이 작품은 석유 기술 개발 기금 (PTDF, 나이지리아)와 공학 및 물리 과학 연구 협의회, 프로그램 그랜트 멤피스 (부여 번호 EP/K003976/1)를 통해 영국에 의해 후 원했다. 저자는 또한 박사 Zhizhao 체와 유익한 토론을 주셔서 감사합니다.

1. 실험 장비 설치
참고: 그림 1을 참조 하십시오.
<ol><li>
떨어지는 영화 단위
	<ol>
<li>깨끗 하 고 부드러운 천으로 기판 (유리) 표면 청소 하 여 시작 합니다. 아무 흙 액체 속성 변경 하는 것이 그것의 표면에 붙어 있는지 확인 합니다.</li>
		<li>원하는 성향 각을 유리 기판의 피벗을 설정 합니다. 경사 각도, β, 15˚의이 작품에 사용 되었습니다.</li>
		<li>전기 펌프에 전환 하 고 더 유리 기판 청소 필름 표면에 정상적인 액체 흐름을 보장 합니다. 이 작품에 대 한 테스트 액체는 이온된 수를 했다.</li>
		<li>기판의 표면 전체 침수가 확인 합니다.</li>
		<li>유량 계를 사용 하 여 영화 흐름 속도 측정 합니다. 이 작품에 대 한 유량 x 10-3 1.667와 해당 영화 다시 ρq =레이놀즈 수와 10 x 10-3 m3/s 사이 다양 했다 /wµ, 55.5와 333 사이 배열. 승 은 떨어지는 영화 폭, 0.30 m 이다.</li>
		<li>점차적으로 유리 기판 위에 원하는 유량을 얻기 위해 흐름 연결에 밸브를 조정 합니다.</li>
		<li>마이크로미터 단계 영화 입구에서 배포 챔버로 영화 입구 또는 공기의 역류에서 유압 점프를 피하기 위해 선택한 흐름 속도 대 한 해당 Nusselt 필름 두께 값 집합을 조정 합니다.</li>
		<li>수동으로 하류 필름 표면에 균일 흐름을 얻기 위해 배포 실에서 모든 공기를 사이 펀.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
영화 제어 장치
	<ol>
<li>함수 발생기는 데이터 수집 카드 (DAC)를 통해 비 래칭 릴레이 통해 솔레노이드 밸브에 연결 되어 있는지 확인 합니다.</li>
		<li>솔레노이드 밸브와 함수 발생기에 전환 합니다.</li>
		<li>함수 발생기 원하는 강제 주파수를 설정 합니다. 이 작품에서는, 2, 3 Hz의 주파수 사용 되었다.</li>
		<li>원하는 웨이브 신호 (사인 파, 톱니 파, 구형 파, 등)을 선택 합니다. 이 작품에서 사인파 신호는 이용 되었다. 그림 2A 와 2B 는 통제 영화와 제어 필름을 보여줍니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
작은 물방울 생성 시스템
	<ol>
<li>물 가득 주사기에 깨끗 한 플라스틱 튜브를 연결 합니다.</li>
		<li>드롭릿 발전기에 주사기를 삽입 합니다.</li>
		<li>플라스틱 튜브의 다른 쪽 끝을 (에 따라 원하는 방울 직경) 선택한 크기의 주사기 바늘을 부착. 공부 하는 작은 물방울 직경 범위 0.0023 0.0044 m 사이 했다.</li>
		<li>필름 표면 위의 드롭의가 높이 조정 합니다. 이 작품에서 드롭의가 높이 0.45 m, 0.30 ± 0.02-2.96 ± 사이 충격 속도 주는 0.005에서 다양 했다 0.06 m/s.</li>
		<li>마찬가지로, 영화 입구에서 드롭의 streamwise 영향 포인트를 설정 합니다. 이이 작품에서 0.3 m 파도 영향 전에 잘 형성 되도록 설정 했다.</li>
		<li>주사기 펌프에 대 한 원하는 유량을 설정 합니다.</li>
		<li>필름 표면에 형성 된 파의 파장 보다 더 큰 작은 물방울 생성 주파수를 달성 하기 위해 유량 조정 드랍 스 제어 영화의 다른 지역에 연속적으로 충돌을 확인 합니다. 그림 2C; 참조 와 각 지역19,20아래 흐름 프로필에는 dissimilarities 표시할 그림 2D 에서 단 수 파형의 확대.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
