Transfer Baskı ile Hidrojene Mikrokristal Silikon Güneş Pilleri Işık Yakalama Gümüş Nanoyapıların Entegrasyonu

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

Teknolojik alanda geniş bir fonksiyonel nano uygulama için uzun süredir bir talep vardır. Bu eğilimin beklentilerden biri geliştirilmiş ya da yenilikçi performanslar giden cihazı mimarilerinin yeni tasarım açmaktır. Güneş pillerinin alanında, örneğin metal nano kullanımının etkin dolayı ilginç optik (yani plasmonik) özellikleri, etkili ışık yakalama sistemlerini inşa etmek 1 potansiyel olarak yararlı bir araştırılmaktadır. 2,3 Gerçekten de, bazı teorik çalışmalar 4 -6 gibi plasmonik ışık yakalama güneş hücreleri ile istenen metal nano entegre stratejiler geliştirmek, konvansiyonel ışın optiği (tekstüre) Sonuç olarak ışık yakalama sınırı. 7 tabanlı aşan etkileri elde edebiliriz ileri sürmüşlerdir bu gerçekleştirmek için giderek daha önemli hale gelmiştir teorik tahminler.

Çok sayıda strateji vardırBu şartları karşılamak için önerilmiştir. 8-24 Bu, örneğin, basit (düşük) metal filmlerle 8,9 ya da önceden sentezlenmiş metal nanopartiküller dispersiyon termal tavlama için 10,11, her ikisi de başarılı gösteriler sonuçlandı içerir plasmonik ışık yakalama. Ancak, bu yaklaşımların tarafından fabrikasyon metal nanoyapılar genellikle teorik modellere maç zorlu olduğunu işaret edilmelidir. Buna karşılık, böyle bir fotolitografi ve elektron demeti litografi gibi yarı iletken sektörlerinde geleneksel nanofabrikasyon teknikleri, 12,13 de alt 100 nm seviyesinin altında yapılar kontrol edebilirsiniz, ancak genellikle çok pahalı ve olan güneş hücreleri uygulamak için zaman alıcı, düşük maliyet ile burada büyük alanlı yeteneği şarttır. Düşük maliyetli, yüksek verim ve nano ölçekli kontrol edilebilirlik ile geniş alan gereksinimleri gibi nanoimprint litografi, 14-16 yumuşak litografi, 17,18 gibi yöntemler yerine getirmek için 19-21 ve delik maskesi kolloidal litografi 22-24 umut verici olurdu. Bu seçenekler arasında, biz yumuşak litografik, gelişmiş transfer baskı tekniği geliştirdik. 25 bir nanoyapılı poli (dimetilsiloksan) (PDMS) pulları ve blok kopolimer bazlı yapıştırıcı katmanları kullanarak sipariş metal nano desen kolayca teknolojik bir dizi sağlanabilir güneş pilleri için olanlar dahil olmak üzere ilgili maddeler.

Bu yazının amacı, güneş pili yapılarının mevcut etkili ışık yakalama plasmonik nano dahil bizim transfer baskı yaklaşımının detaylı prosedürü tarif etmektir. Metal ve güneş hücreleri için diğer tipleri bu yaklaşım ile uyumlu olan, ancak güneş hücreleri bu çalışmada seçilmiştir (Şekil 1), 26: demonstrasyon bir durum olarak, Ag nanodisks ve ince-film mikrokristalin Si (lH uc-Si) hidrojenlendi. Birlikte onun süreci ilebasitlik, yaklaşma cihazları ile fonksiyonel metal nano entegre kullanışlı bir araç gibi çeşitli araştırmacıların ilgi olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

