制造高对比度光栅的频谱分割色散元件的聚光光伏系统

摘要

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.

摘要

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.

引言

无需移动能量消耗的显著一部分可再生能源现代社会将无法生存。要做到这一点，我们必须找到一种方式的成本比在不久的将来，石油为主的能源更低的收获可再生能源。太阳能是地球上最丰富的可再生能源。尽管很多进展的已在太阳能收集，它仍然是非常具有挑战性的，用石油为基础的能源竞争。提高太阳能电池的效率是最有效的方法来降低的太阳能收集系统的成本之一。

光学透镜和盘的反射器通常用在最浓的光伏（CPV）系统^1，实现了高浓度对小面积的太阳能电池的太阳能发电率，所以它是经济上可行的利用昂贵串联多结太阳能电池²中CPV系统，并保持合理的成本的同时。然而，对于大多数非集中光伏系统，其通常需要的太阳能电池的大面积装置，高成本叠层太阳电池不能掺入，尽管它们通常具有更广阔的太阳光谱响应和比更高的总转换效率单结太阳能电池^3。

最近，与并行光谱分裂光学器件的帮助下（ 即色散元件），平行光谱分裂光伏技术⁴使得有可能，类似的或更好的频谱覆盖范围和转换效率，而无需使用昂贵的串联型太阳能电池来实现。太阳光谱可以被分成不同的频带，每个频带可以被吸收并转换为电的专门的单结太阳能电池。以这种方式，昂贵的串联型太阳能电池中CPV系统可通过单结太阳能电池的并行分布来代替•不用对性能的任何折衷。

这是设计本报告中的色散元件可以在反射的CPV系统（它是基于盘反射器），以实现平行的频谱分割为改进太阳能电转换效率和降低的成本施用。多层高对比度光栅^（HCG）5用作色散元件通过设计的HCG各层工作作为光学带反射器。的结构和色散元件的参数进行数值优化。此外，高对比度的光栅的制造通过使用电介质色散元件（ _二氧化钛）溅射，纳米压印光刻⁶和反应离子蚀刻进行了研究和论证。

研究方案

1.准备空白聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基材纳米压印模具

1. 硅片处理工艺
   1. 通过用丙酮，甲醇和异丙醇漂洗清洗4英寸的硅晶片。
   2. 吹干使用氮气枪。
   3. （:硫酸，用30％的过氧化氢的混合物3）通过浸泡内15分钟用食人鱼溶液清洗。
   4. 用去离子水冲洗。使用氮气枪吹干。
   5. 放置在玻璃干燥器的晶片。添加脱模剂（三氯硅烷）进入干燥器的下降（20滴= 1毫升）。
   6. 抽空干燥器，直到压力表读数-762​​托，等待5小时。
   7. 取晶片出来，这已经用脱模剂。
2. PDMS薄膜的制备（用作模具在纳米压印）
   1. 称取将10克硅橡胶基地和1克固化剂。
   2. 添加它们以相同的玻璃烧杯中。
   3. 性病r和混合用玻璃棒5分钟。
   4. 将混合物放入真空干燥器中，直至压力表读数-762​​乇泵出所有夹带的气泡。
   5. 均匀地散布到他们的处理4英寸硅晶片。
   6. 烘烤在顶部的真空烘箱中7小时的PDMS晶片在80℃下，以固化的PDMS膜。

2.（从母模复制）准备纳米压印模具

1. 旋12滴（20滴= 1毫升）的UV可固化抗蚀剂（15.2％）干净的空白硅晶片上30秒以1,500rpm。
2. 小心剥离一块PDMS膜关闭处理的硅晶片。
3. 放的PDMS薄膜上的紫外线固化性抗蚀剂，并让它吸收UV抗蚀剂进行5分钟，然后把它剥开。
4. 重复2.1-2.3在相同的PDMS膜两次。吸收UV分别抗蚀3分钟和1分钟。
5. 将PDMS膜（后三次抵抗紫外线吸收）到硅模具师傅。
6. 把它放入用氮气环境的腔室。
7. 打开紫外灯，以固化样品5分钟。
8. 剥离PDMS膜。固化的紫外线抗蚀剂上的PDMS将保持母模的负图案。
9. 利用射频O ₂等离子治疗的PDMS模具。 （RF功率:30W，压力:260毫乇，时间:1分钟）
10. 将PDMS模具在真空室中带脱模剂2小时的一滴（20滴= 1毫升）。

3.纳米压印图案转印

1. 在基片上旋8滴（20滴= 1毫升）的PMMA（996k，3.1％），以在3,500rpm进行压印，50秒。
2. 烤它在热板上进行5分钟，在120℃。
3. 等待样品冷却下来。
4. 旋8滴（20滴= 1毫升）的UV可固化抗蚀剂（3.9％），在同一基板上。
5. 放置的PDMS模具（在步骤2中制备的）在样品上（与两个紫外抗蚀剂和聚甲基丙烯酸甲酯）。
6. 把它放入用氮气环境的腔室。
7. 打开的紫外灯固化5分钟。
8. 剥离的PDMS模具关闭样品和在PDMS模具的图案被转移到样品。

