Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

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

Vi è stata una richiesta di lunga data per l'applicazione di nanostrutture funzionali in una vasta gamma di campo tecnologico. Una delle aspettative per questa tendenza è quello di aprire il nuovo disegno di architetture di dispositivi che portano a migliori prestazioni e innovativi. Nel campo delle celle solari, per esempio, l'utilizzo di nanostrutture metalliche ha attivamente esplorata a causa delle loro proprietà interessanti (cioè, plasmoniche) ottici, 1 potenzialmente utile per costruire sistemi di cattura luce efficaci. 2,3 studi Infatti, alcuni teorici 4 -6 hanno suggerito che tale cattura luce plasmoniche potrebbe ottenere effetti che superano l'ottica a raggi convenzionali (texturing) -based limite di cattura della luce. 7 Di conseguenza, lo sviluppo di strategie per integrare nanostrutture metalliche desiderati con celle solari è diventato sempre più importante per la realizzazione di questi previsioni teoriche.

Un certo numero di strategie hannostato proposto per affrontare questa sfida. 8-24 Questi includono, per esempio, semplice (a basso costo) ricottura termica di film metallici 8,9 o dispersione di nanoparticelle metalliche pre-sintetizzato, 10,11 entrambi i quali hanno portato a manifestazioni di successo di cattura la luce plasmonica. Tuttavia, va sottolineato che le nanostrutture metallo da questi approcci sono solitamente difficili da corrispondere ai modelli teorici. Al contrario, le tecniche di nanofabbricazione tradizionali industrie semiconduttore come fotolitografia e litografia a fascio elettronico, 12,13 possono controllare strutture ben al di sotto del livello di sub-100 nm, ma sono spesso troppo costosi e richiede tempo per applicare alle celle solari, dove la capacità a basso costo grandi superfici è essenziale. Al fine di soddisfare il basso costo, high-throughput, e le esigenze di grande superficie con scala nanometrica controllabilità, metodi come nanoimprint la litografia, 14-16 morbido litografia, 17,18 19-21 e hole-maschera colloidale litografia 22-24 sarebbe promettente. Tra queste scelte, abbiamo sviluppato un litografica morbido, avanzata tecnica di stampa di trasferimento. 25 Uso un poli nanostrutturati (dimetilsilossano) (PDMS) francobolli e strati adesivi a base di copolimero a blocchi, patterning di nanostrutture metalliche ordinato potrebbe essere facilmente ottenuto su un certo numero di tecnologicamente materiali relativi, compresi quelli per le celle solari.

Il focus di questo articolo è quello di descrivere la procedura dettagliata del nostro approccio stampa transfer per incorporare efficaci luce di cattura nanostrutture plasmoniche in strutture di celle solari esistenti. Come caso dimostrativo, nanodisks Ag e film sottile idrogenati microcristallina Si (uC-Si: H) celle solari sono stati selezionati in questo studio (Figura 1), 26 anche se altri tipi di metalli e celle solari sono compatibili con questo approccio. Insieme con il suo processosemplicità, l'approccio sarebbe di interesse per diversi ricercatori come uno strumento utile per integrare nanostrutture metalliche funzionali con i dispositivi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Preparazione di PDMS Francobolli