PDMS Pullar 1. Hazırlık

  1. Politetrafloroetilen (PTFE) kap: a nanohole kalıp (50 mm x 50 mm nanoimprinted siklo olefin polimer plastik film, boyutu).
  2. Ve 2,4 (tek kullanımlık polipropilen uçlu bir dijital mikro pipet kullanarak, 6 ul) tek kullanımlık bir cam şişe vinylmethylsiloxane-dimetilsiloksan kopolimeri (50 mm x 50 mm kalıp 0.76 g) tartılır ve Pt-diviniltetrametildisilokzandır kompleksi ile karıştırarak, (tek kullanımlık bir polipropilen ucu ile bir dijital mikro pipet kullanılarak 24 ul), 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane.
  3. (0.24 ml tek kullanımlık polipropilen uçlu bir dijital mikro pipet kullanarak) metilhidrojensiloksan-dimetilsiloksan kopolimer ekle cam şişe ve hızlı bir şekilde atılabilir cam pipet kullanarak karıştırın. PTFE kap içinde belirlenen kalıp yüzeyi N2 tarafından üflenir sonra, kalıp üzerine ortaya çıkan karışımın ("sert" PDMS prepolimer) dökün ve spin-ceket başlangıç40 saniye boyunca 1000 rpm'de ing ~ 40 mikron katman kalınlığı elde etmek.
  4. 30 dakika kısa bir süre çapraz bağ sabit PDMS için 65 ° C 'de ısıtılmış bir sıcak oda spin kaplı örnek yerleştirin.
  5. Isıtma sırasında, silikon (6 g) tartın ve bir kullanılıp atılabilir bir cam şişeye katalizörü (0.6 g) ile karıştırılır. Bir vakum kurutucu içinde, cam bir şişe yerleştirin ve silikon karışımı ("yumuşak" PDMS ön-polimer) sıkışıp havayı çıkarmak için 15 dakika boyunca vakum (~ 133 Pa) uygulanır.
  6. Sırasıyla ısıtma odasına ve vakum desikatörde, kalıp ve yumuşak PDMS prepolimer dışarı atın ve hızlı bir şekilde ısıtılmış kalıp üzerine prepolimer yumuşak PDMS dökün. Yumuşak PDMS tabakasının kalınlığı ~ 3 mm'dir.
  7. En az 1 saat boyunca ~ 133 Pa Daha fazla gazdan arındırmadan tekrar vakum eksikatörü içinde elde edilen örnek yerleştirin.
  8. Isıtma odasına gazı alınmış örnek aktarın ve 80 ° C (~ 3 ° C / dk ısıtma oranı) kadar kademeli olarak ısıtılması başlar. 5 saat boyunca bu sıcaklık tutunSert ve yumuşak PDMS tamamen çapraz bağlantı.
  9. RT aşağı örneği soğutulduktan sonra PDMS kalıp dikkatlice damga soyulabilir. Gerekiyorsa, ikinci (veya daha fazla) pul hazırlamak için kalıp yeniden. Not: Aynı kalıp damgası kalitesi bozulma olmadan en az beş kez kullanılabilir.
  10. Bir bıçak kullanarak istenilen ölçülerde parçaları (güneş hücreleri için genellikle 7 mm x 7 mm) içine çıkan nanopillar damgası (çift katmanlı yumuşak / sert PDMS kompozit) 27 Kesme ve kullanıma kadar hava altında saklayın.

Blok Kopolimer Çözümleri 2. Hazırlık

  1. (PS-b -P2VP / o -xylene) bir cam şişe içinde polistiren bloğu -poli-2-vinilpiridin (PS-b -P2VP) tozunun tartılır ve 3 mg / ml oranında o -xylene ile karıştırarak .
  2. 1 saat süre ile 70 ° C 'de, bir PTFE kaplı manyetik bir karıştırma çubuğu ile karıştırın.
  3. Karıştırın RT'de fazla 24 saat boyunca elde edilen çözelti, tutunHalka kendi kendini monte misellerin oluşumu tamamlanır. Sıkıca çözüm mühür ve ortam koşullarında saklayın. Not: çözümün kalitesi bile bir yıl hazırlandıktan sonra değişmez.

Μ c-Si 3. Hazırlanması: H Malzameler

  1. F (ifade cam / SnO 2: F, aşağıda) Yıkama camlar SNO 2 ile kaplanmış bir ultrasonik banyo kullanılarak oda sıcaklığında H2O (500 mi) ile, deterjan (500 mi) ve H2O (500 mi) (15 her dakika). N 2 üfleme onları kurutun.
  2. Temizlenmiş cam yükleyin / SnO 2: bir alt tabaka tutucu ve mevduat ZnO F yüzeyler: Ga (20 nm) Tablo 2'de belirtilen şartlara sahip bir doğru akım (DC) püskürtme sistemini kullanarak.
  3. Cam yükleyin / SnO 2: F / ZnO: plazma gelişmiş kimyasal kullanılarak H p (10 nm) i (500 nm) ve n (40 nm) katmanları: Başka Yüzey tutucu ve mevduat μ c-Si Ga yüzeyler Vapor biriktirme Tablo 2'de belirtilen şartlara (PECVD) sistemi.
  4. Ortaya çıkan μ c-Si Mağaza: H (cam / SnO 2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) transferi yazdırma adıma kadar vakum ya da N2 altında yüzeyler.

