集中太陽光発電システムにおけるスペクトル分割分散素子の高コントラスト回折格子の作製

要約

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.

要約

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.

概要

現代社会は、再生可能なエネルギー源へのエネルギー消費量のかなりの部分を移動させずに生存しないであろう。これを実現するために、我々は近い将来、石油系エネルギー源よりも低コストで再生可能エネルギーを収穫する方法を見つける必要があります。太陽エネルギーは地球上で最も豊富な再生可能エネルギーです。進歩の多くは太陽エネルギーハーベスティングで行われていることにもかかわらず、石油系エネルギー源と競合することは非常に困難です。太陽電池の効率を改善することは、太陽エネルギーハーベスティングのシステムコストを低減するための最も効率的な方法の一つです。

それに高価なタンデム多接合太陽電池セル^2を利用することが経済的に実行可能であるように光学レンズ及びディッシュ反射器は、通常、小面積の太陽電池に太陽光発電入射高濃度を達成するために最も集中太陽光発電（CPV）システム¹で使用されていますCPVシステム、及び妥当性を維持します同時にコスト。それらは通常、より広い太陽スペクトル応答よりも高い全体的な変換効率を有するものの、通常、太陽電池の大面積の設置を必要とするほとんどの非濃縮太陽光発電システムのための、高コストのタンデム太陽電池は、組み込むことができません単接合太陽電池^3。

近年、並列スペクトル分割光学系（ すなわち、分散素子）を利用して、並列スペクトル分割太陽光発電技術^{4により、}類似またはより良好なスペクトル範囲と変換効率が高価タンデム型太陽電池を使用することなく達成できることになりました。太陽スペクトルの異なる帯域に分割することができ、それぞれのバンドが吸収され、特殊な単接合太陽電池によって電気に変換することができます。このように、CPVシステムで高価なタンデム型太陽電池は、単接合太陽電池の並列分布に置き換えることができますパフォーマンスに妥協することなく複数。

この報告書に設計された分散素子は、改善された太陽光電力変換効率およびコスト削減のための並列スペクトル分割を実現するために（ディッシュ反射に基づいて）反射CPVシステムに適用することができます。多層高コントラスト回折格子^{（HCG）5は、}光バンドリフレクタとして機能するようにHCGの各層を設計することにより、分散素子として使用されます。分散素子の構造やパラメータが数値的に最適化されています。また、（TiO ₂の）誘電スパッタリング、ナノインプリントリソグラフィ⁶と反応性イオンエッチングを使用して、分散素子のための高コントラスト回折格子の製造を検討し、実証されています。

プロトコル

1.ナノインプリントモールド用のブランクポリジメチルシロキサン（PDMS）基板を準備します

1. シリコンウェーハ処理プロセス
   1. アセトン、メタノール、イソプロパノールですすぐことによって、4インチのシリコンウエハを清掃してください。
   2. それは窒素ガンを用いてブロー乾燥。
   3. 15分間の内部に浸漬することにより：（30％過酸化水素水と硫酸の1混合物3）ピラニア溶液を使用して清掃してください。
   4. DI水でそれを洗浄します。窒素ガンを用いたドライ吹きます。
   5. ガラスデシケーター中でウエハを配置します。デシケーター中に薬剤（トリクロロシラン）を放出するドロップ（20滴= 1ミリリットル）を追加します。
   6. ゲージは-762トルを読み取るまでデシケーターをポンプダウンし、5時間を待ちます。
   7. 離型剤で処理されたウェハアウトを取ります。
2. PDMSフィルムの作製（ナノインプリントにおけるモールドとして使用されます）
   1. シリコーンエラストマーベース10gと硬化剤1gを秤量します。
   2. 同一のガラスビーカーにそれらを追加します。
   3. STI5分間、ガラス棒でrと混ぜます。
   4. ゲージはすべて捕捉された気泡を送り出すために-762トルを読み取るまで、真空デシケーターに混合物を入れてください。
   5. 処理した4インチのシリコンウェーハ上に均等に広げます。
   6. PDMS膜を硬化させるために80℃で7時間、真空オーブン中で上にPDMSを有するウェーハを焼きます。

2.ナノインプリントモールド（マスターモールドから複製）を準備

1. 1,500rpmで30秒間清浄なブランクシリコンウェハ上に硬化性レジストをUVの12滴（20滴= 1ml）中（15.2％）をスピン。
2. 慎重に処理されたシリコンウェハオフPDMS膜の一部を剥離。
3. 硬化性レジストUV上にPDMSフィルムを入れて、それが紫外線を5分間耐えることをはがし吸収しましょう​​。
4. 2回同じPDMS膜上に2.1〜2.3を繰り返します。それぞれ3分、1分間耐えるUVを吸収します。
5. （3回の紫外線吸収に抵抗した後）は、シリコンマスターモールドにPDMSフィルムを配置します。
6. 窒素環境と室内に入れて。
7. 5分間のサンプルを硬化させるためにUVランプをオンにします。
8. PDMSフィルムをはがし。 UV硬化PDMS上のレジストは、マスター型のネガパターンを維持します。
9. PDMSモールドを治療するためのRF O ₂プラズマを使用してください。 （RFパワー：30 W、圧力：260トール、時間：1分）
10. 2時間離型剤の一滴（20滴= 1ml）で真空チャンバ内のPDMSモールドを配置します。