  1. Impostare uno stampo nanohole (ciclo nanoimprinted film plastico polimero olefinico, dimensioni: 50 mm x 50 mm) in un politetrafluoroetilene (PTFE) contenitore.
  2. Pesare copolimero vinylmethylsiloxane-dimetilsiloxano (0,76 g per la muffa mm 50 mm × 50) in una bottiglia di vetro a perdere e mescolare con complesso di Pt-divinyltetramethyldisiloxane (6 microlitri, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene monouso) e 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 microlitri, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene usa e getta).
  3. Aggiungere copolimero methylhydrosiloxane-dimetilsiloxano (0,24 ml, con una micro pipetta digitale con una punta in polipropilene monouso) nella bottiglia di vetro e mescolare rapidamente utilizzando una pipetta di vetro usa e getta. Dopo la superficie dello stampo impostato nel contenitore PTFE viene soffiato da N 2, versare la miscela risultante ("hard" prepolimero PDMS) sullo stampo e iniziare spin-coating a 1.000 rpm per 40 secondi per ottenere lo spessore di ~ 40 micron.
  4. Trasferire il campione spin-rivestito in una camera calda preriscaldato a 65 ° C per 30 min a brevemente reticolare il PDMS duri.
  5. Durante il riscaldamento, pesare silicone (6 g) e mescolare con catalizzatore (0,6 g) in una bottiglia di vetro monouso. Posizionare la bottiglia di vetro in un essiccatore a vuoto, applicare il vuoto (~ 133 Pa) per 15 minuti per eliminare l'aria intrappolata nella miscela silicone ("soft" prepolimero PDMS).
  6. Estrarre lo stampo e morbido prepolimero PDMS dalla camera di riscaldamento e essiccatore a vuoto, rispettivamente, e versare rapidamente il PDMS morbide prepolimero sullo stampo riscaldato. Lo spessore dello strato morbido PDMS è ~ 3 mm.
  7. Posizionare il campione con conseguente essiccatore a vuoto di nuovo per ulteriori degasaggio a ~ 133 Pa per almeno 1 ora.
  8. Trasferire il campione degasato alla camera di riscaldamento e iniziare riscaldando gradualmente fino a 80 ° C (velocità di riscaldamento ~ 3 ° C / min). Mantenere questa temperatura per 5 oreper reticolare le PDMS duri e molli completamente.
  9. Dopo il raffreddamento del campione fino a RT, staccare il PDMS bollo con attenzione dallo stampo. Riutilizzare lo stampo per preparare il secondo (o più) Stamp, se necessario. Nota: Lo stesso stampo può essere utilizzato almeno cinque volte senza degradazione della qualità timbro.
  10. Tagliare il timbro nanopillar risultante (a doppio strato duro / morbido PDMS composito) 27 in pezzi di dimensioni desiderate (in genere 7 mm x 7 mm per le nostre cellule solari) utilizzando un coltello e memorizzarle sotto aria fino al momento dell'uso.

2. Preparazione di Block copolimero Solutions

  1. Pesare la polvere di blocco polystyrene- -poly-2-vinilpiridina (PS b -P2VP) in una bottiglia di vetro e mescolare con o -xylene nel rapporto di 3 mg / ml (PS b -P2VP / o -xylene) .
  2. Mescolare la miscela utilizzando un agitatore magnetico rivestito in PTFE a 70 ° C per 1 ora.
  3. Mantenere la soluzione risultante per più di 24 ore a RT senza mescolareanello per completare la formazione di micelle autoassemblati. Strettamente sigillare la soluzione e memorizzarlo in condizioni ambientali. Nota: La qualità della soluzione è invariata anche un anno dopo la preparazione.

3. Preparazione del μ c-Si: H Substrati

  1. Occhiali Lavare coperti con SnO 2: F (denotare vetro / SnO 2: F, di seguito) con H 2 O (500 ml), detergente (500 ml) e H 2 O (500 ml) a temperatura ambiente utilizzando un bagno ad ultrasuoni (15 min per ciascuno). Asciugarli soffiando N 2.
  2. Caricare il vetro pulito / SnO 2: substrati F in un supporto substrato e deposito ZnO: Ga (20 Nm) con una corrente del sistema sputtering continua (DC) con le condizioni specificate nella tabella 2.
  3. Caricare il vetro / SnO 2: F / ZnO: substrati Ga in un altro titolare substrato e deposito μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm), e N (40 nm) livelli utilizzando una sostanza chimica al plasma-enhanced vapor deposizione sistema (PECVD) con le condizioni specificate nella tabella 2.
  4. Conservare il conseguente μ c-Si: H (vetro / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) substrati sotto vuoto o N 2 fino alla fase di trasferimento la stampa.

