집중 태양 광 발전 시스템의 스펙트럼 분할 흩어 요소에 대한 고 대비 격자의 제작

요약

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.

초록

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.

서문

현대 사회는 재생 가능한 에너지 원으로 에너지 소비의 상당 부분을 움직이지 않고 생존 할 것이다. 이 일어날 수 있도록하기 위해, 우리는 가까운 미래에 석유 기반 에너지 원보다 낮은 비용으로 신 재생 에너지를 수확 할 수있는 방법을 찾을 수있다. 태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부한 신 재생 에너지입니다. 진행됨 많은 태양 에너지를 수확하여 이루어진 것을에도 불구하고, 석유 계 에너지 원과 경쟁 여전히 매우 도전적이다. 태양 전지의 효율을 개선하는 것은 태양 에너지 수확의 시스템 비용을 절감 할 수있는 가장 효율적인 방법 중 하나이다.

그것이 고가 탠덤 다중 접합 태양 전지 ^(2)을 악용 경제성하므로 광학 렌즈 및 접시 반사기는 일반적으로, 작은 면적의 태양 전지에 태양 광이 입사 높은 농도를 달성하기 위해 가장 집중된 광 (CPV) 시스템 ^(1)에 사용되는 CPV 시스템 및 합리적인 유지동시에 비용. 그들은 일반적으로 더 넓은 태양 스펙트럼 응답 및보다 전반적으로 높은 변환 효율을 갖지만 그러나, 통상 태양 전지의 대 면적 분할을 필요로 가장 비 농축 광전지 시스템의 경우, 고가의 탠덤 태양 전지는, 혼입 될 수 없다 단일 접합 태양 전지 ^3.

최근 평행 스펙트럼 분할 광학계의 도움 (즉 분산 요소)와, 병렬 스펙트럼 분할 광전지 기술 ⁴ 만들었다 그것을 가능한 유사하거나 더 나은 스펙트럼 범위와 변환 효율이 고가의 탠덤 태양 전지를 사용하지 않고 달성 될 수있다. 다른 태양 스펙트럼 대역으로 분할 될 수 있고, 각 대역은 흡수되고 특화된 단일 접합 태양 전지에 의해 전기로 전환시킬 수있다. 이러한 방식으로, CPV 시스템의 비싼 탠덤 태양 전지는 단일 접합 태양 전지의 병렬 분포로 대체 될 수있다성능에 타협하지 않고들.

이 보고서에서 설계된 분산 요소는 개선 된 태양 광 전기 변환 효율 및 비용 절감을위한 병렬 스펙트럼 분리를 실현할 (접시 반사기에 기초하는) 반사 CPV 시스템에 적용될 수있다. 적층 높은 콘트라스트 격자 ^{(HCG)도 5는} 광 대역 반사기로 일 HCG의 각 계층을 설계함으로써 분산 요소로서 사용된다. 구조와 분산 요소의 매개 변수가 수치 적으로 최적화되어 있습니다. 또한, 유전체를 사용하여 분산 요소에 대한 높은 콘트라스트 격자의 제작 _(이산화 티탄), 스퍼터링, 나노 임프린트 리소그래피 ⁽⁶⁾ 및 반응성 이온 에칭이 연구되고 설명된다.

프로토콜

나노 임프린트 몰드 1. 빈 폴리 디메틸 실록산을 준비 (PDMS) 기판

1. 실리콘 웨이퍼 처리 공정
   1. 아세톤, 메탄올 및 이소프로판올로 세척하여 4 인치 실리콘 웨이퍼를 청소한다.
   2. 이 질소 총을 이용한 드라이 불어.
   3. 15 분 동안 담가 내부 (30 %의 과산화수소와 황산의 혼합물을 3 일) 피라나 용액을 사용하여 청소한다.
   4. 탈 이온수로 씻어. 질소 총을 사용하여 건조 불어.
   5. 유리 데시 케이 터에 웨이퍼를 놓습니다. 데시 케이 터에 제 (트리클로로)를 해제 한 방울 (20 방울 = 1 ml)에 추가한다.
   6. 게이지가 -762 토르 표시 될 때까지 데시 케이 터를 펌프와 5 시간 동안 기다립니다.
   7. 박리제로 처리 된 웨이퍼 아웃 보자.
2. PDMS 필름의 제조 (나노 임프린트의 몰드로 사용)
   1. 실리콘 엘라스토머 염기 10g 및 경화제의 1g을 단다.
   2. 같은 유리 비커에 추가.
   3. STI는R 및 5 분 동안 유리 막대로 혼합한다.
   4. 게이지가 모든 갇힌 공기 방울을 펌프 -762 토르 표시 될 때까지 진공 데시 케이 터에 혼합물을 넣어.
   5. 처리 한 4 인치 실리콘 웨이퍼 상에 균등하게 확산.
   6. PDMS 막을 경화 80 ° C에서 7 시간 동안 진공 오븐에서 위에 PDMS와 웨이퍼를 굽는다.

