המצאה של Gratings ניגודיות הגבוה לפיצול הספקטרום Dispersive האלמנט במערכת פוטוולטאית מרוכזת

Summary

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.

Abstract

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

החברה המודרנית שלנו לא תשרוד בלי לזוז חלק משמעותי של צריכת אנרגיה למקורות אנרגיה מתחדשים. כדי שזה יקרה, אנחנו צריכים למצוא דרך לקצור אנרגיה מתחדשת בעלות נמוכה יותר מאשר מקורות אנרגיה מבוסס נפט בעתיד הקרוב. אנרגיה סולארית היא האנרגיה מתחדשת הנפוצה ביותר על פני כדור הארץ. למרות שהרבה התקדמות נעשה בקצירת אנרגיה סולארית, זה עדיין מאוד מאתגר להתחרות עם מקורות אנרגיה מבוסס נפט. שיפור היעילות של תאים סולריים הוא אחת הדרכים היעילה ביותר להפחית את עלות המערכת של קצירת אנרגיה סולארית.

עדשות אופטיות ומחזירי מנה משמשים בדרך כלל בפוטו המרוכז רוב המערכות (CPV) ¹ כדי להשיג ריכוז גבוה של כוח שכיחות שמש בתאים הסולריים הקטן באזור, כך שזה מבחינה כלכלית לנצל תאים סולריים רב-צומת בד בבד יקר ² ב מערכות CPV, וכדי לשמור על סבירהתעלה באותו הזמן. עם זאת, עבור רוב מערכות פוטו הלא מרוכזות, אשר בדרך כלל דורשות תשלום שטח גדול של תאים סולריים, לא יכולים להיות משולבים התאים הסולריים טנדם העלות גבוהה, למרות שיש להם בדרך כלל תגובה רחבה יותר שמש ספקטרום ויעילות המרה כוללת גבוהה מ תאים סולריים צומת יחידה ^3.

לאחרונה, עם העזרה של אופטיקה פיצול ספקטרום המקבילה (כלומר אלמנט נפיצה), בטכנולוגית פוטו פיצול ספקטרום המקבילה ⁴ הפכה זה אפשרי כי כיסוי ספקטרום דומה או טוב יותר ויעילות המרה ניתן להשיג ללא שימוש בתאים סולריים טנדם היקר. ספקטרום השמש ניתן לפצל להקות שונות וכל להקה יכולה להיספג ומרת חשמל על ידי התאים הסולריים יחידה צומת המיוחדות. בדרך זו, ניתן להחליף התאים הסולריים טנדם היקר במערכות CPV ידי הפצה מקבילה של תאים סולריים חד-צומתים ללא כל פשרה בביצועים.

האלמנט נפיצה שתוכנן בדוח זה יכול להיות מיושם במערכת CPV רעיוני (המבוסס על מחזירי מנה) לממש את פיצול ספקטרום מקביל להתייעלות שמש-חשמל ההמרה ועלות מופחתת. שבכות רב שכבתי ניגודיות גבוהה (HCG) ⁵ משמשת כאלמנט נפיצה על ידי עיצוב כל שכבה של HCG לעבוד כרפלקטור להקה אופטי. המבנים והפרמטרים של האלמנט נפיצה מותאמים מבחינה מספרית. יתר על כן, הייצור של שבכות ניגודיות גבוהות לאלמנט נפיצה באמצעות דיאלקטרי (Tio ₂₎ המקרטעת, ליתוגרפיה nanoimprint ⁶ ותחריט יון תגובתי הוא למד והפגין.