PDMS Pullar 4. Ag-kaplama

  1. N 2 üfleyerek EtOH (aşama 1 'de hazırlandı) PDMS pulları (30 mi) 15 dakika boyunca bir ultrason banyosu kullanılarak, kuru yıkayın.
  2. Biriktirme oranı = 5-10 Å / sn, basınç: bir elektron demeti aşağıdaki koşullar ile (EB) buharlaşma sistemi kullanarak bir Ag filmi (10-80 nm) çift taraflı yapışkan bant kullanarak bir numune tutucu temizlenmelidir PDMS pulları yükleyin ve mevduat = ~ 1.5 × 10 -4 Pa.
  3. EB buharlaşma sistemi Ag kaplı pulları dışarı atın ve aşağıdaki transfer baskı adımda hemen kullanabilirsiniz.

Ince üzerine Ag Nanodisks 5. Transfer BaskıFilm Si Yüzeyler

  1. 5.000 (atılabilir bir polipropilen ucu ile bir dijital mikro pipet kullanılarak, 50 mm x 50 mm numune için 0.3 ml) Si PS-b -P2VP çözeltisi vakum ya da N 2 ve spin-kat altında saklanan alt-tabakalar ince bir film çıkarın 40 sn için rpm.
  2. EtOH bir dijital mikro pipet (5 mikron / hücre alanı) kullanarak ps b -P2VP kaplı yüzeyi ıslatın ve Ag-kaplı PDMS EtOH ıslak yüzeye hafifçe damga geçerlidir. Damgayı basmayın.
  3. Bir vakum odasında damgasıyla ince film Si substrat yerleştirin ve uygulamak vakum (~ 133 Pa).
  4. 5 dakika sonra, hava ile vakum odasını doldurmak ve ince-film Si substrat çıkar.
  5. Ag nanodisks baskı aktarmak için cımbız ile pulu iki tarafında tutarak ince film Si substrattan damga çıkarın. Not: Eğer başarılı olursa, damgalama iz yeşilimsi bir nokta olarak görülebilir.
  6. Et sürekli bir akış ile transfer baskılı ince film Si substrat durulayınOH N 2 esen 15 sn (~ 30 mi) ve kuru için.
  7. Bir Ar plazma sistemini kullanarak PS-b-P2VP kaplama çıkarın.
    1. Ar plazma sisteminin proses odasına transfer baskılı ince film Si substrat yerleştirin.
    2. ~ 5 dk (basınç ~ 20 Pa) için işlem odasındaki havayı dışarı pompalamak.
    3. Ar gaz hattının vanasını açın ve manuel 4 sccm'lik akış hızını ayarlamak. 40 Pa basıncı stabilize etmek üzere 5 ~ için minimum bekleyin.
    4. 108 saniye boyunca Ar plazması oluşturmak.
    5. Plazma temizlenmiş, transfer baskılı ince film Si yüzeylerde almaya işlem odasına hava, Ar gaz hattının vanasını kapatın pompalama durdurmak ve doldurun.

