JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

The fabrication of high contrast gratings as the parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system is demonstrated. Fabrication processes including nanoimprint lithography, TiO2 sputtering and reactive ion etching are described. Reflectance measurement results are used to characterize the optical performance.

Abstract

High contrast gratings are designed and fabricated and its application is proposed in a parallel spectrum splitting dispersive element that can improve the solar conversion efficiency of a concentrated photovoltaic system. The proposed system will also lower the solar cell cost in the concentrated photovoltaic system by replacing the expensive tandem solar cells with the cost-effective single junction solar cells. The structures and the parameters of high contrast gratings for the dispersive elements were numerically optimized. The large-area fabrication of high contrast gratings was experimentally demonstrated using nanoimprint lithography and dry etching. The quality of grating material and the performance of the fabricated device were both experimentally characterized. By analyzing the measurement results, the possible side effects from the fabrication processes are discussed and several methods that have the potential to improve the fabrication processes are proposed, which can help to increase the optical efficiency of the fabricated devices.

Introduction

سيكون لدينا مجتمع حديث لا البقاء على قيد الحياة دون تحريك جزء كبير من استهلاك الطاقة إلى مصادر الطاقة المتجددة. لتحقيق ذلك، علينا أن نجد وسيلة لحصاد الطاقة المتجددة في أقل من المصادر النفطية للطاقة في المستقبل القريب حيث التكلفة. الطاقة الشمسية هي الطاقة المتجددة الأكثر وفرة على الأرض. على الرغم من أن هناك الكثير من أوجه التقدم قد أحرز في حصاد الطاقة الشمسية، فإنه لا يزال تحديا كبيرا للتنافس مع مصادر الطاقة المعتمدة على النفط. تحسين كفاءة الخلايا الشمسية هي واحدة من أكثر الطرق فعالية لخفض تكلفة نظام حصاد الطاقة الشمسية.

وعادة ما تستخدم العدسات البصرية وعاكسات طبق في الضوئية الأكثر تركيزا أنظمة 1 (CPV) لتحقيق نسبة عالية من الإصابة الطاقة الشمسية على الخلايا الشمسية في منطقة صغيرة، لذلك هو مجد اقتصاديا لاستغلال مكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية متعددة التقاطع 2 في نظم CPV، والحفاظ على معقولتكلف في نفس الوقت. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم النظم الكهربائية الضوئية غير المركزة، والتي تتطلب عادة الدفعة منطقة كبيرة من الخلايا الشمسية، لا يمكن دمج الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب ذات التكلفة العالية، على الرغم من أنها عادة ما يكون لها رد الطيف الشمسية على نطاق أوسع وأعلى كفاءة تحويل الكلية من تقاطع واحد الخلايا الشمسية 3.

في الآونة الأخيرة، مع مساعدة من موازية البصريات الطيف تقسيم (أي التشتت عنصر)، جعلت الطيف تقسيم موازية التكنولوجيا الضوئية 4 من الممكن أن تغطية الطيف مماثلة أو أفضل وكفاءة التحويل لا يمكن أن يتحقق دون استخدام الخلايا الشمسية مكلفة جنبا إلى جنب. يمكن تقسيم الطيف الشمسي في نطاقات مختلفة، ويمكن أن تستوعب كل فرقة وتحويلها إلى كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية أحادية تقاطع المتخصصة. في هذه الطريقة، ومكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية في أنظمة CPV يمكن الاستعاضة عن توزيع مواز من واحد تقاطع الخلايا الشمسيةالصورة دون التأثير على الأداء.

عنصر التشتت التي تم تصميمها في هذا التقرير يمكن تطبيقها في نظام CPV العاكسة (التي تقوم على عاكسات طبق) لتحقيق مواز تقسيم الطيف من أجل تحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية الكهرباء وخفض التكاليف. يستخدم متعدد الطبقات حواجز شبكية عالية التباين (HCG) 5 كعنصر التشتت من خلال تصميم كل طبقة من HCG في العمل بوصفه عاكس الفرقة البصرية. يتم تحسين الهياكل والمعلمات للعنصر التشتت عدديا. وعلاوة على ذلك، تدرس تصنيع حواجز شبكية عالية التباين للعنصر التشتت باستخدام عازل (تيو 2) الاخرق، nanoimprint الطباعة الحجرية 6 و رد الفعل ايون النقش وأظهر.