Protocol

מצע (PDMS) 1. מכין את polydimethylsiloxane בלנק לעובש Nanoimprint

1. תהליך סיליקון ופל הטיפול
   1. נקה פרוסות סיליקון 4 אינץ 'על ידי שטיפה עם אצטון, מתנול וisopropanol.
   2. לייבשו באמצעות אקדח החנקן.
   3. נקה אותו באמצעות פתרון פיראניה (3: 1 תערובת של חומצה גופרתית עם 30% מי חמצן) על ידי השרייה בתוך 15 דקות.
   4. לשטוף אותו עם מים די. מכה יבשה באמצעות אקדח החנקן.
   5. מניחים את פרוסות בייבוש זכוכית. הוסף טיפה (20 טיפות = 1 מיליליטר) של שחרור סוכן (trichlorosilane) לייבוש.
   6. לשאוב את הייבוש עד מד קורא -762 Torr ולחכות 5 שעות.
   7. קח הרקיק החוצה, אשר טופל עם שחרור סוכן.
2. הכנת PDMS הסרט (משמש כעובש בNanoimprint)
   1. שוקל 10 גרם של בסיס אלסטומר סיליקון ו1 גרם של סוכן ריפוי.
   2. הוסף אותם באותה כוס זכוכית.
   3. Stir ולערבב עם מוט זכוכית במשך 5 דקות.
   4. מכניס את התערובת לייבוש ואקום עד מד קורא -762 Torr לשאוב את כל בועות האוויר שנלכדו.
   5. מורחים אותם באופן שווה על גבי פרוסות סיליקון 4 אינץ 'שטופלו.
   6. אופים את פרוסות עם PDMS על גבי בתנור הוואקום במשך 7 שעות על 80 מעלות צלזיוס כדי לרפא את סרט PDMS.

2. מכין את עובש Nanoimprint (שכפול מעובש האב)

1. ספין עשר טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של UV לריפוי להתנגד (15.2%) על פרוסות סיליקון ריקות נקיות למשך 30 שניות ב 1500 סל"ד.
2. זהירות לקלף פיסת סרט PDMS את פרוסות סיליקון טופלו.
3. שים את סרט PDMS על UV לריפוי להתנגד ולתת לו לספוג UV להתנגד במשך 5 דקות לאחר מכן לקלף אותו.
4. חזור על 2.1-2.3 באותו סרט PDMS לשתי פעמים. ספוג UV להתנגד במשך 3 דקות ודקות 1 בהתאמה.
5. מניחים את סרט PDMS (לאחר UV שלוש הפעמים להתנגד קליטה) על עובש אב סיליקון.
6. הכניס אותו לתוך תא עם סביבת חנקן.
7. הפעל מנורת UV לרפא המדגם במשך 5 דקות.
8. לקלף את סרט PDMS. UV נרפא להתנגד בPDMS ישמור הדפוס השלילי של עובש האב.
9. השימוש RF O ₂ פלזמה לטיפול בעובש PDMS. (כוח RF: 30 וואט, לחץ: 260 mTorr, זמן: 1 דקות)
10. מניחים את תבנית PDMS בתא ואקום עם טיפה אחת (20 טיפות = 1 מיליליטר) של שחרור סוכן עבור שעה 2.

3. העברת תבנית Nanoimprint

1. ספין שמונה טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של PMMA (996K, 3.1%) על המצע להיות מוטבע עבור 50 שניות ב 3500 סל"ד.
2. לאפות אותו על פלטה חמה למשך 5 דקות ב 120 מעלות צלזיוס.
3. חכה המדגם להתקרר.
4. ספין שמונה טיפות (20 טיפות = 1 מיליליטר) של UV לריפוי להתנגד (3.9%) באותו המצע.
5. מניחים את תבנית PDMS (מוכן בשלב 2) על המדגם (עם שני UV להתנגד וPMMA).
6. הכניס אותו לתוך תא עם סביבת חנקן.
7. הפעל את מנורת UV לרפא במשך 5 דקות.
8. פיל עובש PDMS את המדגם ואת התבנית על תבנית PDMS מועבר למדגם.

