Изготовление решеток с высоким контрастом для расщепления спектра дисперсионный элемент в концентрированной фотоэлектрической системы

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Наша современное общество не выживет без перемещения значительную часть потребления энергии возобновляемых источников энергии. Для того, чтобы это произошло, мы должны найти способ, чтобы урожай возобновляемых источников энергии по стоимости ниже, чем на нефтяной основе источников энергии в ближайшем будущем. Солнечная энергия является наиболее распространенным возобновляемых источников энергии на Земле. Несмотря на то что много продвижений были сделаны в солнечной сбора энергии, это все еще очень сложно конкурировать с нефтяной основе источников энергии. Повышение эффективности солнечных батарей является одним из наиболее эффективных способов снизить стоимость системы сбора солнечной энергии.

Оптические линзы и отражатели блюдо, как правило, используется в наиболее концентрированной фотоэлектрических (КНД) системы ^1, чтобы достичь высокой концентрации падения солнечной энергии на солнечных батареях малой площади, так что это экономически выгодно эксплуатировать дорого тандем мульти-распределительные солнечных батарей ² в Системы КНД и поддерживать разумныйСтоимость в то же время. Тем не менее, для большинства не-концентрированных фотоэлектрических систем, которые, как правило, требуют большой площади взнос солнечных батарей, то высокой стоимости тандем солнечные элементы не могут быть включены, хотя они, как правило, имеют более широкий отклик солнечного спектра и более высокий общий КПД преобразования, чем одного перехода солнечные батареи ^3.

В последнее время с помощью параллельных спектр расщепления оптики (т.е. дисперсионная элемента), параллельно спектр расщепления фотоэлектрических технологий ⁴ стало возможным, что аналогичные или лучше освещение спектра и эффективность преобразования может быть достигнуто без использования дорогой тандем солнечных батарей. Солнечный спектр может быть разделен на несколько полос, и каждая группа может быть поглощен и преобразуется в электроэнергию с помощью специализированных одного стыка солнечных батарей. Таким образом, дорогой тандемные солнечные элементы в КНД системы могут быть заменены параллельном расположении одного перехода солнечной батареис без компромисса по производительности.

Дисперсионные элемент, который был разработан в настоящем докладе могут быть применены в отражающей системе КПВ (который основан на блюдо отражатели), чтобы понять, параллельный расщепление спектра для повышения эффективности преобразования солнечной электроэнергии и снижение стоимости. Многослойные высокого контраста решетки (HCG) ⁵ используется в качестве диспергирующего элемента в проектировании каждый слой HCG работать в качестве оптического диапазона отражателя. Структуры и параметры дисперсионного элемента численно оптимизированы. Кроме того, изготовление решеток с высокой контрастностью для дисперсионного элемента с помощью диэлектрика (TiO ₂₎ распыление, нанопечатная литография ⁶ и реактивное ионное травление изучается и продемонстрировал.

протокол

1. Подготовьте пустой Полидиметилсилоксан (PDMS) Субстрат для наноимпринтинга Mold

1. Процесс кремниевых пластин Лечение
   1. Очистить 4 дюйма кремниевой пластины промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
   2. Удар высохнуть, используя пистолет азота.
   3. Очистить его с помощью пираньи решение (3: 1 смеси серной кислоты с 30% перекиси водорода) путем замачивания в течение 15 мин.
   4. Промывать деионизированной водой. Сушить, используя пистолет азота.
   5. Поместите пластину в стеклянной эксикаторе. Добавить каплю (20 капель = 1 мл) разделительным составом (трихлорсилана) в эксикаторе.
   6. Откачка эксикаторе до манометр не читает -762 Торр и ждать в течение 5 часов.
   7. Возьмем пластины выход, который был обработан с разделительным составом.
2. Подготовка PDMS фильм (Используется как плесень в наноимпринтинга)
   1. Взвешивают 10 г силиконового эластомера базы и 1 г отвердителя.
   2. Добавьте их в том же стеклянном стакане.
   3. StiR и смешать стеклянной палочкой в ​​течение 5 мин.
   4. Положите смесь в вакуум-эксикаторе до манометр не читает -762 Торр откачивать все захваченные пузырьки воздуха.
   5. Распространение их равномерно на обрабатываемую 4-дюймовым кремниевой пластины.
   6. Выпекать пластины с PDMS на первое место в вакуумной печи в течение 7 ч при 80 ° С для отверждения пленки PDMS.

2. Подготовьте Почву наноимпринтинга (дублирование из Master Mold)

1. Спин двенадцать капель (20 капель = 1 мл) УФ-отверждаемые противостоять (15,2%) на чистую пустой кремниевой пластины в течение 30 сек при 1500 оборотах в минуту.
2. Тщательно очистите кусок PDMS пленку с обработанной кремниевой пластины.
3. Положите пленку PDMS на УФ излечим противостоять, и пусть он поглощает УФ сопротивляться 5 мин, затем очистить его.
4. Повторите 2.1-2.3 по одноименному фильму PDMS за два раза. Поглощенный УФ сопротивляться в течение 3 мин и 1 мин соответственно.
5. Поместите фильм PDMS (после трехкратного УФ противостоять поглощению) на мастер-кремния плесени.
6. Положите его в камеру с окружающей средой азота.
7. Включите УФ-лампы для отверждения образца в течение 5 мин.
8. Слезьте пленку PDMS. Отвержденный УФ сопротивление на PDMS будет поддерживать отрицательный образец мастер плесени.
9. Использование РФ О ₂ плазмы для лечения формы PDMS. (ВЧ-мощность: 30 Вт, рабочее давление: 260 мТорр, время: 1 мин)
10. Поместите форму PDMS в вакуумной камере с одной капли (20 капель = 1 мл) освобождения агента в течение 2 ч.