고속 영상 설치
	<ol>
<li>삼각대 스탠드 (또는 다른 어떤 적당 한 배열)에 카메라를 배치 합니다.</li>
		<li>원하는 초점 매크로 렌즈를 선택 하 고이 카메라에 연결.</li>
		<li>고속 카메라에 전환 하 고 필름 표면에 직접 초점을 보장 합니다. 필름 표면에 각각 7˚와 12˚ 수평 및 수직 편차에서 카메라를 맞춥니다. 이 각각 67.5 µ m/픽셀 및 streamwise와 spanwise 방향에서 46.6 µ m/픽셀의 해상도에 따른 영향 과정의 우수한 사이드 뷰 이미지를 제공 합니다.</li>
		<li>보정 항목을 정확 하 게 방울 영향에 자리 배치를 사용 하 여 (최대 조리개)에서 카메라 렌즈의 초점을 조정 합니다.</li>
		<li>날카로운 초점을 얻은 일단 적은 양의 빛만 카메라 입력 되도록 조리개를 줄일 수 있습니다.</li>
		<li>원하는 프레임 속도, 해상도 및 고속 카메라의 셔터 속도 설정 합니다. 5000 fps, 800 x 600 해상도, 프레임 속도 조리개 크기 1/16 그리고 셔터 속도 1 µs의이 작품에서 사용 되었다.</li>
		<li>빛은 이미징 지역에 걸쳐 확산 균일 하 게 되도록 그림 1C와 같이 광원, 앞 가벼운 기관총을 배치 합니다.</li>
		<li>이미징 영역 빛의 균일 한 확산을 확인 하는 광원에 전원.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2입니다. 보정
주: 그림 3을 참조 하십시오.
<ol><li>통치자 영화 흐름 방향에서 (정확 하 게 영향의 자리)에 넣고 필름 표면에 측정 된 포인트의 스냅샷을 얻을.</li>
	<li>Spanwise 방향에서 눈금자 함께 반복 2.1만.</li>
	<li>위의 필름 표면에 공간 해상도를 사용 합니다.</li>
</ol>3. 비디오 녹화 및 데이터 수집
<ol><li>영화 흐름 장비에 설정 되 면 주사기 펌프를 시작 하 고 필름 표면에 떨어지는 방울의 영향을 관찰 합니다.</li>
	<li>함수 발생기를 시작 하 고 필름 표면에 spatiotemporally 일반 파도의 생산 합니다.</li>
	<li>연속 방울 미치는 제어 필름 표면에의 다른 영역을 확인 합니다.</li>
	<li>프레임 번호와 이것을 설정 후 발생 관찰 영향을 적절 하 게 잡으려고 비디오 길이의 약 절반.</li>
	<li>광원 및 영향 발생 하면 이미지 캡처 트리거 전원.</li>
	<li>이미지 캡처 완료 되는 액체의 과열 방지를 위해 광원 끕니다.</li>
	<li>시각적으로 컴퓨터 화면에 획득된 스냅숏 분석. 영향 플랫 영화, 모 세관 파, 중 하나에서 발생 한 확인 또는 파도 고비 지역.</li>
	<li>영향 과정을 보여주는 부분에 비디오를 트리밍합니다 고 비디오/이미지 형태로 프레임 범위를 저장 합니다.</li>
	<li>즉. 독방 고비, 모 세관 파 및 평면 영화 필름 표면에 모든 지역에 개별 영향 3.5-3.8와 레코드를 반복 합니다.</li>
</ol>4. 이미지 후 처리 및 분석
<ol><li>통치자의 시야에 고 얼마나 많은 픽셀에 맞게 걸쳐 1 cm. 보정 이미지를 사용 하 여 계산 하 여 공간 해상도 계산, 이미지 차원 측정에 대 한 배율 인수를 얻을.</li>
	<li>고속 이미지에서 다른 영향 지역에 미치는 영향 과정의 결과 비교 합니다. 주목할 만한 차이 보고 확인 합니다.</li>
	<li>적당 한 MATLAB 이미지 처리 루틴을 사용 하 여 측정 영향 과정의 제품의 특성 기능: splashing 모드에서 즉 크라운 높이, 직경, 벽 두께 측정, 크기, 수, 크라운 지향 방향, 각도 기울기 분출된 보조 방울의 분포입니다.</li>