Protocol

1. إعداد Polydimethylsiloxane فارغ (PDMS) الركيزة لNanoimprint القالب

  1. عملية رقاقة السيليكون العلاج
    1. تنظيف 4 بوصة رقاقة السيليكون قبل الشطف مع الأسيتون والميثانول والأيزوبروبانول.
    2. ضربة الجافة باستخدام بندقية النيتروجين.
    3. تنظيفه باستخدام حل سمكة البيرانا (3: 1 خليط من حامض الكبريتيك مع 30٪ بيروكسيد الهيدروجين) عن طريق نقع داخل لمدة 15 دقيقة.
    4. شطفه بالماء DI. ضربة الجافة باستخدام بندقية النيتروجين.
    5. وضع رقاقة في مجفف الزجاج. إضافة قطرة (20 نقطة = 1 مل) من الإفراج عن وكيل (trichlorosilane) في المجفف.
    6. ضخ أسفل مجفف حتى يقرأ مقياس -762 عربة والانتظار لمدة 5 ساعة.
    7. أخذ يفر بها، والتي تم التعامل مع الافراج عن وكيل.
  2. إعداد PDMS فيلم (كما تستخدم القالب في Nanoimprint)
    1. تزن 10 غرام من السيليكون قاعدة المطاط الصناعي و 1 غرام من وكيل علاج.
    2. إضافتها في نفس زجاج الدورق.
    3. الأمراض المنقولة جنسياص وتخلط مع قضيب الزجاج لمدة 5 دقائق.
    4. وضع الخليط في مجفف فراغ حتى يقرأ مقياس -762 عربة لضخ جميع فقاعات الهواء المحتبسة.
    5. نشرها بالتساوي على تعامل 4 بوصة رقاقة السيليكون.
    6. خبز الرقاقة مع PDMS على رأس القائمة في الفرن فراغ لمدة 7 ساعة عند 80 ° C لعلاج الفيلم PDMS.

2. إعداد قالب Nanoimprint (الازدواجية من القالب الرئيسي)

  1. تدور اثني عشر قطرات (20 نقطة = 1 مل) من الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة (15.2٪) على تنظيف رقاقة السيليكون فارغة لمدة 30 ثانية في 1500 دورة في الدقيقة.
  2. قشر بعناية قطعة من الفيلم PDMS قبالة رقاقة السيليكون المعالجة.
  3. وضع الفيلم PDMS على الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة والسماح لها استيعاب الأشعة فوق البنفسجية مقاومة لمدة 5 دقائق ثم قشر تشغيله.
  4. كرر 2،1-2،3 في نفس الفيلم PDMS لمرتين. امتصاص الأشعة فوق البنفسجية مقاومة لمدة 3 دقائق و 1 دقيقة على التوالي.
  5. وضع الفيلم PDMS (بعد ثلاث مرات للأشعة فوق البنفسجية مقاومة امتصاص) على القالب الرئيسي السيليكون.
  6. وضعه في غرفة مع البيئة النيتروجين.
  7. تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية لعلاج العينة لمدة 5 دقائق.
  8. تقشر الفيلم PDMS. الأشعة فوق البنفسجية الشفاء مقاومة على PDMS سيبقي نمط سلبي من القالب الرئيسي.
  9. استخدام RF O 2 البلازما لعلاج العفن PDMS. (الطاقة RF: 30 W، الضغط: 260 mTorr، والوقت: 1 دقيقة)
  10. وضع قالب PDMS في فراغ الغرفة مع قطرة واحدة (20 نقطة = 1 مل) من الإفراج عن وكيل لمدة 2 ساعة.