4. Ag-rivestimento di PDMS Francobolli

  1. Lavare i francobolli PDMS (previste al punto 1) con EtOH (30 ml) con un bagno a ultrasuoni per 15 minuti e secco che soffia da N 2.
  2. Caricare i PDMS timbri puliti su un supporto campione utilizzando nastro biadesivo adesivo e depositare un film Ag (10-80 nm) utilizzando un fascio di elettroni (EB) sistema di evaporazione con le condizioni seguenti: velocità di deposizione = 5-10 / sec, pressione = ~ 1.5 × 10 -4 Pa.
  3. Estrarre i francobolli Ag rivestite dal sistema di evaporazione EB e utilizzarli immediatamente nel passaggio seguente stampa transfer.

5. Trasferimento di stampa di Ag Nanodisks su Thin-pellicola Si Superfici

  1. Estrarre il film sottile Si memorizzati substrati sotto vuoto o N 2 e spin-coat con la soluzione PS b -P2VP (0,3 ml per 50 mm x 50 mm di esempio, usando un micro pipetta digitale con una punta polipropilene monouso) a 5.000 rpm per 40 sec.
  2. Bagnare la superficie PS b -P2VP rivestite con EtOH utilizzando una micro pipetta digitale (5 micron / zona cellulare) e si applicano le PDMS Ag rivestite timbro dolcemente sulla superficie EtOH bagnato. Non premere il timbro.
  3. Posizionare il film sottile substrato di Si con il timbro in una camera a vuoto, applicare il vuoto (~ 133 Pa).
  4. Dopo 5 minuti, riempire la camera a vuoto con l'aria ed estrarre il film sottile Si substrato.
  5. Rimuovere il timbro dal film sottile Si substrato tenendo il lato sia del timbro con una pinzetta per trasferire-stampa nanodisks Ag. Nota: In caso di successo, la traccia di stampaggio è visibile come una macchia verdastra.
  6. Risciacquare il film sottile substrato di Si transfer-stampata con un flusso continuo di EtOH per 15 sec (~ 30 ml) e insufflando N 2.
  7. Rimuovere il rivestimento PS-b-P2VP utilizzando un sistema al plasma Ar.
    1. Posizionare il film sottile Si substrato trasferimento stampato nella camera di processo del sistema plasma Ar.
    2. Scaricare l'aria nella camera di processo per ~ 5 min (pressione ~ 20 Pa).
    3. Aprire la valvola di una linea gas Ar e regolare manualmente la portata di 4 sccm. Attendere per ~ 5 minuti per stabilizzare la pressione di 40 Pa.
    4. Genera Ar plasma per 108 secondi.
    5. Chiudere la valvola della linea del gas Ar, interrompere il pompaggio, e riempire l'aria nella camera di processo per eliminare i, trasferimento stampato a film sottile Si substrati plasma pulita.