	<li>4.3 위 저 웨버 영향으로 비슷한 정량 분석을 실시 합니다. 수 위성의 핀치 오프 시간 시간을 프레임 이미지에서 삭제 하 고 팩스 길이 및 보조 상품의 핀치 오프 앞 부분 접착에 열 너비를 측정. 분출된 보조 상품의 크기를 측정 합니다. 반복된 핀치 오프 과정에서 캐스케이드의 수를 계산 합니다.</li>
	<li>각 지역에서 모든 질적 차이 관찰 합니다.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+impact+dynamics:+Splashing,+spreading,+receding,+bouncing&#8230;.">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing&#8230;.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38, 159-192 (2006).</li><li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenomena+of+liquid+drop+impact+on+solid+and+liquid+surfaces.">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li><li>Liang, G., Mudawar, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+mass+and+momentum+interactions+during+drop+impact+on+a+liquid+film.">Review of mass and momentum interactions during drop impact on a liquid film.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 101, 577-599 (2016).</li><li>Dam, D. 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V., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+and+stability+of+thin+liquid+films.">Dynamics and stability of thin liquid films.</a> Reviews of Modern Physics. 81 (3), 1131 (2009).</li><li>Adebayo, I. T., Matar, O. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+impact+on+flowing+liquid+films+with+inlet+forcing:+the+splashing+regime.">Droplet impact on flowing liquid films with inlet forcing: the splashing regime.</a> Soft Matter. 13 (41), 7473-7485 (2017).</li><li>Chang, H. H., Demekhin, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Complex wave dynamics on thin films. 14, (2002).</li><li>Liu, J., Gollub, J. 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R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Birth+and+growth+of+a+granular+jet.">Birth and growth of a granular jet.</a> Physical Review E. 78, 011305 (2008).</li></ol>