2. (마스터 금형에서 중복) 나노 임프린트 몰드를 준비

1. 1500 rpm에서 30 초 동안 깨끗한 빈 실리콘 웨이퍼 상에 UV 경화성 레지스트 열두 방울 (20 방울 = 1 mL) 중 (15.2 %)을 스핀.
2. 조심스럽게 처리 한 실리콘 웨이퍼 오프 PDMS 막의 일부를 박리.
3. 경화 저항 자외선에 PDMS 필름을 넣고는 UV가 다음 5 분 레지스트를 벗겨 흡수 할 수 있습니다.
4. 두 번 같은 PDMS 막 위에 2.1-2.3 반복한다. 자외선은 각각 3 분 1 분 동안 저항을 사용하여 흡수시킬 것.
5. 실리콘 마스터 몰드에 (세 시간 자외선 흡수에 저항 후) PDMS 필름을 놓습니다.
6. 질소 환경 챔버에 넣어.
7. 5 분 동안 샘플을 치료하는 UV 램프를 켭니다.
8. PDMS 필름을 벗겨. UV 경화는 마스터 몰드의 네가티브 패턴을 유지할 PDMS 레지스트.
9. 사용 RF O ₂ 플라즈마 PDMS 몰드를 치료한다. (RF 전력 : 30 W, 압력 : 260 mTorr의 시간 : 1 분)
10. 2 시간 동안 박리제 한 방울 (20 방울 = 1 ml)로 진공 챔버에 PDMS 몰드를 놓는다.

3. 나노 임프린트 패턴 전송

1. 기판 상에 PMMA의 팔 방울 (20 방울 = 1 ㎖) (996k, 3.1 %)를 스핀은 3,500 rpm에서 50 초 동안 각인합니다.
2. 120 ℃에서 5 분 동안 열판을 굽는다.
3. 시료가 식을 때까지 기다립니다.
4. 동일 기판 상에 UV 여덟 방울 (20 방울 = 1 ㎖) 경화성은 (3.9 %)을 레지스트 스핀.
5. 샘플 (UV 모두 저항 및 PMMA)에 PDMS 몰드 (단계 2에서 제조)를 놓습니다.
6. 질소 환경 챔버에 넣어.
7. 5 분 동안 치료하는 UV 램프를 켭니다.
8. 필 오프 샘플 PDMS 몰드와 PDMS 몰드의 패턴 샘플에 전사 얻는다.