4.铬剥离工艺

1. 反应离子蚀刻紫外线残留抗蚀剂层和聚甲基丙烯酸甲酯
   注:为SOP机器ICP可在https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf发现
   1. 登录RIE威达机械。
   2. 放入空白4英寸硅片。运行清洁配方10分钟。
   3. 就拿空白硅片出。
   4. 安装样品上的另一个干净的硅晶片，并加载到机器。
   5. 运行紫外抗蚀剂蚀刻配方为2分钟（配方在表1中找到）。
   6. 取样品出来。放入空白4英寸硅片。重新运行清洁配方10分钟（在表1中可以找到）。
   7. 装载样品清洁硅晶片上并将其加载到机器。
   8. 运行的PMMA的蚀刻配方（可在表1中可以找到）2分钟。
      注意:现在的残留抗蚀剂已经蚀刻和基材暴露。
2. 铬电子束蒸发
   1. 登录到电子束蒸发器。
   2. 加载的Cr金属源和样品放入室中。
   3. 置的厚度（20 nm），而沉积速率（0.03纳米/秒）。
   4. 泵送腔室，直到所需的真空（10 ^-7乇）为止。
   5. 启动沉积过程。
   6. 取样品从沉积结束后。
3. CR剥离过程
   1. 沉浸样品在丙酮超声搅拌5分钟。
   2. 通过用丙酮，甲醇和异丙醇漂洗清洁样品。
      注意:铬蒸镀在抗蚀剂将被剥离，并形成一个Cr掩膜对基板蚀刻。

5. _二氧化钛德普osition

1. 加载样品。
2. 设置参数直流磁控溅射镀膜机
   1. 使用1.5毫托的室压力，以100sccm Ar流量为130 W·溅射功率
   2. 使用27℃的温度和20 rpm的阶段转动速度。
3. 启动溅射处理，并停止在所希望的厚度。
4. 取样品出来，退火在氧气环境中的TiO ₂膜在300℃下3小时。

6.高对比度光栅刻蚀

1. 登录在感应耦合等离子体（ICP）的反应离子蚀刻（RIE）的机器。
2. TiO ₂的蚀刻
   1. 放入空白4英寸硅晶片。
   2. 启动和运行的洁净配方10分钟（在表1中可以找到）。
   3. 卸载装载晶圆空白和负载与Cr掩膜样品。
   4. 设置蚀刻时间。开始TiO ₂的蚀刻配方。蚀刻过程中会自动matically停止。
   5. 卸载样品。
3. SiO ₂的蚀刻
   1. 除了 ​​使用SiO ₂的蚀刻配方重复步骤5.2。

7.反射测量仪

1. 登录并打开测量系统。
2. 放置在试样保持器的反射率标准镜子和对准的光路。
3. 校准系统为100％的反射率。
4. 取下反射镜的标准，然后将HCG。
5. 测量HCG的反射率。
6. 保存数据并注销测量系统。

结果

图1示出了色散元件（多层高对比度光栅（HCG））的一个集中式光伏系统的实施。太阳光线首先由主反射镜反射并撞击反射色散元件，其中该光束被反射并分成不同波长的不同的频带上。每个频带将撞击在目标位置的太阳电池阵列的最佳吸收并转化成电力上。这里的关键系统是设计和实现色散元件，它是由HCG的多层的。

图2示出了用于在分散元件的每...

讨论

首先，在TiO ₂膜的质量对于HCG的性能非常关键。反射率峰值将更高，如果在TiO ₂膜具有较少损耗和表面粗糙度。在TiO ₂膜具有更高的折射率也是有利的，因为该光学模式限制将通过在指数更高的对比度，从而可以产生更平坦和更广泛的反射带中的HCG来增强。

第二，在制造误差会对HCG显著影响，应加以避免。在制造中引入的粗糙度会导致更多的光被散射?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
184 Silcone elastomer kit	Sylgard		Polydimethylsiloxane (PDMS)
4 inch silicon wafer	Universitywafer
4 inch fused silica wafer	Universitywafer
Poly(methyl methacrylate)	Sigma-Aldrich	182265
UV-curable resist			Nor available on market
PlasmaLab System 100	Oxford Instruments		ICP IRE machine
UV curing system for nanoimprint fabrication			Not available on market
Ocean Optics HR-4000	Ocean Optics	HR-4000	Spectrometer with normal detector
Lambda 950 UV / VIS	PerkinElmer		spectrometer with hemisphere intergration detector
JSM-7001F-LV	JEOL		Field emission SEM
DC magnetron sputtering machine			Equipment is in HP labs, who helped us to sputter the TiO2
Metal e-beam evaporator	Temescal	BJD-1800