4. תהליך המראת Cr

1. יון תגובת תחריט שכבת שייר של UV להתנגד וPMMA
   הערה: ניתן למצוא SOP לICP מכונה בhttps://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. התחבר RIE ICP מכונה.
   2. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות. הפעל את המתכון הנקי במשך 10 דקות.
   3. קח את פרוסות סיליקון ריקות החוצה.
   4. הר המדגם על עוד פרוסות סיליקון נקיות ולטעון אותו לתוך המכונה.
   5. הפעל את UV להתנגד מתכון תחריט למשך 2 דקות (ניתן למצוא את המתכון בטבלה 1).
   6. קח לדוגמא את. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות. המתכון הנקי להפעיל מחדש (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 10 דקות.
   7. הר המדגם על פרוסות סיליקון נקיותולטעון אותו לתוך המכונה.
   8. הפעל את מתכון תחריט PMMA (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 2 דקות.
      הערה: עכשיו השייר להתנגד כבר חרוט ואת המצע חשוף.
2. Cr E-קרן אידוי
   1. היכנס למאייד קורה אלקטרוני.
   2. טען את מקור Cr מתכת ומדגם לתוך התא.
   3. הגדר את העובי (20 ננומטר) ושיעור בתצהיר (0.03 ננומטר / sec).
   4. לשאוב את התא עד ואקום הנדרש (10 ^-7 Torr) הוא הגיע.
   5. התחל את התהליך בתצהיר.
   6. קח לדוגמא לאחר הגימורים בתצהיר.
3. CR-הרם את נוהל
   1. לטבול את המדגם באצטון עם תסיסה קולית במשך 5 דקות.
   2. נקה את המדגם על ידי שטיפה עם אצטון, מתנול וisopropanol.
      הערה: Cr התאדה בלהתנגד יוסר וממסכת Cr לתחריט מצע נוצר.

5. Tio ₂ חוגosition

1. מדגם עומס.
2. הגדר את הפרמטרים למכונה המקרטעת magnetron הנוכחי הישירה
   1. השתמש בלחץ קאמרי של 1.5 mTorr, זרימת Ar של 100 SCCM וכוח המקרטעת של 130 W.
   2. השתמש בטמפרטורה של 27 מעלות צלזיוס ומהירות סיבוב של שלב 20 סל"ד.
3. התחל את תהליך גמגום ולעצור בעובי רצוי.
4. קח לדוגמא את ולחשל את סרט Tio ₂ בסביבת חמצן ב 300 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות.

6. חדות גבוהה פומפייה תחריט

1. התחבר במכונה פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (ICP) תחריט יון תגובתי (RIE).
2. דוד תחריט ₂
   1. לטעון פרוסות סיליקון 4 אינץ 'ריקות.
   2. להתחיל ולהפעיל את המתכון הנקי (ניתן למצוא בטבלה המס '1) במשך 10 דקות.
   3. לפרוק לטעון הרקיק הריק ולטעון את המדגם עם מסכת Cr.
   4. הגדרת זמן תחריט. התחל Tio ₂ מתכון תחריט. אוטומטי רצון תהליך התחריטmatically לעצור.
   5. לפרוק את המדגם.
3. SiO ₂ תחריט
   1. חזור על שלב 5.2 מלבד להשתמש במתכון תחריט SiO _2.

מדידת 7. החזרה

1. התחבר ולהפעיל את מערכת המדידה.
2. מניחים את המראה סטנדרטי החזרה על בעל המדגם וליישר את הנתיב האופטי.
3. לכייל את המערכת להחזרת 100%.
4. קח את המראה סטנדרטי החזרה ולמקם HCG.
5. מדוד את ההחזרה של HCG.
6. שמור את הנתונים ולהתנתק ממערכת המדידה.

תוצאות

איור 1 מציג את היישום של האלמנט נפיצה (צורם ניגודיות גבוהה multilayer (HCG)) במערכת פוטו מרוכזת. אור השמש משתקף ראשון במראה הראשוני ופוגע באלמנט נפיצה רעיוני, שבו הקרן באה לידי ביטוי והתפצל ללהקות שונות של אורכי גל שונים. כל להקה לפגוע במיקום מסוים במערך התאים הסולרי...

Discussion

ראשית, האיכות של סרט Tio ₂ היא חיונית מאוד לביצוע HCG. שיא ההחזרה יהיה גבוה יותר אם הסרט Tio ₂ יש פחות אובדן וחספוס פני השטח. סרט Tio ₂ עם שבירה גבוהה יותר הוא גם נוח כי כליאת המצב האופטית תהיה משופרת על ידי ניגודיות גבוהה יותר במדד, אשר יכול להצמיח שטוח ולהקת ה...

Materials

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