저자는 선언할 수 없다.

이 섹션에서 우리는 질적 결과 프로토콜에서 가져온 확인 하는 데 필요한 몇 가지 팁을 제공 합니다. 첫째, 유리 기판에 액체 영화 흐름 유지 되어야 완전히 먼지-무료 액체 필름의 속성을 확인 하는 탁월한 보관 됩니다. 이것은 달성 일반 청소 (아마 적합 한 세제를 사용 하 여 시스템에 해체를 방지 하는 트레이 위에 닦아)입니다. 마찬가지로, 일부 실험 라운드 후, 정확한 결과 보장 하기 위해 전체 테스트 액체의 정기적으로 교체 해야 합니다.
둘째, 유체 분포 챔버 잘 meshed 이어야 하며 또한 outflowing 액체 영화는 통일 되도록 밀폐 유지. 이것은 수동으로 각 실험 전에 분배기에서 공기를 몰래 여 행 해질 수 있다. 마이크로미터-영화 입구에서 단계를 사용 하 여도 해당 레이놀즈 수에서 영화 흐름의 Nusselt 견적에 의해 예측 하는 정확한 필름 두께를 영화 입구에서 갭 높이 설정 하려면 좋습니다. 이 유압 점프 또는 입구에 역류 되지 것입니다.
솔레노이드 밸브의 동작 또한 항상 확인 하 고 제대로 확인 해야 합니다. 흐름의 적절 한 맥 강제 파의 생산을 보장 하는 데 필요한 때문입니다. 이 솔레노이드 밸브 연결 파이프를 따라 인식된 맥의 일반 클릭 사운드에서 체크 수 있습니다. 주사기 펌프에 액체 유량도 방울 떨어지기 전에 어떤 사전 가속을 피하고 떨어지는 방식 배출은 되도록 신중 하 게 설정 해야 합니다.
고속 카메라의 적절 한 교정은 매우 정확한 결과 얻을 수 보장 되어야 합니다. 조리개 크기 해야 합니다 또한 신중 하 게 선택 필드, 노출 시간 및 전반적인 이미지 밝기의 깊이 같은 매개 변수를 고려. 카메라 비디오 녹화 중 트리거링, 사용자는 또한 트리거링 하기 전에 얼마나 많은 프레임을 기록 한다 추정 해야 합니다. 이 드롭 영향에 따라 개인과 다를 수 있습니다, 그리고 따라서, 연습에 대 한 몇 가지 시험 테스트는 실제 측정 하기 전에 권장 합니다. 마찬가지로, 광원 제대로 배열 하 고 이미지에 그림자를 최소화 하기 위해 잘 확산 되어야 합니다.
참고 하 고 연구의 주요 초점입니다 기억 떨어지는 방울의 영향 역학 파의 기여 따라서 일반 웨이브 구조의 형성은 기본 물리학의 정확한 연구에 필수적인 중요 하다. 시나리오 파도 구조 3 차원 구조를 신속 하 게 전환 관찰 된다, 그것은 좋습니다 기판 경사 각도 감소14,19 웨이브 구조의 느린 전환을 촉진 하기 위하여 수 .
기술에의 한 제한 영향의 각 지역에 실제 즉석 필름 두께 지정 하는 측정 장치가 없을 경우에 관찰 된다. 이 전반적인 관찰된 현상에 추가 정보를 제공 것입니다.
요약 하자면,이 보고서에 명시 된 절차 또한 사용할 수 있습니다 설명 된 고속 이미징 시스템 빠른 역학 액체 방울 헤어21, 등 많은 연구 분야에 적용할 수 있는 하는 동안 간단한 웨이브 진화 역학을 공부 하 22/coalescence23, 세분화 된 제트24, 등 중요 한 현상을 마이크로 날짜 표시줄에서 관찰 된다.