6. Completamento del film sottile Fabrication cellulare Si solare

  1. Fissare le maschere di metallo per la sottile pellicola di trasferimento stampato Si substrati dopo il trattamento al plasma Ar utilizzano nastri in poliammide.
  2. Caricare i substrati mascherati in un supporto substrato di un sistema di sputtering DC e Deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), e ZnO: Ga (40 nm) in sequenza le condizioni specificate nella tabella 2.
  3. Staccare le maschere di metallo dai substrati e rimuovere i mascherati film sottile Si strati (cioè, l'area dove ZnO: Ga e Ag non sono stati depositati) utilizzando un sistema di attacco con ioni reattivi (RIE).
    1. Porre i campioni nella camera di processo del sistema RIE.
    2. Scaricare l'aria nella camera di processo seguendo le istruzioni del produttore.
    3. Impostare le condizioni di processo come segue seguendo le istruzioni del produttore: SF 6 / O 2 Portata = 100/20 SCCM, pressione = 20 Pa, 100 W di potenza, tempo = 1 min 20 sec.
    4. Aprire le linee di SF 6 e O 2 gas, stabilizzare la pressione, e generare plasma.
    5. Chiudere la valvola della linea SF 6 e O 2 gas, interrompere il pompaggio, e riempire N 2 nella camera di processo per estrarre i campioni.
  4. Metti ilcampioni in una camera a vuoto ricottura e cominciano riscaldare gradualmente fino a 175 ° C sotto vuoto (~ 133 Pa). Mantenere questa temperatura per 2 ore, e poi lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Riempire d'aria nella camera e prendere i campioni, che ora possono essere chiamati celle.
  5. Lega a base di Zn-Sn-Saldare sull'elettrodo anteriore trasparente (vetro / SnO 2: F / ZnO: Ga, la parte esposta dal trattamento RIE) usando un dispositivo di saldatura ad ultrasuoni.

7. Misura di efficienza quantica esterna (EQE)

  1. Allegare una maschera di luce-schermatura per una cella fabbricato con nastro poliimmide e impostare la cella mascherato in un supporto cella. Collegare sonde all'elettrodo anteriore saldato (+) e ritorno Ag / ZnO: Ga elettrodo (-).
  2. Misurare spettri EQE utilizzando un sistema di misurazione EQE seguendo le istruzioni del produttore con una gamma di lunghezze d'onda e fase di 300-1,100 nm e 5 nm, rispettivamente.

8. Misura della Fotovoltaico Corrente-Tensione (JV) Personaggiostiche

  1. Calibrare l'intensità luminosa di un sistema di misura caratteristiche JV utilizzando una cella di riferimento Si amorfo.
    1. Impostare la cella di riferimento Si amorfo ad un supporto cella del sistema di misurazione caratteristiche JV, e illuminare la luce.
    2. Leggere la corrente fotogenerata utilizzando un multimetro digitale dotata del sistema di misura caratteristiche JV. Regolare l'intensità della luce finché la corrente fotogenerata mostra il giusto valore per la cella di riferimento (8,34 mA / cm 2).
  2. Attaccare una maschera luce schermatura a una cella e impostare la cella mascherato in un supporto della cella. Collegare sonde all'elettrodo anteriore saldato (+) e ritorno Ag / ZnO: Ga elettrodo (-).
  3. Illuminare la luce calibrata (100 mW / cm 2, 1 sole) sulla cella e misurare correnti fotogenerati utilizzando il sistema di misurazione caratteristiche JV seguendo le istruzioni del produttore con un gradino di tensione di 0,02 V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figura 2 illustra la procedura generale per la stampa a trasferimento di nanodisks Ag sulla superficie uC-Si: H (n layer). Brevemente, un film Ag (spessore: 10-80 nm) viene dapprima depositato sulla superficie di un timbro nanopillar PDMS dal fascio di elettroni evaporazione. In parallelo, una soluzione -P2VP b PS è spin-rivestito sulla superficie di un preparato fresco uC-Si: H n strato. Successivamente, una gocciolina di EtOH è posto sulla superficie rivestita -P2VP PS b, e il timbro PDMS Ag-depositato viene posizionato sulla superficie di PS b -P2VP EtOH-bagnato. Non è necessario premere il timbro, perché un intimo contatto tra il substrato timbro e forma spontaneamente a causa della tensione superficiale derivato dalla evaporazione del EtOH. Dopo l'EtOH viene evaporata distanza (utilizzando una pressione ridotta), il timbro viene rilasciato dal substrato per completare il trasferimento del Ag depositato sulla zona in rilievo del timbro nanopillar PDMS. Infine, unTrattamento al plasma Ar è effettuato per rimuovere il rivestimento -P2VP PS b.

