Bir Konsantre Fotovoltaik Sistemde Spectrum Yarma Dağılım Eleman Yüksek Kontrast Gratings imalatı

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Bizim modern toplum yenilenebilir enerji kaynakları, enerji tüketiminin önemli bir bölümünü hareket ettirmeden hayatta olmaz. Bunun gerçekleşmesi için, yakın gelecekte petrol bazlı enerji kaynaklarından daha düşük bir maliyetle yenilenebilir enerji hasat için bir yol bulmak zorunda. Güneş enerjisi, yeryüzünde en bol yenilenebilir enerjidir. Gelişmeler bir çok güneş enerjisi hasat yapıldığını rağmen, petrol bazlı enerji kaynakları ile rekabet edebilmek için hala çok zordur. Güneş pillerinin verimliliğini artırma güneş enerjisi hasat sistem maliyetini düşürmek için en etkili yollardan biridir.

O pahalı tandem çok kavşak güneş hücreleri ² yararlanmaya ekonomik açıdan yani optik lensler ve çanak reflektörler genellikle küçük alan güneş hücreleri üzerinde güneş enerjisi insidansı yüksek bir konsantrasyon elde etmek için en yoğun fotovoltaik (CPV) sistemlerinde ¹ kullanılır CPV sistemleri ve uygun bir korumakAynı anda maliyet. Genellikle daha geniş bir güneş spektrumu yanıtı ve daha yüksek bir genel dönüşüm verimliliğine sahip bulunmakla birlikte, genellikle güneş pilleri, bir geniş alan taksit gerektiren çoğu olmayan konsantre fotovoltaik sistemler için, yüksek maliyetli tandem güneş pilleri, dahil edilemez Tek kavşak güneş pilleri ^3.

Son zamanlarda, paralel spektrum bölme optik yardımıyla (yani dağıtıcı eleman) ile paralel spektrum bölme fotovoltaik teknolojisi ⁴ yaptı mümkün benzer ya da daha iyi spektrum kapsamı ve dönüşüm verimliliği pahalı tandem güneş pilleri kullanmadan elde edilebilir. Güneş spektrumu farklı bantlar bölünebilir ve her grup emilir ve uzman tek kavşak güneş hücreleri tarafından elektriğe dönüştürülebilir. Bu şekilde, CPV sistemleri pahalıdır, tandem güneş pilleri tek kavşak güneş pili paralel bir dağılımı ile ikame edilmiş olabilirperformans ödün vermeden s.

Bu raporda tasarlanan dağıtıcı eleman geliştirilmiş güneş elektrik dönüşüm verimliliği ve düşük maliyet için paralel spektrum bölme gerçekleştirmek için (bulaşık reflektörleri dayanmaktadır) bir yansıtıcı VBM sisteminde uygulanabilir. Çok Katmanlı yüksek kontrast kafesler (HCG) ⁵ optik bant yansıtıcı olarak çalışmak üzere HCG her katmanı tasarlayarak dağıtıcı unsur olarak kullanılır. yapıları ve dağıtıcı elemanın parametreleri sayısal optimize edilmiştir. Ayrıca, dielektrik kullanarak dağıtıcı eleman için yüksek kontrastlı ızgaraların imalat _(TiO2) püskürtme, nanoimprint litografi ⁶ ve reaktif iyon dağlama okudu ve gösterilmiştir.