드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 어떤 호기심 관찰자1에서 주목. 그것은 스프레이 냉각, 화재 진압, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 증 착 인쇄 회로 보드에 솔더 범프의 내부 연소 엔진의 디자인을 포함 하 여 그것의 수많은 응용 프로그램으로 인해 활성 연구 영역 구성 표면 청소 및 셀 인쇄2. 응용 프로그램 확장도 농업, 예를 들어, 관개 및3,4살포 작물 뿌리. 선구적인 작업 날짜 다시워싱턴5, 동안 주요 발전만 최근 만들어진 고속 이미징6의 출현 때문에의 작품으로 19 세기 . 그 이후로, 여러 가지 연구는 실시 되었습니다; 영향 표면에서에서 범위의 솔리드7,8, 얕은,9 박막12,13깊은 액체 풀10,11 의 다른 종류를 사용 하 여.
그러나, 많은 양의 (즉, 얕은 및 깊은 풀 및 무부하 영화) 액체 표면에 작은 물방울 영향에 대 한 연구에도 불구 하 고 흐르는 액체 박막에 영향 받지 많은 관심. 또한, 지금까지, 연구 방울 영향 역학 파의 공간 구조에의 공헌을 무시 있다.
이 보고서에서는 흐르는 영화 그 역학 입구-액체 유량;의 강요에 의해 영향을 받습니다에 물방울 영향 과정을 조사 하는 상세한 실험 절차 소개 아래, 우리는 '제어' 영화로 그들을 참조 하십시오. 우리 찾을 것이 다 산 산업 (예를 들어, 냉각 타워, 증 류 법 란에서 그리고 또한 환상 흐름 정권에서 2 단계 흐름에서 관찰)에 있는 수많은 응용 프로그램 특히 영화 컨트롤은 되었다 중요 한 단계는 열 및 많은 프로세스 산업14대량 전송의 강화. 관심이 있는 독자는이 연구의 결과 대 한 자세한 내용은 우리의 이전 작품15 불린다.
유입 유량의 주파수 진동의이 응용이 필름 표면에 일반 파도의 형성 결과. 우리는 본질적으로 널리 분리 된 좁은 봉우리에 의해 특징입니다 앞 모 세관 파16,,1718의 시리즈 앞 독방 웨이브 가족에 초점. 우리 공부 독방 웨이브 구조의 세 가지 주요 부품과 관련 된 영향의 결과: ' 플랫 ', '웨이브 고비', 필름과 앞 '모 세관 파' 지역. 우리는 또한 그 통제 흐르는 영화와 관련 된 이러한 결과 대조. 우리의 결과 통제 필름에 물결 모양의 확률적 특성 제어 영화 또한 우리는 새로운 메커니즘을 보여주는 별도 영역으로 드롭 영향의 결과 현저 하 게 영향을 질적으로 모두 선발 및 양적.
이전 종이15에서 동일한 절차를 사용 하 여 우리 splashing 정권에서 물방울 영향 역학에 영화 제어의 효과 공부 했습니다. 얻은 결과 꺼낸된 보조 방울의 숫자와 크기 분포 뿐만 아니라 크라운 형태 (높이, 지름, 벽 두께, 기울기 각도 및 방향)에서 양적 및 질적 차이 보였다.
이 보고서에서 우리이 공간 구조 방울 영향 역학과 또한 현재 간결 내용의 splashing 정권 뿐만 아니라 물방울의 다른 결과 대 한 우리의 연구 결과에 의해 재생 중요 한 역할을 이해 하려면 설계 된 설정 설명 영향 (즉 수신 거부, 슬라이딩, 부분/전체 접착). 아래에서 설명 하는 표준 프로토콜에 따라, 드롭릿 영향 역학에 영화 제어의 효과 재현 방식에서 공부 될 수 있다.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Function generator</td>
			<td>GW INSTEK</td>
			<td>AFG 2005 Series, Digital. Geo0852266</td>
			<td>Produces a varied type of wave signals, ranging from sine, square to saw-tooth wave at different frequencies (0.1 Hz - 5 MHz).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Braintree Scientific Inc.</td>
			<td>Bs-8000 /225540</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solenoid valve</td>
			<td>SMC-VXD</td>
			<td>2142A. 
			0AE-5001</td>
			<td>Series-pilot-operated-two-port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Relay</td>
			<td>Takamisara</td>
			<td>A5W-K. 
			154424C-03L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric pump</td>
			<td>Clarke SP</td>
			<td>SPE1200SS 1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow meter</td>
			<td>RS Component</td>
			<td>CYNERGY3 UF25B 14011600040110</td>
			<td>Measurement range: 0.2-25 L/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micrometer step</td>
			<td>RS Component</td>
			<td>Micrometer Head</td>
			<td>0.01 mm/0 -13 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>I-SPEED 3.</td>
			<td>Capable of recording at up to 100, 000 frames per second.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light source</td>
			<td>TLC Electrical supplies</td>
			<td>IP54 -black</td>
			<td>Double enclosed halogen floodlight. Rating 500 W.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Light diffusor</td>
			<td>OptiGraphix</td>
			<td>DFPMET</td>
			<td>250 &#956;m thickness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass substrate</td>
			<td>Instrument Glasses Ltd</td>
			<td>Soda Lime Float Glass; 570 mm x 300 mm x 4 mm</td>
			<td>Flatness tolerance 0.02/0.04.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macro-lenses</td>
			<td>(a) Nikon 
			(b) Sigma</td>
			<td>(a) AF-Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 D 
			(b) 105 mm f/2.8 Macro-Ex</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Test-liquid</td>
			<td>De-ionized water from the Imperial College Analytical Lab.</td>
			<td>Standard solution 
			(AnalaR)</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

film control to study contributions of waves to droplet impact dynamics on thin flowing liquid films

