Fabricação de grades de alto contraste para o Splitting Spectrum dispersivo Elemento em um sistema fotovoltaico concentrado

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Nossa sociedade moderna não vai sobreviver sem mover uma parcela significativa do consumo de energia de fontes renováveis ​​de energia. Para que isso aconteça, temos de encontrar uma maneira de colher a energia renovável a um custo menor do que as fontes de energia à base de petróleo em um futuro próximo. A energia solar é a energia renovável mais abundante na Terra. Apesar de que um grande número de avanços têm sido feitos na colheita de energia solar, que ainda é muito difícil de competir com fontes de energia à base de petróleo. Melhorar a eficiência das células solares é uma das maneiras mais eficientes para reduzir o custo do sistema de captação de energia solar.

Lentes ópticas e reflectores de prato são normalmente utilizados em sistemas fotovoltaicos mais concentrada (CPV) ^um para alcançar uma elevada concentração de energia solar de incidência sobre as células solares de pequena área, de modo que é economicamente viável para explorar em tandem caro células solares multi-junção em ^dois sistemas CPV, e para manter um razoávelcustar ao mesmo tempo. No entanto, para a maioria dos sistemas fotovoltaicos não-concentrados, que normalmente exigem uma parcela de células solares de grande área, as células solares em tandem de alto custo não podem ser incorporados, embora eles geralmente têm uma resposta espectro solar mais ampla e uma maior eficiência de conversão global do que o único de junção de células solares ^3.

Recentemente, com a ajuda dos paralelas óptica de divisão de espectro (isto é, elemento dispersivo), paralela a divisão do espectro tecnologia fotovoltaica ⁴ tornou possível que uma cobertura de espectro semelhante ou melhor e eficiência de conversão pode ser conseguida sem a utilização de células solares em tandem caro. O espectro solar podem ser divididos em diferentes faixas e cada faixa pode ser absorvida e convertida em electricidade por as células solares de junção única especializados. Desta forma, as células solares em tandem caros nos sistemas CPV pode ser substituído por uma distribuição paralela de uma única junção de células solaress sem qualquer compromisso sobre o desempenho.

O elemento de dispersão que foi concebido no presente relatório pode ser aplicada num sistema CPV reflectora (que se baseia na reflectores de prato) para realizar a divisão do espectro paralelo para a melhoria da eficiência de conversão de energia solar de energia elétrica e custo reduzido. Multicamada grelhas de alto contraste (hCG) ⁵ é utilizado como o elemento de dispersão através da concepção de cada camada de HCG para trabalhar como um reflector de banda óptica. As estruturas e os parâmetros do elemento dispersivo são numericamente optimizado. Além disso, o fabrico de grades de alto contraste para o elemento dispersivo usando dieléctrico (TiO ₂₎ sputtering, nanoimpressão litografia ⁶ e gravação iónica reactiva é estudada e demonstrada.

Protocolo

1. Prepare o polidimetilsiloxano Blank (PDMS) Substrato para nanoimpressão Mold

1. Processo de Tratamento Silicon Wafer
   1. Limpar uma bolacha de silício de 4 polegadas por lavagem com acetona, metanol e isopropanol.
   2. Funda-o secar usando a arma de azoto.
   3. Limpar com solução piranha (mistura 3: 1 de ácido sulfúrico com 30% de peróxido de hidrogénio) por imersão dentro de 15 min.
   4. Lavar com água DI. Seque usando a arma de azoto.
   5. Coloque a bolacha em um dessecador de vidro. Adicionar uma gota (20 gotas = 1 ml) de agente (triclorossilano), libertando no exsicador.
   6. Pump down exsicador até o medidor lê -762 Torr e esperar por 5 horas.
   7. Leve o wafer fora, o que tem sido tratada com agente de liberação.
2. Preparação de PDMS Film (Usado como Mold em nanoimpressão)
   1. Pesar 10 g de base de elastómero de silicone e 1 g de agente de cura.
   2. Adicionar-los na mesma proveta de vidro.
   3. Stir e misture com uma vareta de vidro durante 5 minutos.
   4. Coloque a mistura em um exsicador de vácuo até que o calibre lê -762 Torr para bombear para fora todas as bolhas de ar aprisionadas.
   5. Espalhe-os uniformemente sobre o tratado wafer de silício de 4 polegadas.
   6. Cozer a bolacha com PDMS em cima no forno de vácuo durante 7 h a 80 ° C para curar o filme de PDMS.

2. Prepare o Mold nanoimpressão (Duplicação do Mold Master)

1. Gire doze gotas (20 gotas = 1 ml) de UV curável resistem (15,2%) em um wafer de silício em branco limpo durante 30 segundos a 1500 rpm.
2. Retire cuidadosamente um pedaço de filme PDMS fora do wafer de silício tratado.
3. Coloque o filme PDMS para o UV curável resistir e deixá-lo absorver a UV resistir por 5 min, em seguida, retire-a.
4. Repetir 2,1-2,3 no mesmo filme para PDMS duas vezes. Absorve a resistir UV durante 3 min e 1 min, respectivamente.
5. Coloque o filme PDMS (após três vezes UV resistir absorção) sobre um molde mestre de silício.
6. Colocá-lo em uma câmara com ambiente de azoto.
7. Ligue lâmpada de UV para curar a amostra durante 5 minutos.
8. Retire o filme PDMS. O UV curado resistir nas PDMS vai manter o padrão negativo do molde mestre.
9. Use RF _O2 plasma para tratar o molde PDMS. (Potência RF: 30 W, a pressão: 260 mTorr, tempo: 1 min)
10. Coloque o molde PDMS em uma câmara de vácuo com uma gota (20 gotas = 1 ml) do agente de libertação, durante 2 h.

