nanodisks (diameter = 200 nm, tjocklek = 40 nm) (A) Uppifrån av överföringstryckta Ag nanodisks på en ac-Si:. H yta. (B) Tilted syn på överföringstryckta Ag nanodisks på en ac-Si: H yta. (C) Tvärsnitt av överföringstryckta Ag nanodisks (storlek: 200 nm) inbäddade i en ac-Si. H cell 26 Copyright 2014 Japan Society of Applied Physics. Klicka här för att se en större version av denna siffra .

Figur 4
Figur 4. EQE Spectra av ac-Si. H-celler (blå linje) Ag nanodisk (ND) -incorporated cell. (Röd streckad linje)Referenscell. 26 Förbättrade svar observerades med den blå linjen på grund av den Ag ND-medierad ljus svällning. Denna siffra har modifierats Ref. 26. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Tabell 1. Sammanfattning av Solceller JV Kännetecken för ac-Si: H-celler.

Celltyp J sc (mA / cm ^ 2) V-OC (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-inkorporerade 12,4 0,526 0,764 5
Referens 11,4 0,521 0,763 4,5


Tabell 2. Ytbeläggnings villkor.

; "> Ar flöde = 200 sccm, tryck = 0,133 Pa, DC = 100 W, prov rotation = 10 rpm, avsättningshastighet = ~ 6 Å / sek.
Steg Avsättningssystemet Material Villkor
3,2 Sputtring ZnO: Ga Ar flödeshastighet = 200 sccm, tryck = 0,133 Pa, DC = 200 W, prov rotation = 10 rpm, avsättningshastighet = ~ 3,3 Å / sek.
3,3 CVD ac-Si: H-p Flödeshastighet SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm, substrattemperaturen = 140 ° C, tryck = 1,5 Torr, radiofrekvens (RF) effekttäthet = 80 mW / cm 2, avsättningstiden = 5 min 45 sek (hastighet = ~ 0,3 Å / sek).
ac-Si: H-i Flödeshastighet SiH 4 / H 2 = 10,5 / 380 sccm, substrattemperaturen = 180 ° C, tryck = 200 Pa, RF-effekttäthet = 40 mW / cm 2, avsättningstiden = 1 tim 2 min (hastighet = ~ 1,3 Å / sek).
ac-Si: H-n Flödeshastighet SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 sccm, substrattemperaturen = 195 ° C, tryck = 40 Pa, RF-effekttäthet = 80 mW / cm 2, avsättningstiden = 23 minuter (hastighet = ~ 0,3 Å / sek).
6,2 Sputtring ZnO: Ga Ar flöde = 200 sccm, tryck = 0,133 Pa, DC = 200 W, prov rotation = 10 rpm, avsättningshastighet = ~ 3,3 Å / sek.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I den här artikeln, var en dubbel-lager hård / mjuk PDMS komposit används som stämpelmaterial. 27 Denna kombination visade sig vara avgörande för att exakt replikera modernanostruktur i formen, vilket var en hexagonalt tätpackat runda hål array vars diameter av 230 nm, djup av 500 nm, och hålets centrum-till-centrumavstånd av 460 nm. När endast mjuka PDMS användes stämpeln alltid resulterat i en dåligt nanostrukturerad yta (till exempel ingen skarp kant i den inverterade pelarstrukturen) på grund av den låga Young-modul, 28 därför, överföring utskrift av Ag nanodisks var aldrig uppnås.

Användningen av spinnbelades segmentsampolymeren (PS b -P2VP) tunnfilmer som bindande skikt är en annan nyckel för framgångsrik transfertryck på ac-Si: H ytor som inte är släta (R rms = ~ 6,6 nm). Även om transfertryck av metallstommar ursprungligen utvecklats med hjälp av små organiska molekyler which bildar själv monterade monolager (SAMS) på ytor, 29 fann vi att användningen av SAM (3-merkaptopropyltrimetoxisilan) inte fungerar för de (något) strukturerad ac-Si: H ytor. Dessutom bildandet av SAM med god kvalitet tar tid (~ ett par timmar), medan vårt förfarande kräver mindre än en minut (40 sek genom spinnbeläggning). Denna punkt kan vara viktigt för material som behöver snabba åtgärder för att undvika ogynnsamma yta händelser, såsom bildning av överskott oxider eller föroreningar.