In figura 3 sono microscopio elettronico a scansione (SEM) immagini della matrice risultante nanodisk Ag su (a) uC-Si: H. Superfici (celle) 26 Figura 3A e 3B sono il top e vista un medesimo campione inclinato. La radice quadrata media rugosità (rms R) del sottostante uC-Si: H superficie era 6,6 nm; tuttavia, quasi completo trasferimento del nanodisks Ag, il cui diametro, la distanza da centro a centro, e lo spessore dei nanodisks Ag erano 200, 460, e 40 nm, rispettivamente, è stato raggiunto. Figura 3C è la vista in sezione trasversale un completato uC-Si: H struttura cellulare, cioè, dopo la deposizione (sputtering) di ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga strati sulla parte superiore della matrice nanodisk Ag mostrato in Figura 3A e 3B. Il diritto incorporato Ag nanodisks sul fotovoltaico uC-Si: H m> p - i - n strati sono stati osservati chiaramente.

Gli spettri EQE delle cellule fabbricate sono mostrati in Figura 4 26 Rispetto ad una cella di riferimento (una uC-Si: cellule H fabbricato contemporaneamente saltando il processo di stampa transfer)., Lo spettro EQE del nanodisk Ag (spessore: 40 nm) cellulare incorporato ha mostrato segnali più alti nella gamma di lunghezza d'onda (650-1,100 nm). Tale aumento di lunghezza d'onda selettiva indicava chiaramente l'effetto preferenziale delle nanodisks Ag plasmonically-attivi per celle solari; vale a dire, plasmonica cattura la luce. Quantificazione del grado di intrappolamento luce nella gamma 650-1,100 nm osservato in figura 3 è stata effettuata sommando i valori EQE di ciascuna cella e prendendo il rapporto tra loro (cella cella Ag-nanodisk incorporato / riferimento). Il valore era 1,60; Pertanto, il 60% di aumento EQE è stato ottenuto l'intrappolamento luce plasmonico Ag nanodisk-mediata.

ent "> Tabella 1 riassume le caratteristiche fotovoltaiche delle cellule nanodisk-incorporati e di riferimento Ag. 26 È stato confermato, come previsto, che la densità di corrente di corto circuito (J sc) della cella Ag nanodisk-incorporato aumentato rispetto a quello di la cella di riferimento (11.4 al 12.4 mA / cm 2) per il miglioramento EQE descritto sopra. Per quanto riguarda la tensione a circuito aperto (V oc) e il fattore (FF) riempimento, quelli delle due celle erano quasi la stessa (V oc : ~ 0,52 V, FF:. ~ 0,76) Di conseguenza, l'efficienza fotoconversione (η) della cella nanodisk-incorporato Ag migliorata (4,5% a 5,0%).

Figura 1
Figura 1. Sezione schematica di un Ag-nanodisk incorporato uC-Si:. Nanodisks H cella solare L'Ag individua al lato posteriore del uC-Si: H cella solare.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2. Procedura generale per la stampa trasferimento di Ag Nanodisks. L'Ag rivestite timbro nanopillar PDMS viene applicata sulla PS b -P2VP rivestite a film sottile substrato di Si la cui superficie è bagnata con EtOH. Trattamento al plasma Ar viene applicata per rimuovere il rivestimento PS-b-P2VP e per esporre il film sottile strato di Si. Dopo questo processo, ZnO: Ga / Ag / ZnO: strati Ga devono essere depositati in cima ai trasferimenti stampate Ag nanodisks per completare l'intera struttura delle celle solari mostrato in Figura 1. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .


Figura 3. SEM Immagini di Transfer-stampato Ag Nanodisks (diametro = 200 nm, spessore = 40 nm) (A) Vista superiore di trasferimento-stampato nanodisks Ag su un uC-Si:. Di superficie H. (B) Vista inclinata di trasferimento-stampato nanodisks Ag su un uC-Si: H superficie. (C) trasversale vista del trasferimento stampato Ag nanodisks (dimensioni: 200 nm) incorporato in un uC-Si. Cella H 26 Copyright 2014 La Japan Society di fisica applicata. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura .

Figura 4
Figura 4. EQE Spectra di uC-Si. Celle H (linea blu) Ag nanodisk (ND) -incorporated cellulare. (Linea tratteggiata rossa)Riferimento di cella. 26 migliorate le risposte sono state osservate con la linea blu a causa della cattura luce Ag ND-mediata. Questa cifra è stata modificata da Rif. 26. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Tabella 1. Sintesi della JV Fotovoltaico Caratteristiche del uC-Si: H cellule.

Tipo di cella J sc (mA / cm 2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-incorporato 12.4 0,526 0,764 5
Riferimento 11.4 0,521 0,763 4.5


Tabella 2. Condizioni di deposizione.

; "> Flusso di Ar = 200 sccm, pressione = 0.133 Pa, DC Potenza = 100 W, campione rotazione = 10 giri, velocità di deposizione = ~ 6 A / sec.
Passi Sistema di deposizione Materiali Condizioni
3.2 Sputtering ZnO: Ga Ar portata = 200 sccm, pressione = 0.133 Pa, potere = 200 W DC, campione rotazione = 10 giri, velocità di deposizione = ~ 3.3 Å / sec.
3.3 CVD uC-Si: H p Portata di SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 SCCM, la temperatura del substrato = 140 ° C, pressione = 1,5 torr, radiofrequenza (RF) densità di potenza = 80 mW / cm 2, tempo di deposizione = 5 min 45 sec (velocità = ~ 0,3 A / sec).
uC-Si: H i Portata di SiH 4 / H 2 = 10,5 / 380 SCCM, la temperatura del substrato = 180 ° C, pressione = 200 Pa, la densità di potenza RF = 40 mW / cm 2, tempo di deposizione = 1 ora 2 minuti (velocità = ~ 1,3 Å / sec).
uC-Si: H n Portata di SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 sccm, la temperatura del substrato = 195 ° C, pressione = 40 Pa, la densità di potenza RF = 80 mW / cm 2, tempo di deposizione = 23 min (= tasso ~ 0,3 Å / sec).
6.2 Sputtering ZnO: Ga Flusso di Ar = 200 sccm, pressione = 0.133 Pa, potere = 200 W DC, campione rotazione = 10 giri, velocità di deposizione = ~ 3.3 Å / sec.
Un G

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In questo articolo, un hard doppio strato / PDMS morbide composito è stato impiegato come materiale di bollo. 27 Questa combinazione è risultata essenziale per replicare esattamente la nanostruttura genitore nello stampo, che era una matrice rotonda buche esagonale vicino ricco di diametro di 230 nm, 500 nm di profondità, e foro centrale a centro spaziatura di 460 nm. Quando solo PDMS morbide è stato utilizzato, il timbro sempre comportato una superficie di poco nanostrutturati (per esempio, nessun spigolo vivo nella struttura a pilastri invertita) a causa del modulo del basso di Young, 28, pertanto, la stampa di trasferimento di nanodisks Ag non è mai realizzabile.

L'uso di copolimero a blocchi di spin-rivestito (PS b -P2VP) film sottili come strati di legame è un'altra chiave per la stampa transfer successo sul uC-Si: H superfici, che non sono liscia (rms R = ~ 6.6 nm). Anche se il trasferimento-stampa di strutture metalliche è stato originariamente sviluppato utilizzando piccole molecole organiche WHIch forma monostrati auto-assemblati (SAM) su terreni, 29 abbiamo scoperto che l'uso di SAM (3 mercaptopropyltrimethoxysilane) non funziona per i (leggermente) strutturato uC-Si: H superfici. Inoltre, la formazione di SAM con buona qualità richiede tempo (~ un paio di ore), mentre il nostro processo richiede meno di 1 min (40 sec per spin coating). Questo punto potrebbe essere importante per i materiali che devono operare in modo rapido per evitare eventi superficiali sfavorevoli, come la formazione di ossidi di eccesso o contaminazioni.

