Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

Ha habido una demanda de larga data para la aplicación de nanoestructuras funcionales en una amplia gama de campo tecnológico. Una de las expectativas para esta tendencia es abrir el nuevo diseño de arquitecturas de dispositivos que conducen a mejores o innovadores actuaciones. En el campo de las células solares, por ejemplo, el uso de nanoestructuras metálicas ha sido explorado activamente debido a sus propiedades ópticas interesantes (es decir, plasmónicas), ¹ potencialmente beneficioso para la construcción de sistemas de luz de captura eficaces. ^2,3 estudios De hecho, algunos teóricos ^{4 -6} han sugerido que tal captura la luz plasmónica podría lograr efectos superiores a la óptica de rayos convencionales (texturizado) -basada límite de captura de luz. ⁷ En consecuencia, el desarrollo de estrategias para integrar nanoestructuras metálicas deseadas con las células solares se ha convertido cada vez más importante para hacer realidad estos predicciones teóricas.

Una serie de estrategias tieneha propuesto para afrontar este reto. ^24.8 Estos incluyen, por ejemplo, simple (bajo costo) recocido térmico de películas metálicas ^8,9 o dispersión de nanopartículas metálicas previamente sintetizado, ^10,11 los cuales dieron lugar a manifestaciones exitosas de captura la luz plasmónica. Sin embargo, debe señalarse que las nanoestructuras metálicas fabricadas por estos enfoques suelen ser difíciles de igualar a los modelos teóricos. En contraste, las técnicas de nanofabricación tradicionales en las industrias de semiconductores, tales como la fotolitografía y de litografía por haz de electrones, ^12,13 pueden controlar estructuras bien por debajo del nivel nm sub-100, pero a menudo son demasiado caros y consumen mucho tiempo para aplicar a las células solares, donde la capacidad de gran superficie con un bajo costo es esencial. Con el fin de cumplir con el bajo costo, alto rendimiento, y los requisitos de gran superficie con capacidad de control a escala nanométrica, los métodos tales como la litografía de nanoimpresión, ^14-16 litografía blanda, ^17,18 Litografía ^nanoesfera, 19-21 y el agujero-máscara coloidal litografía ^22-24 sería prometedor. Entre estas opciones, hemos desarrollado un litográfica suave, la técnica de impresión por transferencia avanzado. ²⁵ El uso de un poli nanoestructurado (dimetilsiloxano) (PDMS) sellos y las capas adhesivas a base de copolímero de bloque, patrón de nanoestructuras metálicas ordenados podría lograrse fácilmente en un número de tecnológicamente materiales pertinentes, incluyendo los de las células solares.

El objetivo de este artículo es describir el procedimiento detallado de nuestro enfoque de impresión por transferencia para incorporar luz de captura nanoestructuras plasmónicas eficaces en las estructuras de células solares existentes. Como un caso demostrativo, nanodiscos AG y de película delgada hidrogenados microcristalina Si (mu c-Si: H) se seleccionaron células solares en este estudio (Figura 1), ²⁶ aunque otros tipos de metales y las células solares son compatibles con este enfoque. Junto con su proceso desimplicidad, el enfoque sería de interés para diversos investigadores como una herramienta útil para integrar nanoestructuras metálicas funcionales con los dispositivos.

Protocolo

1. Preparación de Sellos PDMS

1. Establecer un molde nanohole (ciclo nanoimprinted polímero de olefina película de plástico, tamaño: 50 mm x 50 mm) en un politetrafluoroetileno (PTFE) contenedor.
2. Pesar copolímero de vinilmetilsiloxano dimetilsiloxano (0,76 g para el molde de 50 mm × 50 mm) en una botella de vidrio desechable y se mezcla con el complejo de Pt-diviniltetrametildisiloxano (6 l, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) y 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 l, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno).
3. Añadir copolímero de metilhidrosiloxano dimetilsiloxano (0,24 ml, usando una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) en la botella de vidrio y se mezcla rápidamente con una pipeta de vidrio desechable. Después de la superficie del molde situado en el recipiente PTFE se sopla por N _2, verter la mezcla resultante ("duro" prepolímero PDMS) sobre el molde y comenzar spin-escudoing a 1.000 rpm durante 40 segundos para lograr el espesor de capa de ~ 40 m.
4. Coloque la muestra spin-revestido en una cámara caliente precalentada a 65 ° C durante 30 min a brevemente reticular las PDMS duros.
5. Durante el calentamiento, pesar de silicona (6 g) y se mezcla con el catalizador (0,6 g) en una botella de vidrio desechable. Coloque la botella de vidrio en un desecador de vacío y aplicar vacío (~ 133 Pa) durante 15 min para eliminar el aire atrapado en la mezcla de silicona ("suave" prepolímero PDMS).
6. Sacar el molde y prepolímero PDMS suave de la cámara de calefacción y desecador de vacío, respectivamente, y se vierte rápidamente el PDMS suaves prepolímero sobre el molde calentado. El espesor de la capa de PDMS es suave ~ 3 mm.
7. Coloque la muestra resultante en el desecador de vacío de nuevo para más de desgasificación en ~ 133 Pa por lo menos durante 1 hora.
8. Transferir la muestra desgasificada a la cámara de calentamiento y empezar a calentar gradualmente hasta 80 ° C (velocidad de calentamiento ~ 3 ° C / min). Mantener esta temperatura durante 5 horaspara reticular los PDMS duros y blandos por completo.
9. Después de enfriar la muestra a temperatura ambiente, se despegan los PDMS sello con cuidado del molde. Reutilizar el molde para preparar el segundo (o más) sellos, si es necesario. Nota: El mismo molde se puede utilizar por lo menos cinco veces sin degradación de la calidad del sello.
10. Cortar el sello nanopilares resultante (de doble capa dura / blanda PDMS compuesto) ²⁷ en piezas de tamaños deseados (normalmente 7 mm x 7 mm para nuestras células solares), utilizando un cuchillo y almacenarlos bajo aire hasta su uso.