Rollerna EtOH i transfertryck bör också understrykas. Den första roll är, såsom redan beskrivits, för att underlätta bildningen av den intima kontakten mellan stämpeln och målytan med hjälp av ytspänningen vid förångning. Den andra rollen är att rekonstruera PS b -P2VP tunn film, vilket säkerställer infångande av metaller (Ag) på PDMS frimärken genom bildandet av metall pyridin samordnings obligationer. 25 Vi tror att sUCH dynamisk händelse på stämpeln / substrat gränssnitt är viktigt för transfertryck, särskilt på strukturerade ytor.

När tryck överföring av ovanstående procedur misslyckades, anledningen var mestadels i stämplar som används. Eftersom konform kontakt mellan en stämpel och ett substrat är kritisk, är mycket viktigt planhet stämpeln yta. Planheten bestäms av status för en ursprunglig form; Därför, när transfertryckning misslyckas, skulle det vara tiden för att ändra formen. Enligt vår erfarenhet är det antal gånger en form kan återanvändas fem, men det skulle ökas genom lämplig rengöring och lagring av formen. Planhet av en stämpel skulle också ha en betydande inverkan på det område som kan vara jämnt överföring tryckt. I detta avseende har vi visat en 20 mm x 20 mm-skala mönstring med en stämpel framställd från en ny form. 25

När det gäller mönsterdesign av formen / stämpel,runda hål / pelaren strukturer med diametern på 230/200 nm användes (den mindre diametern hos pelaren beror på den avsmalnande formen hos det ursprungliga hålet). Detta val var helt enkelt eftersom en sådan form (nanoimprinted plastfilm) var kommersiellt tillgänglig, och det var inte en tillverkad specifikt till vår solcell ansökan. Detta i sin tur innebär att det finns gott om utrymme för mönsterdesigner, vilket skulle leda till mycket bättre ljus fångstmetoder förmåga jämfört med det resultat som visas här. I detta sammanhang skulle användningen av optisk simulering vara till hjälp att söka bättre mönster. Även om tillverkningen av faktiska formar (troligen av elektronstrålelitografi) kan vara dyrt, en gång tillverkas, kan motsvarande frimärken replikeras så många gånger som behövs. Sålunda kan den totala processkostnaderna avsevärt undertryckas, vilket är den stora fördelen med transfertryckning tillvägagångssätt.

När det gäller metallöverförings-tryckbar enligt proceduren beskriven hennee, Au, Cu och Ni bekräftades vara tillämplig. Det bör nämnas att ingen av dessa metaller tillgänglig bättre ljusfångsteffekter jämfört med fallet av Ag. Annan metall som testades var Al, som anses vara en bra kandidat för plasmoniska ljus fångst applikationer. 30 Det konstaterades dock att överföring utskrift av Al misslyckas, möjligen på grund av den starka samhörighet med PDMS. Därför, ändringar av PDMS ytor 31 kan krävas för att underlätta överföring utskrift genom att minska interaktionen mellan PDMS och deponeras Al.

Annat än ac-Si: H, kan metoden användas med en mängd olika material, inklusive mycket grova (texture) ytor (R rms ≥ 20 nm) 25 I själva verket har vi tidigare behandlat möjligheten att synergistiska texturering / plasmon-. medierad ljus infångning genom att tillverka celler med texturerat glas / SnO 2:. F substrat 17 Dessutom har en liknande ljusinfångnings effect har dokumenterats med hjälp av hydro amorfa Si celler. 32 Övriga tekniskt viktiga material, såsom kristallin Si, GaAs, InP, och metalloxider, är också kompatibla med metoden, och därmed ytterligare applikationer enhet (inte bara för solceller) skulle vara förväntat.

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