İnce film Si Güneş Pili Fabrikasyon 6. Tamamlama

  1. Si poliimid bantlar kullanarak Ar plazma tedaviden sonra yüzeylerde transfer baskılı ince film metal maskeleri takın.
  2. DC püskürtme sistemi ve deposi bir alt tabaka tutucu maskeli tabakaları yüklemekt ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), ve ZnO: Ga Tablo 2'deki koşullar (40 nm) sırasıyla.
  3. Yüzeylerde metal maskeleri çıkarın ve maskeli ince film Si katmanları kaldırmak (yani ZnO alanı: Ga ve Ag yatırılan değil) reaktif iyon aşındırma (RIE) sistemini kullanarak.
    1. RIE sisteminde bir işlem odasında numuneler.
    2. Üreticinin talimatlarına aşağıdaki işlem odasındaki havayı dışarı pompalamak.
    3. SF 6 / O 2 debisi = 100/20 sccm, basınç = 20 Pa, gücü 100 W, süresi = 1 dak 20 sn: Üreticinin talimatı takip aşağıdaki gibi işlem koşullarını ayarlayın.
    4. SF 6 ve O 2 gaz hatlarını açın basıncı stabilize ve plazma oluşturmak.
    5. Numune almaya işlem odasına N 2, SF 6 ve O 2 gaz hattının vanasını kapatın pompalama durdurmak ve doldurun.
  4. KoyBir vakum tavlama odası içinde örnekler ve vakum içinde (~ 133 Pa) altında 175 ° C 'ye kadar yavaş yavaş ısıtılması başlar. 2 saat boyunca bu sıcaklık tutun ve daha sonra oda sıcaklığına soğumaya bırakın. Odasında havayı doldurun ve şimdi hücreler denebilecek örnekleri çıkar.
  5. Ön şeffaf elektrot üzerinde Lehim Sn-Zn-bazlı alaşım (cam / SnO 2: F / ZnO: Ga, RIE tedavisi ile maruz kısım) ultrasonik lehim cihazı kullanılarak.

Dış Kuantum Verimliliği 7. ölçümü (EQE)

  1. Poliimid bant kullanarak bir fabrikasyon hücreye bir ışık koruyucu maske takın ve hücre tutucu maskeli hücreyi ayarlayın. (-) Ga elektrot: önden lehimli elektrodun (+) ve Ag / ZnO için sondaları bağlayın.
  2. Bir dalga boyu aralığındaki sırasıyla 300-1,100 nm ile 5, aşama ile, üretici talimatlarına göre bir EQE ölçülendirme sistemi EQE spektrumları ölçün.

Fotovoltaik Akım-Gerilim (OG) 8. Ölçüm Karakteristics

  1. Amorf bir Si referans hücresi kullanılarak bir JV özellikleri ölçüm sisteminin ışık yoğunluğunu ayarlayın.
    1. JV özellikleri ölçüm sisteminin hücre sahibine amorf Si referans hücresini ayarlayın ve ışık yanar.
    2. JV özellikleri ölçüm sistemindeki donatılmış bir dijital avometre ile foto jenere akımı okuyun. Foto jenere akım referansı hücresine (8.34 mA / cm 2) doğru değerini gösterir kadar ışık yoğunluğunu ayarlayın.
  2. Bir hücreye bir ışık koruyucu maske takın ve hücre tutucu maskeli hücreyi ayarlayın. (-) Ga elektrot: önden lehimli elektrodun (+) ve Ag / ZnO için sondaları bağlayın.
  3. Hücrenin üzerinde kalibre ışık (100 mW / cm 2, 1 güneş) Aydınlatmak ve 0.02 V gerilim adım üreticinin talimatlarına JV özellikler ölçüm sistemini kullanarak foto jenere akımları ölçmek

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

H (n katmanı): Şekil 2 uc-Si yüzeyine Ag nanodisks transfer baskı için genel işlem özetlenmektedir. Kısaca, bir Ag filmi (kalınlık: 10-80 nm), elektron ışını, buharlaştırma ile nanopillar PDMS damga yüzeyi üzerine tatbik edilir. H n tabaka: Buna paralel olarak, PS-b -P2VP çözeltisi taze hazırlanmış uc-Si yüzeyine kaplanmış bir spin. Daha sonra, bir EtOH damlacık PS-b -P2VP kaplı yüzey üzerine yerleştirilir ve Ag-tevdi PDMS damgası EtOH ıslak PS-b -P2VP yüzeyi üzerine yerleştirilir. Mühür ve alt-tabaka arasında yakın bir temas kendiliğinden EtOH buharlaştırılarak elde edilen yüzey gerilimi nedeniyle oluşturması nedeniyle basarak Resim, pul için gereklidir. EtOH (azaltılmış basınç kullanılarak) uzaklıkta buharlaştırıldıktan sonra, damga nanopillar PDMS damga yükseltilmiş bölgesi üzerine yerleştirilen Ag transferini tamamlamak için alt-tabakadan salınmaktadır. Son olarak, birAr plazma işleme PS-b -P2VP kaplama kaldırmak için gerçekleştirilir.