3. наноимпринт шаблон передачи

1. Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) ПММА (996k, 3,1%) на подложке будет запечатлен на 50 сек при 3500 оборотах в минуту.
2. Испечь его на плите в течение 5 мин при 120 ° С.
3. Подождите образец, чтобы остыть.
4. Спин восемь капель (20 капель = 1 мл) УФ излечим противостоять (3,9%) на той же подложке.
5. Поместите форму PDMS (полученного на стадии 2) на образец (как с УФ противостоять и ПММА).
6. Положите его в камеру с окружающей средой азота.
7. Включите УФ-лампы для отверждения в течение 5 мин.
8. Пил PDMS формы от образца и образец на форму PDMS будет передан в образце.

4. Cr Лифт-офф Процесс

1. Реактивное ионное травление остаточный слой резиста и УФ PMMA
   Примечание: СОП ПМС машины можно найти на https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf
   1. Войти РИТ ПМС машины.
   2. Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Запустите чистую рецепт в течение 10 мин.
   3. Возьмите пустой кремниевой пластины из.
   4. Установите образец на другую чистую кремниевой пластины и загрузить его в машину.
   5. Запуск УФ сопротивление травления рецепт в течение 2 мин (рецепт можно найти в таблице 1).
   6. Возьмите образец из. Загрузите пустой 4-дюймовый кремниевой пластины. Повторно начать процесс очистки рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
   7. Установите образец на чистую кремниевой пластиныи загрузить его в машину.
   8. Запуск травления рецепт ПММА (можно найти в таблице 1) в течение 2 мин.
      Примечание: В настоящее время остаточный резист был травлению подложки и подвергается.
2. Cr Е-лучевого испарения
   1. Вход в электронно-лучевой испаритель.
   2. Загрузите источник Cr металла и пробы в камеру.
   3. Установите толщину (20 нм) и скорость осаждения (0.03 нм / сек).
   4. Насос камеру до требуемого вакуума (10 ^-7 Торр) достигается.
   5. Начать процесс осаждения.
   6. Возьмите образец после отделки осаждения.
3. CR отрыва Порядок
   1. Погрузить образец в ацетоне с ультразвуковым перемешиванием в течение 5 мин.
   2. Очистить образец промывкой ацетоном, метанола и изопропанола.
      Примечание: Cr выпаривают на сопротивляются будут сняты с и маска для Cr подложки травлением формируется.

5. TiO ₂ Вылетosition

1. Загрузите образец.
2. Установите параметры для постоянного тока магнетронного распыления машины
   1. Используйте давление в камере 1,5 мторр, Ar поток 100 SCCM и распыления мощностью 130 Вт
   2. Использование температуре 27 ° С и скорость вращения ступени 20 оборотов в минуту.
3. Начать процесс распылением и остановиться на нужной толщины.
4. Возьмем образец, и отжиг пленки TiO ₂ в среде кислорода при 300 ° С в течение 3 ч.

6. Высокая контрастность Решетки травление

1. Войти в индуктивно связанной плазме (ICP) реактивное ионное травление (РИТ) машины.
2. TiO ₂ травления
   1. Загрузите пустой 4-х дюймовых кремниевых пластин.
   2. Запуск и запустить чистую рецепт (можно найти в таблице 1) в течение 10 мин.
   3. Выгрузка загрузить пустой пластины и загрузить образец с Cr маски.
   4. Установите время травления. Начните TiO ₂ травления рецепт. Процесс травления воля автоавтоматическое выключение.
   5. Выгрузка образца.
3. SiO ₂ травление
   1. Повторите шаг 5.2 за исключением использования травления рецепт SiO _2.

7. Измерение отражения

1. Войдите и включите систему измерения.
2. Поместите отражения стандартного зеркала на держателе образца и выравнивания оптического пути.
3. Калибровка системы для 100% отражения.
4. Снимите стандартного зеркала отражения и поместите HCG.
5. Измерьте коэффициент отражения HCG.
6. Сохраните данные и выйдите из системы измерения.

Результаты

Рисунок 1 показывает реализацию дисперсионного элемента (многослойная высокая контрастность решетки (HCG)) в концентрированной фотоэлектрической системы. Солнечный свет сначала отражается первичного зеркала и попадает на отражающий дисперсионного элемента, где луч отражает?...

Обсуждение

Во-первых, качество фильма TiO ₂ очень важно для выполнения HCG. Пик отражения будет выше, если фильм TiO ₂ имеет меньше потерь и шероховатость поверхности. Фильм TiO ₂ с высоким показателем преломления также благоприятно, потому что режим удержания оптического будет повышена...

Материалы

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