2. Preparación del bloque de copolímero Soluciones

1. Pesar el polvo del bloque de poliestireno poli-2-vinilpiridina (PS-b -P2VP) en una botella de vidrio y se mezcla con o-xileno en una proporción de 3 mg / ml (PS-b -P2VP / o-xileno) .
2. Se agita la mezcla usando una barra de agitación magnética revestida de PTFE a 70 ° C durante 1 hr.
3. Mantenga la solución resultante durante más de 24 horas a temperatura ambiente y sin revueloanillo para completar la formación de micelas autoensambladas. Sellar herméticamente la solución y almacenarlo en condiciones ambientales. Nota: La calidad de la solución es la misma, incluso un año después de la preparación.

3. Preparación de μ c-Si: H Sustratos

1. Vasos Lavado de cubiertas de _SnO2: F (denotar vidrio / _SnO2: F, en lo sucesivo) con H ₂ O (500 ml), detergente (500 ml), y H ₂ O (500 ml) a temperatura ambiente usando un baño de ultrasonidos (15 min para cada uno). Secarlos soplando _N2.
2. Cargue el vidrio limpia / _SnO2: F sustratos en un soporte de sustrato y depósito de ZnO: GA (20 nm) con un (DC) sistema de corriente continua de pulverización catódica con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
3. Cargue el vidrio / _SnO2: F / ZnO: sustratos Ga en otro soporte de sustrato y μ depósito de c-Si: H p (10 nm), i (500 nm) y n (40 nm) capas utilizando un producto químico mejorado con plasma vapor deposición del sistema (PECVD) con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
4. Almacenar el resultado μ c-Si: H (vidrio / _SnO2: F / ZnO: Ga / μ c-Si: H p - i - n) sustratos al vacío o N ₂ hasta la etapa de impresión de transferencia.

4. Ag-recubrimiento de Sellos PDMS

1. Lave los sellos PDMS (preparado en el paso 1) con EtOH (30 ml) utilizando un baño de ultrasonidos durante 15 minutos y secas soplando _N2.
2. Cargue los sellos PDMS limpiados en un soporte de muestras con cinta adhesiva de doble cara y de depositar una película de Ag (10-80 nm) utilizando un haz de electrones (EB) sistema de evaporación con las condiciones siguientes: tasa de deposición = 5.10 Å / seg, presión = ~ 1,5 × 10 ^-4 Pa.
3. Saque los sellos con recubrimiento de Ag del sistema de evaporación EB y utilizarlos inmediatamente en la siguiente etapa de impresión de transferencia.

5. Transferencia de impresión de Ag nanodiscos en delgadapelícula de Si Superficies

1. Saque la película delgada de Si sustratos almacenados al vacío o N _{2 y} spin-capa con la solución PD b -P2VP (0,3 ml de 50 mm x 50 mm de la muestra, con una pipeta micro digital con una punta desechable de polipropileno) en 5000 rpm durante 40 seg.
2. Humedezca la superficie con recubrimiento de -P2VP PS-b con EtOH con una pipeta micro digital (5 micras área / célula) y aplicar el PDMS con recubrimiento de Ag sello suavemente a la superficie-EtOH mojado. No presione el sello.
3. Coloque el sustrato de Si de película delgada con el sello en una cámara de vacío y aplicar vacío (~ 133 Pa).
4. Después de 5 minutos, llenar la cámara de vacío con el aire y sacar el sustrato de Si de película delgada.
5. Retire el sello de sustrato de Si de película fina mediante la celebración de un lado tanto de la estampilla con pinzas para transferir-impresión nanodiscos Ag. Nota: Si tiene éxito, la huella de estampación es visible como una mancha verdosa.
6. Enjuague la película delgada sustrato de Si impreso de transferencia con un flujo continuo de EtOH durante 15 s (~ 30 ml) y se seca mediante soplado N _2.
7. Retire el revestimiento PS-b-P2VP utilizando un sistema de plasma de Ar.
   1. Coloque la película delgada sustrato de Si impreso de transferencia en la cámara de proceso del sistema de plasma de Ar.
   2. Bombear el aire en la cámara de proceso durante ~ 5 min (presión ~ 20 Pa).
   3. Abrir la válvula de una línea de gas Ar y ajustar manualmente la velocidad de flujo a 4 sccm. Espere para ~ 5 minutos para estabilizar la presión de 40 Pa.
   4. Generar plasma de Ar de 108 seg.
   5. Cierre la válvula de la línea de gas Ar, dejar de bombear, y llenar de aire en la cámara de proceso para sacar los sustratos de Si, de película delgada impresa transferencia plasma limpiado.

6. Finalización de capa fina Si Solar Fabricación celular

1. Adjuntar máscaras de metal a la película delgada impresa transferencia-Si sustratos después del tratamiento con plasma Ar utilizando cintas de poliamida.
2. Cargar los substratos enmascarados en un soporte de sustrato de un sistema de pulverización catódica DC y deposit ZnO: Ga (100 nm), Ag (250 nm), y ZnO: Ga (40 nm) secuencialmente con las condiciones especificadas en la Tabla 2.
3. Separe las máscaras de metal de los sustratos y quitar las capas de película delgada de Si enmascarados (es decir, el área donde ZnO: no se depositaron Ga y Ag), utilizando un sistema de grabado por iones reactivos (RIE).
   1. Colocar las muestras en la cámara de proceso del sistema RIE.
   2. Bombear el aire en la cámara de proceso, siguiendo las instrucciones del fabricante.
   3. Establecer las condiciones del proceso como sigue siguiendo las instrucciones del fabricante: SF ₆ / O ₂ velocidad de flujo = 100/20 sccm, presión = 20 Pa, potencia 100 W, tiempo = 1 min 20 sec.
   4. Abra las líneas de SF _{6 y} O2 gas, estabilizar la presión, y generar plasma.
   5. Cierre la válvula de la línea de SF _{6 y} O2 gas, dejar de bombear, y llenar N ₂ en la cámara de proceso para sacar las muestras.
4. Pon elmuestras en una cámara de vacío recocido y comienzan calentando gradualmente hasta 175 ° C bajo vacío (~ 133 Pa). Mantener esta temperatura durante 2 horas, y luego se deja enfriar a temperatura ambiente. Llenar de aire en la cámara y sacar muestras, que ahora pueden ser llamados células.
5. Aleación a base de Sn-Zn de soldadura sobre el electrodo transparente frontal (vidrio / _SnO2: F / ZnO: Ga, la parte expuesta por el tratamiento RIE) usando un dispositivo de soldadura por ultrasonidos.

7. Medición de la eficiencia cuántica externa (EQE)

1. Adjunte una máscara de protección de luz a una célula fabricada usando cinta de poliamida y establecer la celda enmascarado en un soporte de celda. Conectar sondas para el electrodo frontal soldada (+) y la parte posterior Ag / ZnO: Ga electrodo (-).
2. Mida espectros EQE usando un sistema de medición EQE siguiendo las instrucciones del fabricante con una gama de longitud de onda y el paso de 300-1,100 nm y 5 nm, respectivamente.

8. Medición de la fotovoltaica actual tensión (JV) Caráctercas

1. Calibrar la intensidad de la luz de un sistema de medición de las características de riesgo compartido utilizando una celda de referencia de Si amorfo.
   1. Establezca la célula amorfa referencia Si a un soporte de célula del sistema características de medición de riesgo compartido, e iluminar la luz.
   2. Lea la corriente fotogenerada usando un multímetro digital equipado en el sistema de medición de las características de riesgo compartido. Ajuste la intensidad de la luz hasta que la corriente fotogenerada muestra el valor correcto para la celda de referencia (8,34 mA / cm ^2).
2. Adjunte una máscara de protección de luz a una celda y establecer la celda enmascarado en un soporte de celda. Conectar sondas para el electrodo frontal soldada (+) y la parte posterior Ag / ZnO: Ga electrodo (-).
3. Ilumine la luz calibrada (100 mW / cm ^2, 1 sol) en la célula y medir corrientes fotogenerados utilizando el sistema de medición de las características de riesgo compartido siguiendo las instrucciones del fabricante con un escalón de tensión de 0,02 V.

Resultados

La Figura 2 describe el proceso general para la impresión por transferencia de nanodiscos Ag sobre la superficie de mu c-Si: H (capa n). En resumen, una película de Ag (espesor: de 10-80 nm) se deposita primero sobre la superficie de un sello de PDMS nanopilares por evaporación por haz de electrones. En paralelo, una solución -P2VP PS- b es mediante revestimiento por centrifugación sobre la superficie de un recién preparada mu c-Si: H n capa. Posteriormente, una gotita d...

Discusión

En este artículo, un / PDMS blandos dura compuesta de doble capa se empleó como material de sellos. ²⁷ Esta combinación resultó ser esencial para replicar con precisión la nanoestructura de los padres en el molde, que era una matriz de agujero redondo hexagonal close-embalado cuyo diámetro de 230 nm, la profundidad de 500 nm, y el agujero espaciamiento de centro a centro de 460 nm. Cuando se utilizó sólo PDMS suaves, el sello siempre dio lugar a una superficie mal nanoestructurados (por ejemplo, no bo...

Materiales

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