Protokol

Nanoimprint Kalıp 1. Boş polidimetilsiloksan hazırlayın (PDMS) Yüzey

1. Silikon Gofret Tedavi Süreci
   1. Aseton, metanol ve izopropanol ile durulama 4 inç silikon gofret temizleyin.
   2. Azot tabancası kullanarak kurutun üfleyin.
   3. 15 dakika içinde ıslatılmasıyla: (% 30 hidrojen peroksit ile sülfürik asit 1 karışımı 3) pirana çözeltisi kullanılarak temizleyin.
   4. DI su ile durulayın. Azot tabancası kullanılarak kuru üfleyin.
   5. Cam desikatörde gofret yerleştirin. Desikatöre madde (triklorosilan) serbest bir damla (20 damla = 1 mi) eklenir.
   6. Göstergesi -762 Torr'a okuyana kadar desikatörde aşağı Pompa ve 5 saat bekleyin.
   7. Ajan bırakmadan ile tedavi edildikten gofret dışarı atın.
2. PDMS Film Hazırlanması (Nanoimprint içinde Mold olarak kullanılır)
   1. Silikon elastomer baz, 10 g maddesi ve sertleştirme maddesi 1 g tartılır.
   2. Aynı cam beher ekleyin.
   3. ŞtiR ve 5 dakika boyunca bir cam çubuk ile karıştırın.
   4. Göstergesi, tüm hava kabarcığı dışarı pompalamak için -762 Torr'a okuyana kadar bir vakum desikatörde içine karışımı koyun.
   5. Tedavi 4 inç silikon üzerine eşit olarak yayın.
   6. PDMS filmi kurutmak için 80 ° C sıcaklıkta 7 saat boyunca vakumlu fırında üzerine PDMS ile gofret fırında.

2. (Master Kalıp itibaren Çoğaltma) Nanoimprint Kalıp Hazırlama

1. 1500 rpm'de 30 saniye boyunca temiz boş silikon üzerine iyileştirilebilir karşı UV oniki damla (20 damla = 1 ml) (% 15.2) Spin.
2. Dikkatle işlenmiş silikon gofret kapalı PDMS filmin bir parça soyun.
3. Iyileştirilebilir karşı UV üzerine PDMS filmi koyun ve UV sonra 5 dakika karşı o kalkmasına absorbe edelim.
4. İki kez aynı PDMS filmde 2,1-2,3 tekrarlayın. UV, sırasıyla 3 dakika ve 1 dakika boyunca karşı azaltın.
5. Bir silikon ana kalıp üzerine (üç kez UV emilimi karşı sonra) PDMS filmi yerleştirin.
6. Azot ortamında bulunan bir bölme içerisine koyun.
7. 5 dakika boyunca numune tedavi için UV lambası açın.
8. PDMS filmi soyulabilir. terbiyeli UV ana kalıp negatif desen tutacak PDMS üzerinde direnmek.
9. Kullanım RF O ₂ plazma PDMS kalıp tedavi etmek. (RF güç: 30 W, basınç: 260 mTorr, süresi: 1 dakika)
10. 2 saat süre ile serbest bırakma maddesi bir damla (20 damla = 1 mi) ile bir vakum odasına PDMS kalıp yerleştirin.

3. Nanoimprint Desen Transferi

1. Substrat üzerinde PMMA sekiz damla (20 damla = 1 ml) (996K,% 3.1) Spin 3500 rpm'de 50 sn baskılı edilecek.
2. 120 ° C 'de 5 dakika süre ile bir sıcak plaka üzerinde pişirilir.
3. Numune soğumasını bekleyin.
4. Aynı alt tabaka üzerinde UV sekiz damla (20 damla = 1 ml) iyileştirilebilir (% 3.9) karşı Spin.
5. Örnek (UV hem de karşı PMMA) PDMS kalıp (aşama 2'de elde edilmiştir) yerleştirin.
6. Azot ortamında bulunan bir bölme içerisine koyun.
7. 5 dakika boyunca tedavi için UV lambası açın.
8. Peel numune kapalı PDMS kalıp ve PDMS kalıp desen numune transfer alır.