드롭릿 영향 자연에서 매우 일반적인 현상이 고 주목 미적 매력 및 광범위 한 응용 프로그램. 이 최근 하락 영향 역학에 중요 한 영향력을가지고 표시 되었습니다 동안 흐르는 액체 영화에 대 한 이전 연구 영향 결과에 파도의 공간 구조에의 기여를 무시 있다. 이 보고서에서 우리 spatiotemporally 일반 웨이브 구조의 생산 하락 영향 역학에 이어지는 흐르는 액체 필름의 주기적인 입구의 효과 조사 하는 단계별 절차를 설명 합니다. 솔레노이드 밸브 관련 함수 발생기는 균일 한 크기의 작은 물방울의 영향 역학 고속 카메라를 사용 하 여 캡처 동안 이러한 spatiotemporally 일반 파도 구조 필름 표면에 흥분 하는 데 사용 됩니다. 다음 세 가지 고유한 영역 공부; 즉 앞에 큰 파도 피크, 플랫 영화 지역과 웨이브 고비 지역 모 세관 파 지역. 레이놀즈, 영화 같은 중요 한 크기가 없는 양의 효과 웨버 드롭하고 영화 흐름 율, 드롭 속도 및 드롭 크기에 의해 매개 변수화 Ohnesorge 숫자는 또한 시험. 우리의 결과 보여준다 흥미, 지금까지 알려지지 않은 역학의 영화 입구의 흐르는 영화 모두 낮은 높은 관성 삭제에 대 한이 응용 프로그램에 대해 가져온.

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Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.

얇은 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 공부 영화 컨트롤

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...

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Research

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Engineering

7.3K 조회수.  Imperial College London. 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.

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Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Plasmonic 강화된 라이트 - 트래핑과 다결정 실리콘 박막 태양 전지

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

연구

공학

Nanomoulding of Functional Materials, a Versatile Complementary Pattern Replication Method to Nanoimprinting

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding combined with layer transfer enables the replication of arbitrary surface patterns from a master structure onto the functional material. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes. In particular we demonstrate the fabrication of patterned transparent zinc oxide electrodes for light trapping applications in solar cells.

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes.

기능성 재료 Nanomoulding, Nanoimprinting에 다목적 보완 패턴 복제 방법

We describe a nanomoulding technique which  allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks  and full devices. Nanomoulding ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can potentially contribute to the exposure of biota and humans. The diffusive gradients in thin films technique is introduced here for in-situ measurements of Pu bioavailability and speciation. A diffusion cell constructed for laboratory experiments with Pu and the newly developed protocol make it possible to simulate the environmental behavior of Pu in model solutions of various chemical compositions. Adjustment of the oxidation states to Pu(IV) and Pu(V) described in this protocol is essential in order to investigate the complex redox chemistry of plutonium in the environment. The calibration of this technique and the results obtained in the laboratory experiments enable to develop a specific DGT device for in-situ Pu measurements in freshwaters. Accelerator-based mass-spectrometry measurements of Pu accumulated by DGTs in a karst spring allowed determining the bioavailability of Pu in a mineral freshwater environment. Application of this protocol for Pu measurements using DGT devices has a large potential to improve our understanding of the speciation and the biological transfer of Pu in aquatic ecosystems.

The technique of diffusive gradients in thin films (DGT) is proposed for speciation studies of plutonium. This protocol describes diffusion experiments probing the behavior of Pu(IV) and Pu(V) in presence of organic matter. DGTs deployed in a karstic spring allow assessment of the bioavailability of Pu.