3. Nanoimprint نقل نمط

  1. تدور ثمانية قطرات (20 نقطة = 1 مل) من PMMA (996k، 3.1٪) على الركيزة أن مطبوع لمدة 50 ثانية في 3500 دورة في الدقيقة.
  2. خبز على موقد لمدة 5 دقائق في 120 ° C.
  3. الانتظار للحصول على نموذج ليبرد.
  4. تدور ثمانية قطرات (20 نقطة = 1 مل) من الأشعة فوق البنفسجية للشفاء مقاومة (3.9٪) على نفس الركيزة.
  5. وضع القالب PDMS (المعد في الخطوة 2) على عينة (مع كل من الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وPMMA).
  6. وضعه في غرفة مع البيئة النيتروجين.
  7. تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية لعلاج لمدة 5 دقائق.
  8. قشر العفن PDMS من العينة ونمط على قالب PDMS يحصل على تحويلها إلى نموذج.

4. الكروم، يقلع عملية

  1. أيون رد الفعل الحفر طبقة المتبقية من الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وPMMA
    ملاحظة: SOP لآلة ICP يمكن العثور عليها في https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford٪20Chlorine٪20Etcher٪20SOP.pdf
    1. تسجيل الدخول آلة ري ICP.
    2. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون. تشغيل وصفة نظيفة لمدة 10 دقيقة.
    3. خذ رقاقة السيليكون فارغة بها.
    4. جبل العينة على رقاقة السيليكون نظيف آخر وتحميله في الجهاز.
    5. تشغيل الأشعة فوق البنفسجية مقاومة وصفة النقش لمدة 2 دقيقة (وصفة يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1).
    6. أخذ عينة من. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون. إعادة تشغيل صفة نظيفة (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 10 دقيقة.
    7. جبل العينة على رقاقة السيليكون نظيفةوتحميله في الجهاز.
    8. تشغيل وصفة النقش PMMA (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 2 دقيقة.
      ملاحظة: الآن المتبقي مقاومة وقد حفرت وتتعرض الركيزة.
  2. كر E-شعاع التبخر
    1. تسجيل الدخول إلى البريد شعاع المبخر.
    2. تحميل المصدر المعادن الكروم وعينة في الغرفة.
    3. تعيين سمك (20 نانومتر) ومعدل الترسيب (0.03 نانومتر / ثانية).
    4. ضخ الغرفة حتى فراغ المطلوبة (10 -7 عربة) يتم التوصل إليه.
    5. بدء عملية الترسيب.
    6. أخذ عينة من بعد انتهاء الترسيب.
  3. CR انطلاقه الداخلي
    1. تزج العينة في الأسيتون مع الإثارة بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 دقائق.
    2. تنظيف العينة قبل الشطف مع الأسيتون والميثانول والأيزوبروبانول.
      ملاحظة: يبخر الكروم على مقاومة سيتم انطلق ويتكون قناع الكروم لالركيزة الحفر.

5. تيو 2 قسمosition

  1. عينة الحمل.
  2. تعيين المعلمات من أجل المباشرة الحالية آلة المغنطرون الاخرق
    1. استخدام ضغط الغرفة 1.5 mTorr، وتدفق عار 100 SCCM وقوة الاخرق من 130 W.
    2. استخدام درجة حرارة 27 ° C، وسرعة دوران المرحلة من 20 دورة في الدقيقة.
  3. بدء عملية تفل والتوقف عند سمك المطلوب.
  4. أخذ عينة من ويصلب الفيلم تيو 2 في بيئة الأكسجين عند 300 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.

6. التباين العالي المشبك الحفر

  1. تسجيل الدخول في الجهاز إضافة بالحث البلازما (ICP) رد الفعل ايون النقش (ري).
  2. تيو 2 النقش
    1. تحميل فارغ 4 بوصة رقاقة السيليكون.
    2. بدء وتشغيل وصفة نظيفة (يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1) لمدة 10 دقيقة.
    3. تفريغ تحميل رقاقة فارغة وتحميل عينة مع قناع الكروم.
    4. ضبط الوقت الحفر. بدء تيو 2 الحفر وصفة. عملية الحفر إرادة السياراتوقف تلقائياً.
    5. تفريغ العينة.
  3. شافي 2 النقش
    1. كرر الخطوة 5.2 باستثناء استخدام الحفر صفة شافي 2.