4. Cr Lift-off Süreci

1. Kalan UV tabakası direnme ve PMMA gravür Reaktif iyon
   Not: ICP makine için SOP https://www.nanocenter.umd.edu/equipment/fablab/sops/etch-07/Oxford%20Chlorine%20Etcher%20SOP.pdf bulunabilir
   1. RIE ICP makinesinde giriş yapın.
   2. Boş 4 inç silikon gofret yükleyin. 10 dakika boyunca temiz tarifi çalıştırın.
   3. Boş silikon gofret çıkarın.
   4. Başka bir temiz silikon gofret örnek takın ve makinenin içine yerleştirin.
   5. UV 2 dakika süreyle gravür tarifi karşı çalıştırın (tarifi Tablo 1'de bulunabilir).
   6. Örnek çıkar. Boş 4 inç silikon gofret yükleyin. Yeniden çalıştırın temiz tarifi 10 dakika süreyle (Tablo 1'de bulunabilir).
   7. Temiz bir silikon yonga üzerinde örnek monteve makinenin içine yerleştirin.
   8. 2 dakika süreyle (Tablo 1'de bulunabilir) PMMA aşındırma tarifi çalıştırın.
      Not: Şimdi artık kazınmış olan dirençli ve yüzey maruz kalmaktadır.
2. Cr E-ışın Buharlaşma
   1. E-ışın evaporatöre giriş yapın.
   2. Odasına Cr metal kaynağı ve örnek yükleyin.
   3. Kalınlığı (20 nm) ve çökelme hızı (/ sn 0.03 nm) ayarlayın.
   4. Gerekli vakum içinde (10 ^-7 Torr) kadar odacığı içinde, pompa ulaşılır.
   5. Biriktirme işlemini başlatın.
   6. Biriktirme tamamlandıktan sonra numune dışarı atın.
3. Lift-off cr Prosedürü
   1. 5 dakika boyunca, ultrasonik ajitasyon ile aseton içerisinde örnek bırakın.
   2. Aseton, metanol ve izopropanol ile durulama ile örnek temizleyin.
      Not: off kalkacak dirençli ve yüzey gravürü için Cr maske oluşturulur üzerine Cr uçuruldu.

5. _TiO2 Depkonumumuzu

1. Yük örneği.
2. Doğru akım magnetron püskürtme makinesi için parametreleri ayarlayın
   1. 1.5 mTor odası basıncı 100 sccm'lik Ar akışı ve 130 W'lık bir püskürtme gücünü kullanın
   2. 27 ° C'lik bir sıcaklık ve 20 rpm'lik bir dönüş hızı aşamalı kullanın.
3. Püskürtmeli sürecini başlatmak ve istenilen kalınlıkta durdurmak.
4. Örnek çıkarın ve 3 saat 300 ° C'de oksijen ortamında _TiO2 filmi tavlama.

6. Yüksek Karşıtlık Izgara Dağlama

1. Indüktif eşleşmiş plazma (ICP) reaktif iyon aşındırma (RIE) makinenin giriş yapın.
2. _TiO2 dağlama
   1. Boş 4 inç silikon gofret yükleyin.
   2. Başlangıç ​​ve temiz tarifi çalıştırmak 10 dakika boyunca (Tablo 1 'de bulunabilir).
   3. Boş gofret yük kaldırma ve Cr maske ile örnek yüklemek.
   4. Dağlama saati ayarlayın. _TiO2 aşındırma tarifi başlatın. aşındırma işlemi olacak otootomatik dur.
   5. Örnek boşaltın.
3. SiO ₂ Dağlama
   1. SiO ₂ aşındırma tarifi kullanmak dışında adımı yineleyin 5.2.

7. Yansıma Ölçümü

1. Login ve ölçüm sistemi açın.
2. Numune tutucu yansıma standart ayna yerleştirin ve optik yolu hizalayın.
3. % 100 yansıma için sistem kalibre.
4. Yansıma standart ayna çıkar ve HCG yerleştirin.
5. HCG yansıma ölçün.
6. Verileri kaydetmek ve ölçüm sisteminin dışında oturum açın.

Sonuçlar

Şekil 1 konsantre fotovoltaik sistemi dağıtıcı elemanın (katmanlı yüksek kontrast ızgara (HCG)) uygulanmasını gösterir. Güneş ışığı birinci birincil ayna tarafından yansıtılır ve kiriş yansıtılır ve farklı dalga boylarında değişik bantlar ayrılır yansıtıcı dağıtıcı elemanın, çarparak edilir. Her bant elektrik için en iyi emilim ve dönüşüm için güneş pili dizisinde belli bir yere vurmak olacaktır. Bu sisteme önemli tasarım ve HCG çoklu katmanlardan ol...

Tartışmalar

İlk olarak, _TiO2 filmin kalitesi HCG performansı için çok önemlidir. _TiO2 filmi daha az kayıp ve yüzey sertliğine varsa yansıma zirve daha yüksek olacaktır. Optik mod hapsi HCG bir daha düz yol ve geniş yansıma bant verebilir endekste daha yüksek bir kontrast, tarafından geliştirilmiş olacak, çünkü daha yüksek bir kırılma indeksi ile _TiO2 filmi de uygundur.

İkincisi, fabrikasyon hataları HCG üzerinde önemli etkileri olacaktır ve k...

Malzemeler

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