Fabbricazione di Grigliati un forte contrasto per la suddivisione Spectrum Dispersive elemento in un sistema fotovoltaico a concentrazione

Riepilogo

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.

Introduzione

La nostra società moderna non può sopravvivere senza spostare una parte significativa del consumo di energia alle fonti energetiche rinnovabili. Per ottenere tutto ciò, dobbiamo trovare un modo per raccogliere l'energia rinnovabile ad un costo inferiore rispetto alle fonti energetiche a base di petrolio nel prossimo futuro. L'energia solare è il più abbondante energia rinnovabile sulla terra. Nonostante che molti progressi sono stati fatti nella raccolta di energia solare, è ancora molto difficile competere con le fonti di energia a base di petrolio. Migliorare l'efficienza delle celle solari è uno dei modi più efficaci per abbassare il costo del sistema di raccolta di energia solare.

Lenti ottiche e riflettori per i piatti sono di solito utilizzati in fotovoltaici a più alta concentrazione (CPV) sistemi ¹ per ottenere una elevata concentrazione di incidenza dell'energia solare sulle celle solari di piccola zona, quindi è economicamente sostenibile per sfruttare tandem costoso multi-giunzione celle solari ² a sistemi CPV, e per mantenere un ragionevolecostare allo stesso tempo. Tuttavia, per la maggior parte dei sistemi fotovoltaici non concentrati, che di solito richiedono una grande area rata di celle solari, le celle solari tandem ad alto costo non possono essere incorporati, anche se di solito hanno una più ampia risposta spettro solare e una maggiore efficienza di conversione complessiva del celle solari singola giunzione ^3.

Recentemente, con l'aiuto delle ottiche splitting spettro parallele (cioè dispersivo elemento), la divisione dello spettro tecnologia fotovoltaica parallelo ⁴ ha permesso che la copertura spettro simile o migliore e l'efficienza di conversione può essere realizzato senza utilizzare le celle solari tandem costoso. Lo spettro solare può essere diviso in diverse bande e ogni banda può essere assorbita e convertita in elettricità dalle celle solari a giunzione specializzati. In questo modo, i tandem costoso celle solari in sistemi CPV possono essere sostituiti da una distribuzione parallela di singola giunzione cella solares, senza alcun compromesso sulla performance.

L'elemento dispersivo che è stato progettato in questa relazione può essere applicato in un sistema CPV riflettente (che si basa su riflettori piatto) per realizzare splitting spettro parallelo per il miglioramento solare elettrica efficienza di conversione e costo ridotto. Multistrato grigliati alto contrasto (HCG) ⁵ viene utilizzato come elemento dispersivo progettando ogni strato di HCG per lavorare come un riflettore banda ottica. Le strutture ei parametri dell'elemento dispersivo sono numericamente ottimizzati. Inoltre, la realizzazione di griglie ad alto contrasto per l'elemento dispersivo utilizzando dielettrico _(TiO2) sputtering, nanoimprint litografia ⁶ e attacco con ioni reattivi si studia e dimostrati.

Protocollo

1. Preparare il polidimetilsilossano Blank (PDMS) substrato per nanoimprint Mold

1. Processo Silicon Wafer Trattamento
   1. Pulire un wafer di silicio da 4 pollici da risciacquo con acetone, metanolo e isopropanolo.
   2. Colpo asciugare usando la pistola di azoto.
   3. Pulire con soluzione Piranha (3: 1 miscela di acido solforico al 30% di perossido di idrogeno) immergendo all'interno per 15 min.
   4. Risciacquare con acqua deionizzata. Colpo secco utilizzando la pistola di azoto.
   5. Posizionare il wafer in un essiccatore di vetro. Aggiungere una goccia (20 gocce = 1 ml) di agente (triclorosilano) rilasciando in un essiccatore.
   6. Pompare giù un essiccatore fino a quando il misuratore legge -762 Torr e attendere 5 ore.
   7. Prendere wafer out, che è stato trattato con distaccante.
2. Preparazione di PDMS Film (Utilizzato come Mold in nanoimprint)
   1. Pesare 10 g di elastomero siliconico base e 1 g di induritore.
   2. Aggiungeteli nello stesso bicchiere di vetro.
   3. StiR e mescolare con una bacchetta di vetro per 5 min.
   4. Mettere il composto in un essiccatore a vuoto fino a quando il misuratore legge -762 Torr a pompare fuori tutte le bolle d'aria intrappolate.
   5. Stendere uniformemente sul trattato wafer di silicio da 4 pollici.
   6. Cuocere la cialda con PDMS sulla parte superiore del forno a vuoto per 7 ore a 80 ° C per trattare la pellicola PDMS.

2. Preparare il Mold nanoimprint (duplicazione dal Master Mold)

1. Spin dodici gocce (20 gocce = 1 ml) di UV curable resist (15,2%) su un wafer di silicio pulito vuoto per 30 secondi a 1500 rpm.
2. Sbucciare con attenzione un pezzo di pellicola PDMS fuori wafer di silicio trattata.
3. Mettere la pellicola PDMS sul UV curabile resistere e lasciare assorbire resistere alla UV per 5 min allora sbucciarla fuori.
4. Ripetere 2.1-2.3 sulla stessa pellicola PDMS per due volte. Assorbire resistere UV per 3 minuti e 1 min, rispettivamente.
5. Collocare la pellicola PDMS (dopo tre volte UV resistono assorbimento) su uno stampo maestro di silicio.
6. Mettetelo in una camera con l'ambiente di azoto.
7. Accendere lampada UV per curare il campione per 5 min.
8. Staccare la pellicola PDMS. Resistete alla curato UV sui PDMS manterrà il modello negativo dello stampo maestro.
9. Usa RF O ₂ al plasma per il trattamento stampo PDMS. (Potenza RF: 30 W, pressione: 260 mTorr, tempo: 1 min)
10. Collocare lo stampo PDMS in una camera a vuoto con una goccia (20 gocce = 1 ml) di agente di distacco per 2 ore.