4. CR의 리프트 오프 (lift-off) 공정

1. 잔류 자외선의 레지스트 층과 PMMA를 반응성 이온 에칭
   참고 : ICP 기계에 대한 SOP는 https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf에서 찾을 수 있습니다
   1. RIE ICP 시스템에 로그인합니다.
   2. 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를로드합니다. 10 분 동안 깨끗한 레시피를 실행합니다.
   3. 빈 실리콘 웨이퍼를 꺼내.
   4. 다른 깨끗한 실리콘 웨이퍼 상에 샘플을 장착하고 시스템에로드합니다.
   5. 자외선은 2 분 동안 에칭 레시피를 저항 실행 (제조법은 표 1에서 찾아 볼 수있다).
   6. 샘플을 가져 가라. 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를로드합니다. 다시 실행 깨끗한 레시피를 10 분 동안 (표 1에서 찾아 볼 수있다).
   7. 깨끗한 실리콘 웨이퍼 상에 샘플을 탑재하고 시스템에로드.
   8. 2 분 동안 (표 1에서 찾을 수 있습니다) PMMA 에칭 레시피를 실행합니다.
      참고 : 이제 잔류 에칭 된 레지스트 및 기판이 노출되어있다.
2. CR E - 빔 증발
   1. 전자 빔 증발기에 로그인합니다.
   2. 챔버에 CR 금속 소스 및 샘플을로드합니다.
   3. 두께 (20 ㎚) 및 증착 속도 (/ 초 0.03 nm의)를 설정합니다.
   4. 필요한 진공 ^(10-7 토르)까지 실을 펌프하는 것은 도달한다.
   5. 증착 프로세스를 시작한다.
   6. 증착이 완료된 후 샘플을 가져 가라.
3. 리프트 오프 (lift-off) CR 절차
   1. 5 분 동안 초음파 교반 아세톤에 시료를 담그.
   2. 아세톤, 메탄올, 이소프로판올로 세척하여 샘플을 청소합니다.
      참고 : 전원이 해제됩니다 레지스트 및 기판 에칭 CR 마스크를 형성에 CR 증발.

5. _이산화 티탄 출발지osition

1. 로드 샘플.
2. 직류 마그네트론 스퍼터링 장치에 대한 매개 변수를 설정
   1. 1.5 mTorr 이하의 챔버 압력, 100 SCCM의 아르곤 흐름과 130 W.의 스퍼터링 전력을 사용
   2. 27 ° C의 온도 및 20 rpm의 단계 회전 수를 사용한다.
3. 스퍼터 공정을 시작하고 원하는 두께로 중지합니다.
4. 샘플을 가지고 3 시간 동안 300 ℃에서 산소 환경에서 _이산화 티탄 필름을 어닐링.

6. 고 대비 격자 에칭

1. 유도 결합 플라즈마 (ICP), 반응성 이온 에칭 (RIE) 장치에 로그인.
2. _이산화 티탄 에칭
   1. 빈 4 인치 실리콘 웨이퍼를 적재.
   2. 시작하고 깨끗한 레시피를 실행 10 분 동안 (표 1에서 찾아 볼 수있다).
   3. 빈 웨이퍼를로드 언로드 및 CR 마스크와 샘플을로드합니다.
   4. 에칭 시간을 설정합니다. _이산화 티탄 에칭 레시피를 시작합니다. 에칭 공정 의지 자동matically 중지합니다.
   5. 샘플을 언로드합니다.
3. _SiO2를 에칭
   1. _SiO2를 에칭 조리법을 사용 제외 단계를 반복 5.2.

7. 반사율 측정

1. 로그인 및 측정 시스템을 켭니다.
2. 샘플 홀더에 반사율 표준 거울을 놓고 광학 경로를 맞 춥니 다.
3. 100 %의 반사율을 보정 시스템.
4. 반사율 표준 거울을 벗고 HCG를 놓습니다.
5. HCG의 반사율을 측정합니다.
6. 데이터를 저장하고 측정 시스템의 로그 아웃.

결과

도 1은 농축 광전지 시스템에서 분산 요소 (다층 높은 콘트라스트 격자 (HCG))의 구현을 도시한다. 태양 광은 제 차 미러에 의해 반사 된 빔이 반사되고, 다른 파장의 상이한 대역들로 분할되어 반사 분산 요소에 충돌한다. 각 대역은 전기 가장 흡수 및 전환 용 태양 전지 어레이상의 특정 위치에 충돌한다. 본 시스템의 핵심은 설계 및 HCG의 여러 층으로 구성되는 분산 요소의 구현이다. <...

토론

우선, _이산화 티탄 막의 품질 HCG 성능에 매우 중요하다. _이산화 티탄 막은 적은 손실 및 표면 거칠기를 갖는 경우, 반사율 피크는 높을 것이다. 광학 모드가 한정 HCG의 평탄한 야기하고 넓은 반사 밴드를 제공 할 수있는 인덱스 높은 콘트라스트에 의해 향상되기 때문에 더 높은 굴절률과 _이산화 티탄 막도 바람직하다.

둘째로, 제조 오차 HCG에 상당한 ?...

자료

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