3.ナノインプリントパターン転写

1. 3,500 rpmで50秒間、インプリントされる基板上にPMMA（996k、3.1％）、8滴（20滴= 1 ml）をスピン。
2. 120℃で5分間、ホットプレート上で焼きます。
3. 試料が冷却するのを待ちます。
4. UV硬化性の8滴（20滴= 1 ml）を同一基板上にスピン（3.9％）をレジスト
5. サンプル（UVの両方でレジストPMMA）上にPDMSモールド（ステップ2で調製）を配置します。
6. 窒素環境と室内に入れて。
7. 5分間硬化させるためにUVランプをオンにします。
8. ピールサンプルオフPDMSモールドとPDMSモールド上のパターンを試料に転送されます。

4.クロムリフトオフプロセス

1. UVの残留層を反応性イオンエッチングレジストおよびPMMA
   注：ICPマシンのSOPはhttps://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdfで見つけることができます
   1. RIE、ICPマシンにログインします。
   2. 空白の4インチのシリコンウェーハをロードします。 10分間きれいなレシピを実行します。
   3. ブランクシリコンウエハを取り出してください。
   4. 別の清浄なシリコンウェハ上にサンプルをマウントし、マシンにロードします。
   5. 2分間のエッチングレシピをレジストUVを実行します（レシピは、表1に見ることができます）。
   6. サンプルを取り出します。空白の4インチのシリコンウェーハをロードします。再実行しクリーンなレシピを10分間（ 表1を参照のこと）。
   7. 清浄なシリコンウェハ上にサンプルをマウントしますマシンにロードします。
   8. 2分間（ 表1に見ることができる）、PMMAのエッチングレシピを実行します。
      注：ここでの残留がエッチングされたレジストを基板が露出しています。
2. Crの電子ビーム蒸着
   1. 電子ビーム蒸発器にログインします。
   2. チャンバー内にCr金属源とサンプルをロードします。
   3. 厚さ（20 nm）を蒸着速度（0.03 nmの/秒）を設定します。
   4. 必要な真空（10 ^-7トル）が到達するまで、チャンバポンプ。
   5. 堆積プロセスを開始します。
   6. 成膜終了後の試料を取り出します。
3. CRリフトオフ手順
   1. 5分間の超音波撹拌しながらアセトン中に試料を浸し。
   2. アセトン、メタノール、イソプロパノールでリンスすることにより、サンプルを清掃してください。
      注：Crはレジストのリフトオフされ、基板エッチングのためのCrマスクを形成する上で蒸発させました。

5.のTiO ₂発osition

1. ロードサンプル。
2. 直流マグネトロンスパッタリングマシンのパラメータを設定します
   1. 1.5ミリトールのチャンバ圧力、100sccmのアルゴンの流れと130 Wのスパッタ電力を使用して
   2. 27℃の温度および20回転数のステージ回転速度を使用してください。
3. スパッタプロセスを開始し、所望の厚さで停止します。
4. サンプルを取り出し、3時間300℃の酸素雰囲気中のTiO ₂膜をアニール。

6.ハイコントラストグレーティングエッチング

1. 誘導結合プラズマ（ICP）反応性イオンエッチング（RIE）マシンにログインします。
2. TiO ₂のエッチング
   1. ブランク4インチのシリコンウェーハをロードします。
   2. 10分間（ 表1に見ることができる）クリーンレシピを起動し、実行します。
   3. ブランクウエハをロードアンロードし、Crマスクでサンプルをロードします。
   4. エッチング時間を設定します。 TiO ₂のエッチングレシピを開始します。エッチングプロセスが自動matically停止。
   5. サンプルをアンロードします。
3. SiO ₂のエッチング
   1. SiO ₂のエッチングレシピを使用する以外は手順を繰り返し5.2。

7.反射率測定

1. ログインして、測定システムの電源をオンにします。
2. 試料ホルダーに、反射率標準ミラーを配置し、光路の位置を合わせます。
3. 100％の反射率のためのシステムのキャリブレーション。
4. 反射率標準ミラーを外し、HCGを配置します。
5. HCGの反射率を測定します。
6. データを保存し、測定システムからログアウトします。

結果

図1は、濃縮された太陽光発電システムにおける分散素子（回折格子多層高コントラスト（HCG））の実装を示しています。太陽の光は、第1の一次ミラーで反射され、ビームは反射し、異なる波長の異なる帯域に分割され、反射分散素子に入射されます。各バンドは電気への最高の吸収および変換のための太陽電池アレイ上の特定の場所に衝突します。このシステムの鍵は、HCGの?...

ディスカッション

まず、TiO ₂の膜の品質は、HCGのパフォーマンスのために非常に重要です。 TiO ₂のフィルムが少ない損失と表面粗さを有する場合、反射率ピークが高くなります。光学モードの閉じ込めがHCGで平坦で広い反射バンドを生じさせることができ指数の高いコントラストによって強化されるため、より高い屈折率を有するTiO ₂の膜も良好です。

第二に、製?...

資料

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