En H yüzeylerine (hücre) 26 Şekil 3A ve 3B, ve aynı numunenin incelemeler eğik. Uc-Si (in) ile elde edilen Ag nanodisk dizinin elektron mikroskobu (SEM) görüntü tarama olan Şekil 3'te gösterilmektedir. Karekök pürüzleri yatan uc-Si (R rms) ortalama: H yüzeyi 6.6 nm idi; Bununla birlikte, çap Ag nanodisks, merkez-merkez mesafesi ve Ag nanodisks kalınlığı hemen hemen tamamen transferi 200, 460 ve 40 nm, sırası ile, elde edilmiştir. Şekil 3C, enine kesitsel bir görünüşüdür; Tamamlanmış bir uc-Si: H hücre yapısı, yani, ZnO çökeltilmesinden (püskürtme) sonra: Ga / Ag / ZnO: Şekil 3A ve 3B'de gösterilen Ag nanodisk dizinin üstünde Ga katmanları. Fotovoltaik uc-Si gömülü Ag nanodisks hakkı: H m> s - i - n katmanlar açıkça gözlendi.

Imal edilmiş hücrelerin EQE spektrumu Şekil 4 de gösterilmiştir 26 referans hücresi ile karşılaştırıldığında (bir uc-Si: transfer baskı atlama işlemini aynı anda imal H hücresi)., Ag nanodisk arasında EQE spektrumu (kalınlık: 40 nm) anonim hücre uzun dalga boyu aralığında (650-1,100 nm) yüksek sinyal gösterdi. Bu dalga boylu seçici zenginleştirme açık güneş pılı ıçın plasmonically aktif Ag nanodisks tercih edilen etki gösterdiğini ortaya koymaktadır; yani, plasmonik ışık yakalama. Şekil 3'te görülen 650-1,100 nm aralığında ışık yakalama derecesinin ölçümü, her bir hücrenin EQE değerlerinin toplanmasıyla ve bunların oranı (Ag nanodisk-dahil hücre / başvuru hücresi) dikkate alınarak gerçekleştirildi. Değeri 1.60 idi; Bu nedenle, 60% EQE artış Ag nanodisk aracılı plasmonik ışık yakalama ile elde edilmiştir.

ent "> Tablo 1 Ag nanodisk-dahil ve referans hücrelerinin fotovoltaik özelliklerini özetlemektedir. 26 beklendiği gibi Ag nanodisk-dahil hücrenin kısa devre akım yoğunluğu (J sc) ile karşılaştırıldığında artış olduğunu, teyit edildi Referans hücre nedeniyle açık devre gerilimi (V oc) gelince. Yukarıda açıklanan EQE donanımın (11.4 12.4 mA / cm2) ve faktör (FF) doldurun, iki hücre olanlar hemen hemen aynı (V oc vardı : ~ 0,52 V, FF. ~ 0.76) bir sonucu olarak, geliştirilmiş Ag nanodisk-dahil hücre Fotoçevrim verimi (η) (% 5.0,% 4.5).

figür 1
Şekil 1. Ag nanodisk-dahil uc-Si Şematik Kesit:. H güneş pili: H güneş pili Ag nanodisks uc-Si arka tarafında bulur.: //www.jove.com/files/ftp_upload/53276/53276fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Şekil 2. Ag Nanodisks. Ag kaplı nanopillar PDMS damga transfer baskı için Genel Prosedür, yüzeyi EtOH ıslak PS-b -P2VP kaplı ince film Si alt-tabaka üzerine uygulanır. Ar, plazma işleme PS-b-P2VP kaplamasının çıkarılması ve ince-film tabakası ortaya Si uygulanır. Bu işlemden sonra, ZnO: Ga / Ag / ZnO: Ga katmanları Şekil 1'de gösterildiği tüm güneş hücre yapısını tamamlamak için transfer baskılı Ag nanodisks üstünde biriken gerekmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız .


. H yüzeyinde: Transferi Baskılı Ag Nanodisks (çap = 200 nm, 40 = kalınlık nm) (A) uc-Si transfer baskılı Ag nanodisks En bakış Şekil 3. SEM Görüntüleri. (B) uc-Si transfer baskılı Ag nanodisks ve Yatırılmış görünüm: H yüzeyinde. (C) Kesit transfer baskılı Ag nanodisks görüntüle (boyut: 200 nm) bir uc-Si gömülü. H hücresi 26 Copyright 2014 Uygulamalı Fizik Japonya Derneği. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız .

Şekil 4,
Uc-Si Şekil 4. EQE Spectra:. H hücreleri (Mavi hattı) Ag nanodisk (ND) hücreyi -incorporated. (Kırmızı kesikli çizgi)Referans hücresi. 26 Geliştirilmiş tepkiler mavi çizgi Ag ND-aracılı ışık yakalama nedeniyle gözlendi. Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 26. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.


H hücreleri: uc-Si Fotovoltaik JV Özelliklerinin Tablo 1. özeti.

Hücre tipi J sc (mA / cm2) V oc (V) FF Η (%)
Ag nanodisk-dahil 12.4 0,526 0,764 5
Referans 11.4 0,521 0,763 4,5


Tablo 2. Biriktirme koşulları.

; "> Ar akışı = 200 sccm, basınç = 0.133 Pa, DC güç = 100 W, örnek rotasyon = 10 rpm, çökelme oranı = ~ 6 Å / sn.
Adımlar Biriktirme sistemi Malzemeler Koşullar
3.2 Püskürtme ZnO: Ga Ar oranı = 200 SCCM, basınç = 0.133 akış Pa, DC güç = 200 W, örnek rotasyon = 10 rpm, çökelme oranı = ~ 3.3 Å / sn.
3.3 CVD uc-Si: H p SiH 4 / H 2 / B 2 H 6 = 3,5 / 450/2 sccm, yüzey sıcaklığı = akış hızı 140 ° C, basınç = 1,5 torr, radyo frekansı (RF) güç yoğunluğu = 80 mW / cm2, biriktirme süresi = 5 dk 45 sn (oranı = ~ 0.3 Å / sn).
uc-Si: H i SiH 4 / H 2 = 10.5 / 380 sccm, yüzey sıcaklığı = 180 ° C, basınç = 200 Pa, RF güç yoğunluğu = 40 mW / cm2, biriktirme süresi = 1 saat 2 dakika (oran akış hızı = ~ 1.3 Å / sn).
uc-Si: H n SiH 4 / H 2 / PH 3 = 3/148/12 sccm, yüzey sıcaklığı = 195 ° C, basınç = 40 Pa, RF güç yoğunluğu = 80 mW / cm2, biriktirme süresi = 23 dakika (oran akış hızı = ~ 0.3 Å / sn).
6.2 Püskürtme ZnO: Ga Ar akışı = 200 sccm, basınç = 0.133 Pa, DC güç = 200 W, örnek rotasyon = 10 rpm, çökelme oranı = ~ 3.3 Å / sn.
Ag

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yazıda, bir çift katmanlı sert / yumuşak PDMS kompozit malzemeler damga olarak istihdam edildi. 27 Bu kombinasyon kesin çapı altıgen yakın dolu yuvarlak delikli bir dizi oldu kalıp, ebeveyn nano yapısını çoğaltmak için gerekli olduğu tespit edildi 230 nm, 500 nm derinliği ve 460 nm delik merkez-merkez aralığında bir. Sadece yumuşak PDMS kullanıldığında, damga her zaman kötü nanoyapılı yüzeyde sonuçlandı (örneğin, ters ayağı yapısında keskin kenar) düşük olması nedeniyle Young modülü için, 28 Dolayısıyla, Ag nanodisks transfer baskı asla ulaşılabilir oldu.

Spin-kaplı blok kopolimer (PS b -P2VP) bağlayıcı tabakalar olarak ince filmlerin kullanılması uc-Si başarılı transfer baskı için başka anahtar: (R rms = ~ 6.6 nm) düzgün değil H yüzeyler. Metal yapıların transfer baskı başlangıçta küçük organik moleküller WHI kullanılarak geliştirilen rağmenH yüzeyler: ch biz SAMs (3-merkaptopropiltrimetoksisilan) kullanımı (biraz) dokulu uc-Si için çalışmıyor bulundu 29 yüzeylerde kendini monte mono tabakaları (SAMs) oluşturur. Buna ek olarak, kaliteli SAMs oluşumu süresi (~ birkaç saat), bizim süreci 1 dakika (spin kaplama ile 40 sn) daha az ihtiyaç ise sürüyor. Bu nokta gibi aşırı oksitler veya kontaminasyon oluşumu gibi olumsuz yüzey olayları önlemek için hızlı operasyonlar ihtiyaç malzemeleri için önemli olabilir.

