Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck

Zusammenfassung

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Zusammenfassung

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (µc-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated µc-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

Einleitung

Es hat eine langjährige Forderung für die Anwendung von funktionellen Nanostrukturen in einer breiten Palette von technologischen Bereich. Einer der Erwartungen für diesen Trend ist die neue Design der Gerätearchitekturen was zu einer verbesserten oder innovative Leistungen zu öffnen. Auf dem Gebiet der Solarzellen, zum Beispiel die Verwendung von Metall-Nanostrukturen wurde aktiv durch ihre faszinierende optische (dh Plasmonen) Eigenschaften ¹ potenziell vorteilhaft für effektive Lichtfangsysteme konstruieren, erforscht. ^2,3 Tat einige theoretische Studien ^{4 -6} haben vorgeschlagen, dass solche plasmonischer Lichteinfang könnte, die größer als die herkömmliche Strahlenoptik (Texturierung) -basierte Lichtgrenze Trapping. ⁷ Als Ergebnis zu erzielen, die Entwicklung von Strategien, um die gewünschte Metallnanostrukturen mit Solarzellen integriert zunehmend an Bedeutung, um diese zu realisieren theoretischen Vorhersagen.

Eine Reihe von Strategienvorgeschlagen worden, um dieser Herausforderung zu begegnen. ^8-24 Dazu gehören beispielsweise einfache (Low-Cost) Tempern der Metallfolien ^8,9 oder Dispersion vorsynthetisierten Metall-Nanopartikel, ^10,11 die beide führten zu erfolgreichen Demonstrationen Plasmonen Lichteinfang. Es sollte jedoch darauf hin, dass die Metall-Nanostrukturen durch diese Ansätze hergestellt sind üblicherweise schwierig zu den theoretischen Modellen übereinstimmt hingewiesen. Demgegenüber sind die traditionellen nanofabrication Techniken in der Halbleiterindustrie, wie beispielsweise Fotolithographie und Elektronenstrahllithographie, ^12,13 Strukturen können auch unter der Sub-100 nm-Ebene zu kontrollieren, sondern sie sind oft zu teuer und zeitaufwendig, um Solarzellen anwenden, denen ein großflächiger Fähigkeit mit niedrigen Kosten wesentlich. Um die kostengünstigen, mit hohem Durchsatz und Flächenbedarf mit nanoskaligen Steuerbarkeit Methoden wie Nanoimprintlithografie ^14-16 Weichlithographie, ^17,18 erfüllen Nanokugel-Lithographie, ^19-21 und Lochmaske kolloidale Lithographie ^22-24 wäre vielversprechend. Unter diesen Entscheidungen haben wir einen weichen lithographischen, fortschrittliche Übertragungsdrucktechnik entwickelt. ²⁵ Mit einer nanostrukturierten Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) Briefmarken und Blockcopolymer-basierten Haftschichten, könnte Musterung bestellt Metallnanostrukturen leicht auf eine Reihe von technologisch erreicht werden relevanten Materialien, einschließlich derjenigen für Solarzellen.

Der Schwerpunkt dieses Artikels ist es, die Einzelheiten des Verfahrens der Transferdruck Ansatz zu beschreiben, um wirksam Lichteinfang plasmonischer Nanostrukturen in bestehenden Solarzellenstrukturen zu integrieren. Als demonstrativen Fall Ag Nanoscheiben und Dünnschicht hydriertem mikrokristallinem Si (& mgr; c-Si: H) Solarzellen wurden in diese Studie ausgewählt (Abbildung ^1), 26, obwohl auch andere Arten von Metallen und Solarzellen mit diesem Ansatz vereinbar sind. Zusammen mit seinen ProzessEinfachheit, würde der Ansatz von Interesse für diverse Forscher als ein praktisches Tool, um funktionelle Metallnanostrukturen mit Geräten zu integrieren.

Protokoll

1. Herstellung von PDMS-Stempeln

1. Legen Sie einen nanohole Form (nanoimprinted Cyclo Olefin-Polymer Kunststoff-Folie, Größe: 50 mm x 50 mm) in einem Polytetrafluorethylen (PTFE) Container.
2. Wiegen Vinylmethylsiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymer (0,76 g der 50 mm × 50 mm Form) in einem Einweg-Glasflasche und mischt sie mit der Pt-Divinyltetramethyldisiloxan-Komplex (6 & mgr; l unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) und 2,4, 6,8-tetramethyltetra-Vinylcyclotetrasiloxan (24 & mgr; l, unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze).
3. In Methylhydrogensiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymer (0,24 ml, unter Verwendung eines digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) in der Glasflasche und mischen Sie es schnell mit einem Einweg-Glaspipette. Nachdem die Oberfläche der Form in der PTFE-Behälter gesetzt wird durch N ₂ geblasen wird, gießen Sie die resultierende Mischung ("harte" PDMS-Präpolymer) auf der Form und starten Spin-Manteling bei 1.000 UpM für 40 sec, die Schichtdicke von ~ 40 & mgr; m zu erzielen.
4. Den Spin-beschichtete Probe in einem Heißkammer bei 65 ° C für 30 min kurz vernetzen die harten PDMS vorerhitzt.
5. Während der Erwärmung, wiegen Silicon (6 g) und mischen Sie es mit dem Katalysator (0,6 g) in einem Einweg-Glasflasche. Legen Sie die Glasflasche in einem Vakuumexsikkator und gelten Vakuum (~ 133 Pa) für 15 Minuten, um die Luft in der Silikonmischung ("weiche" PDMS-Präpolymer) gefangen zu entfernen.
6. Nehmen Sie die Form und weichen PDMS-Präpolymer aus der Wärmekammer und Vakuumtrockenschrank, bzw., und die weichen PDMS schnell gießen Prepolymer auf die erhitzte Form. Die Dicke der weichen PDMS-Schicht ist ~ 3 mm.
7. Platzieren der resultierenden Probe im Vakuumexsikkator wieder zur weiteren Entgasung bei ~ 133 Pa mindestens 1 Stunde.
8. Übertragen der entgasten Probe zur Heizkammer und Anheizen allmählich bis auf 80 ° C (Aufheizrate ~ 3 ° C / min). Halten Sie diese Temperatur für 5 Stundenzu vernetzen die harten und weichen PDMS vollständig.
9. Nach dem Abkühlen der Probe bis auf RT, ziehen Sie die PDMS-Stempel vorsichtig aus der Form. Wiederverwendung der Form, um die zweite (oder mehr) Briefmarken vorzubereiten, falls erforderlich. Anmerkung: Die gleiche Form kann mindestens fünfmal ohne Abbau des Stempels Qualität eingesetzt werden.
10. Schneiden Sie die resultierende nanopillar Tempel (doppelschichtigen hart / weich PDMS Composite) ²⁷ in Stücke der gewünschten Größe (in der Regel 7 mm x 7 mm für unsere Solarzellen) mit einem Messer und bewahren Sie sie an der Luft bis zur Verwendung.

2. Herstellung von Blockcopolymer-Lösungen

1. Wiegen Sie das Pulver aus Polystyrol- Block poly-2-vinylpyridin (PS- b -P2VP) in einer Glasflasche und mischen Sie es mit o-Xylol in einem Verhältnis von 3 mg / ml (PS- b -P2VP / o-Xylol) .
2. Das Gemisch wird unter Verwendung eines PTFE-beschichteten Magnetrührstab bei 70 ° C für 1 Stunde.
3. Halten Sie die resultierende Lösung für mehr als 24 Stunden bei Raumtemperatur, ohne AufsehenRings um die Bildung von selbstorganisierten Mizellen abzuschließen. Dicht verschließen Sie die Lösung und speichern Sie sie unter Umgebungsbedingungen. Anmerkung: Die Qualität der Lösung ist auch ein Jahr nach der Herstellung unverändert.

3. Herstellung von μ c-Si: H Substrate

1. F (bezeichnen Glas / SnO _2: F, bezeichnet) Wash Gläser mit SnO ₂ bedeckt _mit H 2 O (500 ml), Reinigungsmittel (500 ml) und _H 2 O (500 ml) unter Verwendung eines Ultraschallbades bei RT (15 min für jeden). Trocknen Sie sie durch Einblasen von N _2.
2. Laden des gereinigten Glas / SnO _2: F Substrate in einem Substrathalter und Einlagen ZnO: Ga (20 nm) unter Verwendung eines Gleichstrom (DC) Sputter-System mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
3. Laden der Glas / SnO _2: F / ZnO: Ga Substrate in einem anderen Substrathalter und Einlagen μ c-Si: H p (10 nm), i (500 nm), und n (40 nm) Schichten mit einem plasmaunterstützten chemischen vapor Abscheidung (PECVD) System mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
4. Bewahren Sie die resultierende μ c-Si: H (Glas / SnO _2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) Substrate unter Vakuum oder N _{2, bis die} Transferdruckschritt.

4. Ag-Beschichtung von PDMS Briefmarken

1. Durch Einblasen von N ₂ waschen die PDMS-Stempel (hergestellt in Schritt 1) mit EtOH (30 ml) mit einem Ultraschallbad 15 min _und trocken.
2. Laden die gereinigt PDMS-Stempel auf einem Probenhalter mit doppelseitigem Klebeband und Hinterlegung eines Ag-Films (10-80 nm) mit einem Elektronenstrahl (EB) Verdunstung mit folgenden Bedingungen: Abscheidungsrate = 5-10 Å / sec, Druck = ~ 1,5 ^× 10 -4 Pa.
3. Nehmen Sie die Ag-beschichtete Briefmarken aus der EB-Verdampfungssystem und sofort nutzen sie in der folgenden Transferdruckschritt.

5. Transferdruck von Ag Nanoscheiben auf ThinFilm Si Oberflächen

1. Nehmen das Dünnschicht Si-Substraten unter Vakuum oder N _{2 und} Schleuderbeschichtung mit dem PS- b -P2VP Lösung gelagert (0,3 ml für 50 mm × 50 mm Probe, unter Verwendung einer digitalen Mikropipette mit einem Einweg-Polypropylen-Spitze) bei 5.000 rpm für 40 sec.
2. Befeuchten Sie die PS- b -P2VP beschichtete Oberfläche mit EtOH unter Verwendung eines digitalen Mikropipette (5 & mgr; m / Zellfläche) und wenden die Ag-beschichtete PDMS-Stempel sanft auf die EtOH-nassen Oberfläche. Drücken Sie nicht die Stempel.
3. Legen Sie die Dünnschicht-Si-Substrat mit dem Stempel in einer Vakuumkammer und ein Vakuum (~ 133 Pa).
4. Nach 5 min, füllen Sie die Vakuumkammer mit Luft und nehmen Sie die Dünnschicht-Si-Substrat.
5. Entfernen Sie den Stempel aus der Dünnschicht-Si-Substrat durch Halten der beiden Seiten der Stempel mit einer Pinzette Ag Nanoscheiben-Druck übertragen. Hinweis: Falls erfolgreich, als grünlichen Fleck sichtbar, ist die Spur von Stempeln.
6. Mit einem kontinuierlichen Fluss von Et spülen umgedruckte Dünnfilm Si-SubstratOH für 15 sec (~ 30 ml) und trockne durch Blasen N _2.
7. Entfernen Sie den PS-b-P2VP Beschichtung unter Verwendung eines Ar-Plasmasystem.
   1. Setzen Sie den umgedruckt Dünnschicht-Si-Substrat in der Prozesskammer der Ar-Plasma-System.
   2. Pumpe aus der Luft in den Prozessraum für ca. 5 min (Druck ~ 20 Pa).
   3. Öffnen Sie das Ventil von einer Ar-Gasleitung und die Durchflussrate auf 4 sccm manuell einstellen. Warten für ~ 5 min, um den Druck auf 40 Pa zu stabilisieren.
   4. Generieren Ar-Plasma für 108 sec.
   5. Schließen Sie das Ventil des Ar-Gasleitung, das Pumpen zu stoppen, und füllen Sie Luft in die Prozesskammer, um so den Plasma gereinigt, umgedruckt Dünnschicht-Si-Substraten.

6. Fertigstellung des Dünnschicht-Si-Solarzellen Fabrication

1. Befestigen Metallmasken zu der umgedruckte Dünnfilm Si-Substrate nach der Behandlung mit Argonplasma Polyimidfolien.
2. Laden die maskierten Substrate in einem Substrathalter eines DC-Sputtersystems und Deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm) und ZnO: Ga (40 nm) aufeinanderfolgend mit den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
3. Trennen der Metallmasken von den Substraten zu entfernen und die maskierten Dünnschicht Si-Schichten (dh der Bereich, in dem ZnO: Ga und Ag wurden nicht hinterlegt) unter Verwendung eines reaktiven Ionenätzens (RIE) -System.
   1. Die Proben werden in der Prozesskammer des RIE-System.
   2. Auspumpen der Luft in der Behandlungskammer unter Befolgung der Herstelleranweisungen.
   3. Stellen Sie die Prozessbedingungen wie folgt nach den Anweisungen des Herstellers: SF _{6 /} O 2 Durchflussrate = 100/20 sccm, Druck = 20 Pa, Leistung 100 W, Zeit = 1 min 20 sec.
   4. Öffnen die SF _{6 und O} 2 Gasleitungen Stabilisierung des Drucks und erzeugen Plasma.
   5. Schließen Sie das Ventil der SF _{6 und O} 2 Gasleitung, das Pumpen zu stoppen, und füllen N ₂ in die Prozesskammer, um so den Proben.
4. Lege dasProben in einem Vakuum-Glühkammer und starten Erhitzen allmählich bis zu 175 ° C unter Vakuum (~ 133 Pa). Halten Sie diese Temperatur für 2 Stunden, und lassen auf RT abkühlen. Füllen Sie Luft in der Kammer und nehmen Sie Proben, die Zellen können nun aufgerufen werden.
5. Lötmittel Sn-Zn-basierte Legierung, die auf der transparenten Vorderelektrode (Glas / SnO _2: F / ZnO: Ga, der belichtete Teil durch das RIE-Behandlung) unter Verwendung einer Ultraschall-Lötvorrichtung.

7. Messung der externe Quanteneffizienz (EQE)

1. Bringen Sie einen Lichtschutzmaske zu einer fabrizierten Zelle unter Verwendung von Polyimid-Band und den maskierten Zelle in einem Zellenhalter. Verbinden Sonden zur Vorderseite gelötet Elektrode (+) und zurück Ag / ZnO: Ga-Elektrode (-).
2. Messen EQE-Spektren unter Verwendung eines EEP-Messsystem den Anleitungen des Herstellers mit einem Wellenlängenbereich und der 300-1,100 nm und 5 nm.

8. Messung der Photovoltaik-Strom-Spannungs- (JV) Zeichenschaften

1. Kalibrieren der Lichtstärke einer JV Kennzahlmesssystem unter Verwendung eines amorphen Si-Referenzzelle.
   1. Stellen Sie die amorphe Si-Referenzzelle auf einen Zellenhalter des JV Eigenschaften Messsystem und beleuchten das Licht.
   2. Lesen Sie das Licht erzeugten Strom unter Verwendung eines digitalen Multimeter in der JV Eigenschaften Messsystem ausgestattet. Passen Sie die Lichtintensität, bis das Licht erzeugten Strom zeigt den richtigen Wert für die Referenzzelle (8,34 ^mA / cm 2).
2. Bringen Sie einen Lichtschutzmaske in eine Zelle und stellen Sie die maskierte Zelle in einem Zellenhalter. Verbinden Sonden zur Vorderseite gelötet Elektrode (+) und zurück Ag / ZnO: Ga-Elektrode (-).
3. Beleuchten die kalibriert Licht (100 ^mW / cm 2, 1 Sonnen) auf der Zelle zu messen und durch Licht erzeugten Ströme mit dem JV Eigenschaften Messsystem nach Herstellerangaben mit einer Spannung von 0,02 V. Schritt

Ergebnisse

Abbildung 2 wird das allgemeine Verfahren zur Umdrucken Ag Nanoscheiben auf der Oberfläche des & mgr; c-Si: H (n-Schicht). Kurz gesagt, ein Ag-Film (Dicke: 10-80 nm) wird zuerst auf der Oberfläche eines PDMS-Stempels nanopillar durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden. Parallel dazu wird eine PS- b -P2VP Lösung auf die Oberfläche einer frisch hergestellten uc-Si aufgeschleudert: H n-Schicht. Anschließend wird ein Tropfen der EtOH auf der PS- b -P2VP bes...

Diskussion

In diesem Artikel wurde eine doppellagige hart / weich PDMS Verbund als Stempelmaterialien eingesetzt. ²⁷ Diese Verbindung wurde festgestellt, wesentlich zu sein, um das übergeordnete Nanostruktur in der Form, die eine hexagonal dicht gepackten Rundlochanordnung, deren Durchmesser gerade replizieren von 230 nm, Tiefe von 500 nm, und das Loch Mitte-zu-Mitte-Abstand von 460 nm. Wenn nur weichen PDMS verwendet wurde, die Marke immer in einem schlecht nanostrukturierte Oberfläche führte (beispielsweise keine s...

Materialien

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