Herstellung von High Contrast Roste für die Spectrum Splitting dispersives Element in einer konzentrierten Photovoltaik-Anlage

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Unsere moderne Gesellschaft nicht ohne einen erheblichen Teil des Energieverbrauchs auf erneuerbare Energiequellen zu überleben. Um dies zu ermöglichen, müssen wir einen Weg, um erneuerbare Energien zu einem Preis niedriger als auf Erdöl basierenden Energiequellen in naher Zukunft ernten zu finden. Solarenergie ist die am häufigsten vorkommende erneuerbaren Energien auf der Erde. Trotz, dass viele Fortschritte haben in Solarenergieernte erzielt wurden, ist es immer noch sehr schwierig, mit Erdöl basierenden Energiequellen konkurrieren. Zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen ist eine der effizientesten Methoden, um die Systemkosten der Nutzung von Sonnenenergie zu senken.

Optische Linsen und Reflektoren Schale werden üblicherweise in den meisten konzentrierten Photovoltaik (CPV) ¹ verwendet, um eine hohe Konzentration von Sonnenenergie Einfall auf die kleinflächige Solarzellen zu erreichen, so dass es wirtschaftlich sinnvoll zu teuren Tandem Multi-Junction-Solarzellen ² in auszunutzen CPV-Systeme, und eine angemessene pflegenKosten zugleich. Für die meisten nicht-konzentrierten Photovoltaik, die in der Regel großflächig Rate von Solarzellen, die mit hohen Kosten Tandem-Solarzellen nicht eingebunden werden können, obwohl sie in der Regel einen größeren Sonnenspektrums Antwort und einen höheren Gesamtumwandlungswirkungsgrad als die Einzelsolarzellen ^3.

In jüngster Zeit mit Hilfe der parallelen Spektrum Teilungsoptik (dh dispersive Element), der parallel Spektrum Spalt Photovoltaik ⁴ hat es möglich gemacht, daß eine ähnliche oder bessere Spektrum Abdeckung und Umwandlungseffizienz ohne Verwendung der teuren Tandemsolarzellen erreicht werden. Das Sonnenspektrum in verschiedene Bänder aufgeteilt werden und jede Band kann absorbiert und Strom von den Facheinzelsolarzellen werden. Auf diese Weise können die teuren Tandemsolarzellen in CPV-Systeme durch eine parallele Verteilung der Single-Junction-Solarzelle ersetzt werdens, ohne Kompromisse bei der Leistung.

Das dispersive Element, das in diesem Bericht entworfen wurde, kann in einer reflektierenden CPV-System (die auf Teller Reflektoren basiert), um parallel Spektrum Aufspaltung für die verbesserte Solarstromumwandlungseffizienz und reduzierten Kosten zu realisieren angewendet werden. Mehrschicht hohen Kontrast Gitter (HCG) ⁵ als dispersives Element durch die Gestaltung jeder Schicht HCG verwendet, um als ein optisches Bandspiegel funktionieren. Strukturen und Parametern des dispersiven Elements numerisch optimiert. Darüber hinaus ist die Herstellung von Hochkontrastgittern zum dispersiven Elements durch Verwendung von dielektrischen (TiO ₂₎ Sputtern Nanoimprintlithografie ⁶ und reaktives Ionenätzen untersucht und nachgewiesen.

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Protokoll

1. Bereiten Sie die Blank Polydimethylsiloxan (PDMS) Substrat für Nanoimprint Mold

1. Silizium-Wafer-Behandlung Prozess
   1. Reinigen einer 4 inch Siliziumwafer durch Spülen mit Aceton, Methanol und Isopropanol.
   2. Blasen sie trocken mit dem Stickstoff gun.
   3. Reinigen Sie es mit Piranha-Lösung (3: 1 Gemisch aus Schwefelsäure mit 30% Wasserstoffperoxid) durch Einweichen innerhalb 15 min.
   4. Spülen Sie es mit DI-Wasser. Trocken blasen mit dem Stickstoff gun.
   5. Legen Sie die Wafer in einem Glas Exsikkator. Fügen Sie einen Tropfen (20 Tropfen = 1 ml) der Trennmittel (Trichlorsilan) in den Exsikkator.
   6. Abpumpen der Exsikkator, bis das Messgerät liest -762 Torr und warten Sie 5 Stunden.
   7. Nehmen Sie die Wafer aus, die mit Trennmittel behandelt worden ist.
2. Herstellung von PDMS Film (Wird als Mold in Nanoimprint)
   1. Ein Gewicht von 10 g Siliconelastomergrundstoff und 1 g des Härters.
   2. Fügen Sie sie in der gleichen Becherglas.
   3. Stir und mischen mit einem Glasstab für 5 min.
   4. Die Mischung in einem Vakuum-Exsikkator bis das Manometer liest -762 Torr zu pumpen alle eingeschlossenen Luftblasen.
   5. Verteile sie gleichmäßig auf die behandelte 4-Zoll-Siliziumwafer.
   6. Backen Sie den Wafer mit PDMS oben im Vakuumofen für 7 h bei 80 ° C, um die PDMS Film zu härten.

2. Bereiten Sie die Nanoimprint-Form (Vervielfältigung von der Master-Form)

1. Spin zwölf Tropfen (20 Tropfen = 1 ml) von UV-härtbaren Resist (15,2%) auf eine saubere lassen Siliziumwafer für 30 Sekunden bei 1.500 Umdrehungen pro Minute.
2. Ziehen Sie vorsichtig ein Stück PDMS Folie von der behandelten Siliziumscheibe.
3. Legen Sie die PDMS-Film auf die UV-härtbaren widerstehen und lassen Sie es zu absorbieren die UV-Resist für 5 min dann abziehen.
4. Wiederholen 2,1-2,3 auf der gleichen PDMS-Film für zwei mal. Absorbieren die UV-Resist für 3 min und 1 min auf.
5. Legen Sie die PDMS-Film (nach dreimaliger UV widerAufnahme) auf ein Siliziummasterform.
6. Legen Sie es in eine Kammer mit Stickstoffumgebung.
7. Schalten Sie UV-Lampe, die Probe für 5 min zu heilen.
8. Ziehen Sie die PDMS-Film. Der ausgehärtete UV Resist auf dem PDMS wird die negative Muster der Master-Form zu halten.
9. Verwenden RF _O2-Plasma, die PDMS-Form zu behandeln. (HF-Leistung: 30 W, Druck: 260 mTorr, Zeit: ca. 1 min)
10. Legen Sie die PDMS-Form in einer Vakuumkammer mit einem Tropfen (20 Tropfen = 1 ml) der Trennmittel für 2 Std.

3. Nanoimprint Musterübertragung

1. Spin acht Tropfen (20 Tropfen = 1 ml) aus PMMA (996 T, 3,1%) auf das Substrat für 50 s bei 3.500 Upm eingedruckt.
2. Backen auf einer Heizplatte 5 min bei 120 ° C.
3. Warten Sie, bis die Probe zum Abkühlen.
4. Spin acht Tropfen (20 Tropfen = 1 ml) von UV-härtbaren Resist (3,9%) auf dem gleichen Substrat.
5. Legen Sie die PDMS-Form (in Schritt 2 hergestellt) auf die Probe (sowohl mit UV-widerstehen und PMMA).
6. Legen Sie es in eine Kammer mit Stickstoffumgebung.
7. Schalten Sie die UV-Lampe für 5 min zu heilen.
8. Schälen Sie die PDMS-Form aus der Probe und das Muster auf der PDMS-Form wird auf die Probe übertragen.

4. Cr Abhebeprozeß

1. Reactive Ion Etching Restschicht von UV-widerstehen und PMMA
   Hinweis: Die SOP für ICP Maschine kann bei https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf gefunden werden
   1. Melden Sie sich an ICP RIE-Maschine.
   2. Legen Sie eine leere 4-Zoll-Siliziumwafer. Führen Sie das saubere Rezept für 10 min.
   3. Nehmen Sie die leeren Siliziumwafer aus.
   4. Montieren Sie die Probe auf einem anderen sauberen Siliziumwafer und laden Sie es in die Maschine.
   5. Führen Sie die UV Resistätzen Rezept für 2 min (das Rezept können in Tabelle 1 zu finden).
   6. Nehmen Sie die Probe aus. Legen Sie eine leere 4-Zoll-Siliziumwafer. Führen Sie den sauberen Rezept für 10 min (in Tabelle 1 zu finden).
   7. Montieren Sie die Probe auf einem sauberen Siliziumwaferund laden Sie es in die Maschine.
   8. Führen Sie das PMMA Ätzen Rezept (in Tabelle 1 aufgeführt) für 2 min.
      Anmerkung: Nun wird die Restresist geätzt wurde, und das Substrat freigelegt wird.
2. Cr Elektronenstrahlbedampfung
   1. Melden Sie sich e-beam Verdampfer.
   2. Laden Sie die Cr Metallquelle und Probe in die Kammer.
   3. Stellen Sie die Dicke (20 nm) und Abscheidungsrate (0,03 nm / s).
   4. Pumpen Sie die Kammer, bis erforderliche Vakuum (10 ^-7 Torr) erreicht ist.
   5. Starten Sie den Abscheidungsprozess.
   6. Nehmen Sie die Probe aus, nachdem die Ablagerung beendet.
3. CR Lift-off Verfahren
   1. Tauchen Sie die Probe in Aceton mit Ultraschallbewegung für 5 min.
   2. Reinigen Sie die Probe durch Spülen mit Aceton, Methanol und Isopropanol.
      Hinweis: Der Cr verdampft auf dem Resist wird abgehoben, und eine Cr-Maske zum Substrat Ätzen gebildet.

5. TiO ₂ Deposition

1. Lastprobe.
2. Stellen Sie die Parameter für die Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Maschine
   1. Verwenden einen Kammerdruck von 1,5 mTorr Ar-Strom von 100 sccm und einer Sputterleistung von 130 W.
   2. Verwenden eine Temperatur von 27 ° C und eine Stufe Drehzahl von 20 Upm.
3. Starten Sie das Sputter-Verfahren und stoppen an der gewünschten Dicke.
4. Nehmen Sie die Probe aus und glühen die TiO _{2 -Schicht} in Sauerstoffumgebung bei 300 ° C für 3 Stunden.

6. High Contrast Grating Etching

1. Log in der induktiv gekoppelten Plasma (ICP) reaktives Ionenätzen (RIE) Maschine.
2. TiO ₂ Ätzen
   1. Legen Sie eine leere 4-Zoll-Siliziumwafer.
   2. Starten und die saubere Rezept für 10 min (in Tabelle 1 zu finden).
   3. Entladen Sie laden den Rohling Wafer und laden Sie die Probe mit Cr-Maske.
   4. Stellen Ätzzeit. Starten TiO ₂ Ätzen Rezept. Der Ätzprozess wird automatischtisch zu stoppen.
   5. Entladen Sie die Probe.
3. SiO ₂ Etching
   1. Wiederholen Sie Schritt 5.2 nur geben Sie den SiO ₂ Ätzen Rezept.

7. Reflexionsmessung

1. Melden Sie sich an und schalten Sie das Messsystem.
2. Setzen Sie den Reflexionsstandard Spiegel auf dem Probenhalter und richten Sie den optischen Weg.
3. Kalibrierung des Systems für die 100% Reflexion.
4. Nehmen Sie die Reflexionsstandard Spiegel und setzen Sie die HCG.
5. Messen des Reflexionsvermögens des HCG.
6. Speichern Sie die Daten und melden Sie sich aus dem Messsystem.

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Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die Durchführung des dispersiven Elements (Multilayer hohen Kontrast Gitter (HCG)) in konzentrierter Photovoltaikanlage. Die Sonne Licht wird zuerst durch den Primärspiegel reflektiert und trifft auf den reflektierenden dispersiven Element, wo der Strahl reflektiert und in verschiedenen Banden unterschiedlicher Wellenlängen aufgespalten. Jedes Band wird auf eine bestimmte Stelle auf der Solarzellenanordnung für die beste Absorption und Umwandlung in Elektrizität auftreffen. Der Sc...

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Diskussion

Zunächst ist die Qualität des TiO _{2 -Films} sehr entscheidend für den HCG Leistung. Der Reflexionspeak wird höher sein, wenn die TiO _{2 -Schicht} hat einen geringeren Verlust und Oberflächenrauhigkeit. Der TiO _{2 -Film} mit einem höheren Brechungsindex ist auch günstig, weil der optische Modenführung wird durch einen höheren Kontrast im Index, was zu einer flacheren und breiteren Reflexionsbande in HCG geben kann verbessert werden.

Zweitens werden die Her...

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Materialien

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