박막의 확산을 사용하여 환경 플루토늄의 분화 및 생체 이용률 측정

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

시간 해결 전자 전도도를 통해 박막 태양 광 재료의 재조합 역학

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

제자리에서 태양 전지 및 모듈의 가속된 성능 저하의 모니터링: Cu (In, Ga) Se2 태양 전지에 대 한 사례 연구

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

기울기 각도 증 착을 사용 하 여 미디어를 흡수 하는 높은 가진 매우 얇은 필름의 제조

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (Cu variant) entropy-stabilized oxides. Phase pure and chemically homogeneous (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (x = 0.20, 0.27, 0.33) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (x = 0.11, 0.27) ceramic pellets are synthesized and used in the deposition of ultra-high quality, phase pure, single crystalline thin films of the target stoichiometry. A detailed methodology for the deposition of smooth, chemically homogeneous, entropy-stabilized oxide thin films by pulsed laser deposition on (001)-oriented MgO substrates is described. The phase and crystallinity of bulk and thin film materials are confirmed using X-ray diffraction. Composition and chemical homogeneity are confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The surface topography of thin films is measured with scanning probe microscopy. The synthesis of high quality, single crystalline, entropy-stabilized oxide thin films enables the study of interface, size, strain, and disorder effects on the properties in this new class of highly disordered oxide materials.

The synthesis of high quality bulk and thin film (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O entropy-stabilized oxides is presented.

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and ...

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 (STO) Single-crystal Substrates

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio frequency (RF) magnetron sputtering. LSMO nanoparticles were deposited with diameters from 10 to 20 nm and heights between 20 and 50 nm. At the same time, (Gd) Ba2Cu3O7&#8722;&#948; ((Gd) BCO) films were fabricated on both undecorated and LSMO nanoparticle decorated STO substrates using RF magnetron sputtering. This report also describes the properties of GdBa2Cu3O7&#8722;&#948;/ La0.67Sr0.33MnO3 quasi-bilayer films structures (e.g., crystalline phase, morphology, chemical composition); magnetization, magneto-transport, and superconducting transport properties were also evaluated.

Radio Frequency Magnetron Sputtering of GdBa2Cu3O7ÃƒÆ’Ã‚Â¢Ãƒâ€¹Ã¢â‚¬Â 'ÃƒÆ’Ã…Â½ Â´/ La0.67Sr0.33MnO3 Quasi-bilayer Films on SrTiO3 STO Single-crystal Substrates

Here, we present a protocol to grow LSMO nanoparticles and (Gd) BCO films on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio frequency (RF)-sputtering.

고주파 마 그 네트 론 스퍼터 링 GdBa2Cu3O7−δ의 라0.67SrTiO3 (STO) 단 결정 기판에 Sr0.33MnO3 준 bilayer 영화 /

Here, we demonstrate a method of coating ferromagnetic La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) nanoparticles on (001) SrTiO3 (STO) single-crystal substrates by radio ...

Determining Tribocorrosion Rate and Wear-Corrosion Synergy of Bulk and Thin Film Aluminum Alloys

The increasing complexity and severity of service conditions in areas, such as aerospace and marine industries, nuclear systems, microelectronics, batteries, and biomedical devices, etc., impose great challenges on the reliable performance of alloys exposed to extreme conditions where mechanical and electrochemical attack co-exist. Finding ways for alloys to mitigate the combined attack of wear and corrosion (i.e., tribocorrosion) under such extreme conditions is thus highly critical for improving their reliability and service lifetime when used in such conditions. The challenge lies in the fact that wear and corrosion are not independent of each other, but rather work synergistically to accelerate the total material loss. Thus, a reliable method to evaluate the tribocorrosion resistance of metals and alloys is needed. Here, a protocol for measuring the tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of Al-based bulk and thin film samples in a corrosive environment under room temperature is presented.

Here, we present a protocol to measure the tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of thin film and bulk Al alloys in simulated sea water at room temperature.

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