3. nanoimpressão Transferência Padrão

1. Rotação oito gotas (20 gotas = 1 mL) de PMMA (996k, 3,1%) sobre o substrato a ser impresso por 50 segundos a 3500 rpm.
2. Asse numa placa de aquecimento durante 5 minutos a 120 ° C.
3. Aguarde até que a amostra arrefeça.
4. Rotação oito gotas (20 gotas = 1 mL) de UV curável resistem (3,9%) no mesmo substrato.
5. Coloque o molde PDMS (preparado no passo 2) para a amostra (com ambos UV resistir e PMMA).
6. Colocá-lo em uma câmara com ambiente de azoto.
7. Acender a luz UV para curar durante 5 minutos.
8. Retire o molde PDMS fora a amostra e o padrão sobre o molde PDMS é transferido para a amostra.

4. Cr Descolagem Processo

1. Ion reativa gravura camada residual de UV resistir e PMMA
   Nota: A SOP para a máquina ICP pode ser encontrada em https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Log in máquina RIE ICP.
   2. Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas. Executar a receita limpa para 10 min.
   3. Leve o wafer de silício em branco para fora.
   4. Monte a amostra em outra pastilha de silício limpo e carregá-lo para dentro da máquina.
   5. Executar a UV resistir receita condicionamento durante 2 min (a receita pode ser encontrada na Tabela 1).
   6. Leve a amostra para fora. Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas. Volte a executar a receita limpo (pode ser encontrado na Tabela 1) durante 10 min.
   7. Monte a amostra sobre uma pastilha de silício limpoe carregá-lo para dentro da máquina.
   8. Executar a receita gravura PMMA (pode ser encontrada na Tabela 1) durante 2 min.
      Nota: Agora o resíduo resistem foi gravado e o substrato é exposto.
2. Cr E-feixe de evaporação
   1. Faça o login no evaporador e-feixe.
   2. Carregue a fonte de metal Cr e amostras para a câmara.
   3. Defina a espessura (20 nm) e taxa de deposição (0,03 nm / seg).
   4. Bomba da câmara de vácuo até requerido (10 ^-7 Torr) é alcançado.
   5. Iniciar o processo de deposição.
   6. Leve a amostra para fora após a conclusão de deposição.
3. Cr Levante-off Procedimento
   1. Imergir a amostra em acetona, com agitação ultra-sons durante 5 min.
   2. Limpar a amostra por lavagem com acetona, metanol e isopropanol.
      Nota: O Cr evaporada no resistem vai ser retirada e uma máscara de Cr para substrato de gravação é formada.

5. TiO ₂ DepOSIÇÃO

1. Amostra de carga.
2. Defina os parâmetros para a máquina de corrente contínua pulverização catódica
   1. Use uma pressão na câmara de 1,5 mTorr, o fluxo de Ar de 100 sccm e uma fonte de pulverização de 130 W.
   2. Utilize uma temperatura de 27 ° C e uma velocidade de rotação de fase 20 rpm.
3. Inicie o processo de pulverização catódica e parar em espessura desejada.
4. Leve a amostra para fora e emparelhar o TiO ₂ filme em ambiente de oxigênio a 300 ° C durante 3 horas.

6. Alto Contraste Grades Gravura

1. Log na máquina de plasma indutivamente acoplado (ICP) gravação iónica reactiva (RIE).
2. TiO ₂ decapagem
   1. Coloque uma pastilha de silício em branco de 4 polegadas.
   2. Iniciar e executar a receita limpo (pode ser encontrada na Tabela 1) durante 10 min.
   3. Descarregar carregar o wafer em branco e carregar a amostra com Cr máscara.
   4. Definir tempo de ataque. Iniciar _TiO2 receita decapagem. O processo de gravação vontade automaticamente parar.
   5. Descarregar a amostra.
3. _SiO2 Etching
   1. Repita o passo 5.2 excepto o uso da receita gravura SiO _2.

Medição 7. Reflectance

1. Fazer login e ligar o sistema de medição.
2. Coloque o espelho padrão de reflexão no suporte de amostras e alinhar o caminho óptico.
3. Calibrar o sistema para a reflectância a 100%.
4. Tire o espelho padrão de reflexão e coloque o HCG.
5. Medir a reflectância da HCG.
6. Salvar os dados e sair do sistema de medição.

Resultados

A Figura 1 mostra a implementação do elemento dispersivo (multicamada alta grade contraste (GCH)) num sistema fotovoltaico concentrado. A luz solar é reflectida pelo primeiro espelho primário e colide com o elemento dispersivo reflexiva, em que o feixe é reflectido e dividido em diferentes bandas de comprimentos de onda diferentes. Cada banda vai colidir com um determinado local na matriz de células solares para a melhor absorção e conversão em eletricidade. A chave para este sistema é a conce...

Discussão

Em primeiro lugar, a qualidade do filme de TiO ₂ é muito crucial para o desempenho de HCG. O pico de reflectância será mais elevada se o filme de TiO ₂ com menos perda e a rugosidade da superfície. O _TiO2 filme com um índice de refracção mais elevado, também é favorável porque o modo de confinamento óptica irá ser reforçada por um contraste maior no índice, o que pode dar origem a uma banda mais achatada e mais larga na reflectância HCG.

Em seg...

Materiais

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