7. قياس الانعكاس

  1. تسجيل الدخول وتشغيل نظام القياس.
  2. وضع مرآة مستوى الانعكاس على صاحب العينة ومواءمة مسار بصري.
  3. معايرة نظام لالانعكاس بنسبة 100٪.
  4. خلع معيار مرآة الانعكاس ووضع HCG.
  5. قياس الانعكاس للHCG.
  6. حفظ البيانات وتسجيل الخروج من نظام القياس.

النتائج

ويبين الشكل 1 تنفيذ عنصر التشتت (عالية متعدد الطبقات صريف النقيض من (HCG)) في نظام الضوئية المركزة. وينعكس ضوء الشمس لأول مرة من قبل المرآة الأولية واعتداء على عنصر التشتت العاكسة، حيث ينعكس شعاع وتقسيمها إلى نطاقات مختلفة من أطوال موجية مختلفة. سيكون لكل فرقة ?...

Discussion

أولا، نوعية الفيلم تيو 2 هو أمر بالغ الأهمية لأداء HCG. سوف ذروة الانعكاس تكون أعلى إذا كان الفيلم تيو 2 ديها أقل خسارة وخشونة السطح. الفيلم تيو 2 مع ارتفاع مؤشر الانكسار هو أيضا مواتية لأنه سيتم تعزيز وضع الحبس البصري على النقيض العالي في المؤشر، والتي ...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وأيد هذا البحث كجزء من مركز علم النانو للطاقة، وهو مركز أبحاث الطاقة الحدودي الذي تموله وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم تحت بجائزة عدد DE-SC0001013. نحن نريد أيضا أن أشكر الدكتور ماكس تشانغ والدكتور جيان هوا يانغ من مختبرات HP لمساعدتهم على تيو 2 الاخرق فيلم ومؤشرات قياس الانكسار.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
184 Silcone elastomer kitSylgardPolydimethylsiloxane (PDMS)
4 inch silicon waferUniversitywafer
4 inch fused silica waferUniversitywafer
Poly(methyl methacrylate)Sigma-Aldrich182265
UV-curable resistNor available on market
PlasmaLab System 100Oxford InstrumentsICP IRE machine
UV curing system for nanoimprint fabricationNot available on market
Ocean Optics HR-4000 Ocean OpticsHR-4000Spectrometer with normal detector
Lambda 950 UV / VISPerkinElmerspectrometer with hemisphere intergration detector
JSM-7001F-LVJEOLField emission SEM
DC magnetron sputtering machineEquipment is in HP labs, who helped us to sputter the TiO2
Metal e-beam evaporatorTemescalBJD-1800

References

  1. Horne, S., et al. A Solid 500 Sun Compound Concentrator PV Design. Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on. , 694-697 (2006).
  2. Guter, W., et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight. Applied Physics Letters. 94, 223504 (2009).
  3. Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).
  4. Green, M. A. Potential for low dimensional structures in photovoltaics. Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).
  5. Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. Physics of near-wavelength high contrast gratings. Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).
  6. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 14, 4129-4133 (1996).
  7. Namiki, T. A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).
  8. Moharam, M. G., Gaylord, T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).
  9. Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Spectrum splitting using multi-layer dielectric meta-surfaces for efficient solar energy harvesting. Appl. Phys. A. 115, 713-719 (2014).
  10. Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication of high-contrast gratings for a parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system. Journal of Vacuum Science & Technology B. 32, 06FG04-06FG04-6 (2014).
  11. Solak, H. H., et al. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).
  12. Li, Z., et al. Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution. Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).
  13. Yu, Z., Chen, L., Wu, W., Ge, H., Chou, S. Y. Fabrication of nanoscale gratings with reduced line edge roughness using nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 21, 2089-2092 (2003).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

101 nanoimprint

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved