Fabrication de réseaux de contraste élevé pour le fractionnement du spectre dispersif élément d'un système photovoltaïque à concentration

Résumé

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.

Résumé

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

Notre société moderne ne survivra pas sans bouger une partie importante de la consommation d'énergie de sources d'énergie renouvelables. Pour ce faire, nous devons trouver un moyen de récolter de l'énergie renouvelable à un coût moindre que les sources d'énergie à base de pétrole dans un avenir proche. L'énergie solaire est l'énergie renouvelable la plus abondante sur terre. Malgré que beaucoup de progrès ont été accomplis dans la récolte de l'énergie solaire, il est encore très difficile de rivaliser avec les sources d'énergie à base de pétrole. Améliorer l'efficacité des cellules solaires est l'un des moyens les plus efficaces pour réduire le coût du système d'exploitation de l'énergie solaire.

Lentilles optiques et des réflecteurs paraboliques sont généralement utilisés dans photovoltaïques plus concentré (CPV) ¹ d'atteindre une concentration élevée de l'incidence de l'énergie solaire sur les cellules solaires de petite surface, de sorte qu'il est économiquement viable d'exploiter tandem cher cellules solaires multi-jonctions ² dans systèmes CPV, et pour maintenir un raisonnablecoûter en même temps. Cependant, pour la plupart des systèmes photovoltaïques non concentrés, qui nécessitent généralement une grande surface tranche de cellules solaires, les cellules solaires tandem à coût élevé ne peuvent pas être incorporé, même si elles ont généralement une réponse de spectre solaire plus large et un rendement de conversion global supérieur à la simple jonction des cellules solaires ^3.

Récemment, avec l'aide de parallèles l'optique de fractionnement du spectre (c.-à-dispersif élément), la technologie photovoltaïque de fractionnement du spectre parallèle ⁴ a permis que la couverture du spectre similaire ou meilleure et l'efficacité de conversion peuvent être atteints sans l'aide des cellules solaires en tandem cher. Le spectre solaire peut être divisé en différentes bandes et chaque bande peut être absorbée et convertie en électricité par des cellules solaires à jonction unique spécialisés. De cette façon, les cellules solaires tandem coûteux dans les systèmes de CPV peut être remplacée par une distribution parallèle d'une seule jonction cellule solaires sans aucun compromis sur la performance.

L'élément dispersif qui a été conçu dans ce rapport peut être appliqué dans un système de CPV réfléchissante (qui est basé sur des réflecteurs paraboliques), pour réaliser le partage du spectre parallèle pour l'amélioration de l'efficacité de conversion solaire-électrique et un coût réduit. Multicouches grilles de contraste élevé (hCG) ⁵ est utilisé comme élément dispersif en concevant chaque couche de HCG pour travailler comme une bande réflecteur optique. Les structures et les paramètres de l'élément dispersif sont numériquement optimisés. En outre, la fabrication de grilles de contraste élevé de l'élément dispersif à l'aide de diélectrique (TiO ₂₎ de pulvérisation, la lithographie par nanoimpression ⁶ et gravure ionique réactive est étudiée et démontrée.

Protocole

1. Préparer le Polydimethylsiloxane Blank (PDMS) Substrat pour nanoimpression Mold

1. Processus Silicon traitement Wafer
   1. Nettoyer une tranche de silicium de 4 pouces par rinçage avec de l'acétone, le methanol et l'isopropanol.
   2. Soufflez sécher à l'aide du pistolet d'azote.
   3. Nettoyer à l'aide d'une solution de piranha (3: 1 de mélange de l'acide sulfurique avec 30% de peroxyde d'hydrogène) par trempage pendant 15 min à l'intérieur.
   4. Rincez avec de l'eau DI. Séchez à l'aide du pistolet d'azote.
   5. Placer la plaque dans un dessiccateur en verre. Ajouter une goutte (20 gouttes = 1 ml) d'agent (trichlorosilane) libérant dans le dessiccateur.
   6. Pomper le dessiccateur jusqu'à ce que la jauge indique -762 Torr et attendre pendant 5 heures.
   7. Prendre la galette, qui a été traitée avec un agent de libération.
2. Préparation de PDMS Film (Utilisé comme moisissure dans les nano-impression)
   1. Peser 10 g de silicone élastomère de base et 1 g d'agent de durcissement.
   2. Ajoutez-les dans le même récipient en verre.
   3. Stir et mélanger avec une baguette de verre pendant 5 minutes.
   4. Mettre le mélange dans un dessiccateur à vide jusqu'à ce que la jauge indique -762 Torr pour pomper toutes les bulles d'air piégées.
   5. Les répartir uniformément sur la plaquette de silicium de 4 pouces traitée.
   6. Faire cuire au four la plaquette sur le dessus de PDMS dans le four à vide pendant 7 heures à 80 ° C pour durcir le film de PDMS.

2. Préparer le moule nano-impression (reproduction de la moule principal)

1. Spin douze gouttes (20 gouttes = 1 ml) de UV curable résister (15,2%) sur une plaquette de silicium vierge propre pendant 30 secondes à 1500 tours par minute.
2. Retirer délicatement un morceau de film PDMS au large de la plaquette de silicium traité.
3. Mettez le film sur le PDMS UV curable résister et laisser absorber résister à l'UV pendant 5 min, puis l'éplucher au loin.
4. Répétez 2.1-2.3 sur le même film PDMS pour deux fois. Absorber résister à l'UV pendant 3 min et 1 min respectivement.
5. Placez le film PDMS (après UV trois fois résister à l'absorption) sur un moule maître de silicium.
6. Le mettre dans une chambre à environnement d'azote.
7. Allumer lampe UV pour durcir l'échantillon pendant 5 min.
8. Décoller le film de PDMS. Résistez à l'UV durci sur les PDMS gardera le modèle négatif du moule maître.
9. Utilisation RF plasma O ₂ pour traiter le moule PDMS. (Puissance RF: 30 W, pression: 260 mTorr, le temps: 1 min)
10. Placer le moule PDMS dans une chambre à vide avec une goutte (20 gouttes = 1 ml) d'agent de libération pendant 2 heures.

3. nanoimpression Motif Transfert

1. Spin huit gouttes (20 gouttes = 1 ml) de PMMA (996k, 3,1%) sur le substrat pour être imprimé pendant 50 sec à 3500 rpm.
2. Cuire sur une plaque chauffante pendant 5 min à 120 ° C.
3. Attendez que l'échantillon refroidir.
4. Spin huit gouttes (20 gouttes = 1 ml) de UV curable résistent (3,9%) sur le même substrat.
5. Placez le moule PDMS (préparé à l'étape 2) sur l'échantillon (à la fois avec UV résister et PMMA).
6. Le mettre dans une chambre à environnement d'azote.
7. Allumez la lampe UV pour durcir pendant 5 min.
8. Peel le moule PDMS hors de l'échantillon et le motif sur le moule PDMS est transféré à l'échantillon.

4. Cr procédé lift-off

1. Attaque ionique réactive de la couche résiduelle UV et résister PMMA
   Remarque: Le POS pour la machine ICP peut être trouvé à https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Se connecter la machine ICP RIE.
   2. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces. Exécutez la recette propre pour 10 min.
   3. Prenez la plaquette de silicium vierge sur.
   4. Monter l'échantillon sur une autre tranche de silicium propre et le charger dans la machine.
   5. Exécutez résister à l'UV recette gravure pendant 2 min (la recette peut être trouvé dans le tableau 1).
   6. Prenez l'échantillon hors. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces. Re-exécuter la recette propre (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 10 min.
   7. Monter l'échantillon sur une plaquette de silicium propreet la charger dans la machine.
   8. Exécutez la recette gravure PMMA (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 2 min.
      Note: Maintenant, le résiduel de resist a été gravée et le substrat est exposée.
2. Cr E-faisceau d'évaporation
   1. Connectez-vous à l'évaporateur à faisceau électronique.
   2. Chargez la source de métal Cr et échantillon dans la chambre.
   3. Réglez l'épaisseur (20 nm) et la vitesse de dépôt (0,03 nm / sec).
   4. Pomper la chambre jusqu'à ce que le vide nécessaire (10 ^-7 Torr) est atteint.
   5. Lancer le processus de dépôt.
   6. Prenez l'échantillon après les finitions de dépôt.
3. CR Soulevez-off Procédure
   1. Immerger l'échantillon dans de l'acétone avec agitation ultrasonique pendant 5 min.
   2. Nettoyer l'échantillon en rinçant avec de l'acétone, le methanol et l'isopropanol.
      Remarque: Le Cr évaporée sur le resist seront ramassées et un masque pour Cr substrat gravure est formé.

5. TiO ₂ Deposition

1. échantillon de charge.
2. Définissez les paramètres pour le courant la machine de pulvérisation magnétron directe
   1. Utilisez une pression de chambre de 1,5 mTorr, Ar débit de 100 sccm et une puissance de pulvérisation de 130 W.
   2. Utiliser une température de 27 ° C et une vitesse de rotation de phase de 20 tours par minute.
3. Lancer le processus de pulvérisation et arrêter à l'épaisseur souhaitée.
4. Prendre l'échantillon et à recuire le film de TiO ₂ dans un environnement d'oxygène à 300 ° C pendant 3 heures.

6. High Contrast caillebotis Gravure

1. Se connecter la machine plasma à couplage inductif (ICP) gravure ionique réactive (RIE).
2. Gravure de TiO ₂
   1. Déposez un wafer de silicium de 4 pouces.
   2. Démarrer et exécuter la recette propre (peut être trouvé dans le tableau 1) pendant 10 min.
   3. Décharger charger la plaquette vierge et charger l'échantillon avec masque Cr.
   4. Réglez le temps de gravure. Lancer TiO ₂ gravure recette. Le processus de gravure volonté autoarrêter automatiquement.
   5. Décharger l'échantillon.
3. SiO ₂ Gravure
   1. Répétez l'étape 5.2, sauf utiliser la gravure recette SiO _2.

7. Réflexion mesure

1. Connectez-vous et mettez le système de mesure.
2. Placez le miroir étalon de réflexion sur le support d'échantillon et aligner le chemin optique.
3. Calibrer le système pour le 100% de réflectance.
4. Enlever le miroir étalon de réflexion et placer le HCG.
5. Mesurer la réflectance de la HCG.
6. Sauvegardez les données et se connecter sur le système de mesure.

Résultats

La figure 1 illustre la mise en oeuvre de l'élément dispersif (grille multicouche à haute propriété de contraste (HCG)) dans un système photovoltaïque concentré. La lumière du soleil est réfléchie par le premier miroir primaire et empiète sur l'élément dispersif réfléchissant, où le faisceau est réfléchi et divisé en différentes bandes de longueurs d'onde différentes. Chaque groupe se empiéter sur un certain emplacement sur le réseau de cellules solaires pour la meill...

Discussion

Tout d'abord, la qualité du film de TiO ₂ est très important pour la performance de HCG. Le pic de réflectance sera plus élevé si le film de TiO ₂ a moins de perte et de la rugosité de surface. Le film de TiO ₂ avec un indice de réfraction supérieur est également favorable car le mode confinement optique sera renforcée par un contraste plus élevé de l'indice, ce qui peut donner lieu à une plus plate et plus large bande de réflectance en HCG.

matériels

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