I ruoli di EtOH a stampa a trasferimento dovrebbero essere sottolineato. Il primo ruolo è, come già descritto, per favorire la formazione del contatto intimo tra la superficie timbro e destinazione utilizzando la tensione superficiale evaporando. Il secondo ruolo è quello di ricostruire il film sottile PS b -P2VP, che assicura la cattura dei metalli (Ag) su PDMS francobolli attraverso la formazione di legami di coordinazione metallo-piridina. 25 Noi crediamo che such evento dinamico all'interfaccia timbro / substrato è essenziale per la stampa transfer specialmente su superfici strutturate.

Quando la stampa transfer da procedura di cui sopra non ha avuto successo, il motivo era per lo più in francobolli impiegati. Poiché contatto conformazionale tra un timbro e un substrato è critica, la planarità della superficie del timbro è molto importante. La planarità è determinata dallo stato di uno stampo originale; Pertanto, una volta che la stampa transfer fallisce, sarebbe il tempo di cambio stampo. Secondo la nostra esperienza, il numero di volte che un stampo può essere riutilizzato è cinque, ma sarebbe aumentata di pulizia e la memorizzazione dello stampo appropriato. Piattezza di un francobollo avrebbe anche un impatto significativo sulla zona che può essere il trasferimento stampato in modo uniforme. A questo proposito, abbiamo dimostrato un patterning 20 mm × 20 millimetri scala con un timbro preparata da uno stampo fresco. 25

Per quanto riguarda il disegno del modello dello stampo / timbro,strutture / pilastro rotondo fori con diametro di 230/200 nm sono stati impiegati (diametro minore del pilastro è dovuta alla forma conica del foro originale). Questa scelta è stata semplicemente perché un tale stampo (film plastico nanoimprinted) è disponibile in commercio, e non era quello fabbricato specificamente alla nostra applicazione cella solare. Questo a sua volta significa che vi è abbondanza di spazio per i disegni del modello, che porterebbe a molta luce capacità di cattura superiore rispetto al risultato mostrato qui. A questo proposito, l'uso della simulazione ottica sarebbe utile per cercare modelli migliori. Sebbene la realizzazione di stampi reali (probabilmente di litografia a fascio elettronico) può essere costoso, una volta fabbricato, i francobolli corrispondenti possono essere replicate come numero di volte necessario. Così, il costo totale processo può essere notevolmente soppressa, che è il grande vantaggio di approcci stampa a trasferimento.

In termini di metalli trasferimento stampabile mediante la procedura descritta suoe, Au, Cu, Ni e sono stati confermati per essere applicabile. Va ricordato che nessuno di questi metalli ha fornito i migliori effetti di cattura della luce rispetto al caso di Ag. Un altro metallo testato era Al, che è considerato come un buon candidato per le applicazioni di luce di cattura plasmoniche. 30 Si è riscontrato, tuttavia, che la stampa trasferimento di Al è successo, probabilmente a causa della forte affinità con PDMS. Pertanto, modifiche di PDMS superfici 31 può essere richiesto per facilitare il trasferimento di stampa, riducendo l'interazione tra PDMS e depositati Al.

Oltre uC-Si: H, il metodo può essere utilizzato con una varietà di materiali, tra cui (texture) superfici molto ruvide (R rms ≥ 20 nm) 25 Infatti, abbiamo precedentemente affrontato la possibilità di texturing sinergica / plasmon-. mediata cattura luce fabbricando cellule con vetro strutturato / SNO 2:. substrati F 17 Inoltre, una simile luce cattura effect è stato documentato utilizzando cellule silicio amorfo idrogenato. 32 Altri materiali tecnologicamente importanti, come cristallino Si, GaAs, InP, e ossidi metallici, sono anche compatibili con il metodo, e quindi ulteriori applicazioni del dispositivo (non solo per le celle solari) sarebbe atteso.

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