Transfer baskı EtOH rolleri de vurgulanmalıdır. İlk rolü daha buharlaşması üzerine yüzey gerilimini kullanan mühür ve hedef yüzey arasındaki yakın temas oluşması için tarif edildiği gibi, bir. İkinci rol metal piridin koordinasyon bağlarının oluşumu ile PDMS pulları üzerinde metallerin (Ag) yakalanmasını sağlayan PS b -P2VP ince bir film, yeniden etmektir. 25 Biz olduğuna inanıyorumDamga / substrat arayüzünde uch dinamik olay, özellikle dokulu yüzeyler üzerinde transfer baskı için esastır.

Yukarıdaki prosedür ile transfer baskı başarısız olunca, nedeni kullanılan damgalar çoğunlukla oldu. Bir mühür ve bir substrat arasındaki konformal temas kritik olduğundan, damgası yüzeyinin düzlüğü çok önemlidir. Düzlük orijinal kalıp durumuna göre belirlenir; transfer baskı başarısız bir kez, bu nedenle, bu kalıp değiştirmek için zaman olacaktır. Deneyimlerimize göre, bir kalıp tekrar kullanım sayısının beş olması, ancak uygun temizleme ve kalıp saklanması ile arttırılabilir olacaktır. Bir damga düzlük de düzgün transfer baskılı olabilir alanda önemli bir etkiye sahip olacaktır. Bu bakımdan, biz yeni bir kalıptan hazırlanan bir damga ile 20 mm 20 × mm çaplı desenlendirme göstermiştir. 25

Kalıp / damga desen tasarımı gelince,istihdam edildi nm 230/200 çaplı yuvarlak delikli / sütun yapıları (ayağı küçük çaplı nedeniyle orijinal deliğin konik şekil) olduğunu. Böyle bir kalıp (nanoimprinted plastik film) ticari olarak mevcut olduğundan bu seçim sadece idi ve bizim güneş pili uygulaması için özel imal biri değildi. Bu da burada gösterilen sonuca kıyasla çok üstün ışık yakalama yeteneği yol açacak desen tasarımları için bol olduğu anlamına gelir. Bu bağlamda, optik simülasyon kullanımı daha iyi modellerini aramak için yararlı olacaktır. (Muhtemelen elektron demeti litografi) tarafından fiili kalıp imalatı kez fabrikasyon, pahalı olmasına rağmen gerektiği gibi, ilgili pullar defalarca çoğaltılabilir. Bu nedenle, toplam proses maliyeti önemli ölçüde transfer baskı yaklaşımların büyük bir avantaj olduğu, bastırılabilir.

Prosedürle metaller transfer yazdırılabilir açısından onu tarife, Au, Cu ve Ni geçerli olduğu teyit edildi. Bu metallerin yok Ag duruma kıyasla daha iyi bir ışık yakalayıcı etkileri sağladığı belirtilmelidir. Test başka bir metal plasmonik ışık yakalama uygulamaları için iyi bir aday. O bulundu 30 olarak kabul edilir, Al, oldu, ancak, Al o transfer baskı muhtemelen PDMS ile güçlü yakınlığa, başarısız olur. Bu nedenle, PDMS değişiklikler 31 PDMS arasındaki etkileşimi azaltarak transfer baskı kolaylaştırmak için gerekli ve Al tevdi edilebilir yüzeyler.

Diğer uc-Si den. H, yöntem son derece kaba (dokulu) yüzeyler dahil olmak üzere çeşitli malzemelerden, (R rms ≥ 20 nm) 25 Aslında, daha önce sinerjistik tekstüre olasılığını ele alınmıştır / plasmon- kullanılabilir / SnO 2 dokulu cam hücreleri imal ışık yakalama aracılı:. F alt tabakaları ek olarak 17 benzer bir ışık yakalama effect hidrojenlenmiş amorf Si hücreleri kullanılarak belgelenmiştir. Bu gibi kristalin Si, GaAs, InP, ve metal oksitler gibi diğer 32 teknolojik olarak önemli malzemeler, aynı zamanda olacaktır (sadece solar hücreler için) yöntemiyle uyumlu olması ve böylece daha fazla cihaz uygulamaları vardır beklenen.

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