3. nanoimprint modello Transfer

1. Spin otto gocce (20 gocce = 1 ml) di PMMA (996k, 3,1%) sul substrato da impresso per 50 secondi a 3.500 giri.
2. Cuocere su una piastra per 5 minuti a 120 ° C.
3. Attendere che il campione si raffreddi.
4. Spin otto gocce (20 gocce = 1 ml) di UV curable resist (3,9%) sullo stesso substrato.
5. Mettere lo stampo PDMS (preparata al punto 2) sul campione (sia con UV resistere e PMMA).
6. Mettetelo in una camera con l'ambiente di azoto.
7. Accendere la lampada UV per curare per 5 min.
8. Peel lo stampo PDMS off il campione e il modello sullo stampo PDMS viene trasferito al campione.

4. Cr processo Lift-off

1. Ion etching reattivo strato residuo di UV resistere e PMMA
   Nota: Il SOP per la macchina ICP sono disponibili all'indirizzo https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Entra in macchina RIE ICP.
   2. Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici. Eseguire la ricetta pulita per 10 min.
   3. Prendete il wafer di silicio vuoto fuori.
   4. Montare il campione su un altro wafer di silicio pulito e caricarlo nella macchina.
   5. Eseguire il UV resistono ricetta acquaforte per 2 minuti (la ricetta può essere trovato in Tabella 1).
   6. Prendere il campione fuori. Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici. Eseguire nuovamente la ricetta pulito (si possono trovare nella tabella 1) per 10 minuti.
   7. Montare il campione su un wafer di silicio pulitoe caricarlo in macchina.
   8. Eseguire la ricetta acquaforte PMMA (si possono trovare nella tabella 1) per 2 minuti.
      Nota: Ora la residua resist è stato inciso e substrato è esposto.
2. Cr E-beam di evaporazione
   1. Log in e-beam evaporatore.
   2. Caricare la sorgente di metallo Cr e del campione nella camera.
   3. Impostare lo spessore (20 nm) e velocità di deposizione (0,03 nm / sec).
   4. Pompare la camera fino a vuoto richiesto (10 ^-7 Torr) è raggiunto.
   5. Avviare il processo di deposizione.
   6. Prendere il campione fuori al termine di deposizione.
3. CR Lift-off Procedura
   1. Immergere il campione in acetone con agitazione ad ultrasuoni per 5 min.
   2. Pulire il campione mediante risciacquo con acetone, metanolo e isopropanolo.
      Nota: Il Cr evaporato sul resist sarà rimosso e una maschera Cr per substrato attacco è formato.

5. _TiO2 Deposizione

1. Caricare il campione.
2. Impostare i parametri per la macchina diretta magnetron sputtering corrente
   1. Utilizzare una pressione della camera di 1,5 mTorr, Ar flusso di 100 sccm e una potenza di 130 W. sputtering
   2. Utilizzare una temperatura di 27 ° C e una velocità di rotazione di fase 20 rpm.
3. Avviare il processo di polverizzazione e fermarsi a spessore desiderato.
4. Prelevare il campione fuori e ricuocere il film TiO ₂ in ambiente di ossigeno a 300 ° C per 3 ore.

6. Forte contrasto stridente Acquaforte

1. Entra nella macchina plasma ad accoppiamento induttivo (ICP) attacco con ioni reattivi (RIE).
2. _TiO2 acquaforte
   1. Caricare un vuoto wafer di silicio da 4 pollici.
   2. Avviare ed eseguire la ricetta pulito (si possono trovare nella tabella 1) per 10 minuti.
   3. Scaricare caricare il wafer vuoto e caricare il campione con maschera Cr.
   4. Imposta tempo di attacco. Inizia _TiO2 acquaforte ricetta. La volontà di auto processo di incisioneautomaticamente smettere.
   5. Scaricare il campione.
3. SiO ₂ Acquaforte
   1. Ripetere il punto 5.2 eccezione di usare il SiO ₂ acquaforte ricetta.

7. riflettanza Misurazione

1. Esegui il login e accendere il sistema di misurazione.
2. Posizionare lo specchio campione di riflessione sul portacampioni e allineare il percorso ottico.
3. Calibrare il sistema di riflettanza 100%.
4. Togliere lo standard specchio di riflessione e posizionare il HCG.
5. Misurare la riflettanza della HCG.
6. Salvare i dati e uscire dal sistema di misura.

Risultati

La Figura 1 mostra l'implementazione dell'elemento dispersivo (multistrato alta reticolo contrasto (HCG)) in un impianto fotovoltaico concentrato. La luce del sole viene prima riflessa dallo specchio primario e incide sull'elemento riflettente dispersivo, dove il fascio viene riflesso e diviso in diverse bande di lunghezze d'onda diverse. Ogni banda graverà su una certa posizione sulla matrice di celle solari per il miglior assorbimento e la conversione in energia elettrica. La chiave d...

Discussione

In primo luogo, la qualità del film TiO ₂ è molto importante per le prestazioni HCG. Il picco riflettanza sarà maggiore se il film TiO ₂ ha meno perdita e rugosità superficiale. Il film TiO ₂ con un indice di rifrazione superiore è anche favorevole perché la modalità confinamento ottico sarà arricchito da un elevato contrasto di indice, che può dar luogo ad una più piatta e banda riflettanza più ampia HCG.

In secondo luogo, gli errori di fabbricazi...

Materiali

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