Fabrication de réseaux de contraste élevé pour le fractionnement du spectre dispersif élément d'un système photovoltaïque à concentration
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
Notre société moderne ne survivra pas sans bouger une partie importante de la consommation d'énergie de sources d'énergie renouvelables. Pour ce faire, nous devons trouver un moyen de récolter de l'énergie renouvelable à un coût moindre que les sources d'énergie à base de pétrole dans un avenir proche. L'énergie solaire est l'énergie renouvelable la plus abondante sur terre. Malgré que beaucoup de progrès ont été accomplis dans la récolte de l'énergie solaire, il est encore très difficile de rivaliser avec les sources d'énergie à base de pétrole. Améliorer l'efficacité des cellules solaires est l'un des moyens les plus efficaces pour réduire le coût du système d'exploitation de l'énergie solaire.
Lentilles optiques et des réflecteurs paraboliques sont généralement utilisés dans photovoltaïques plus concentré (CPV) 1 d'atteindre une concentration élevée de l'incidence de l'énergie solaire sur les cellules solaires de petite surface, de sorte qu'il est économiquement viable d'exploiter tandem cher cellules solaires multi-jonctions 2 dans systèmes CPV, et pour maintenir un raisonnablecoûter en même temps. Cependant, pour la plupart des systèmes photovoltaïques non concentrés, qui nécessitent généralement une grande surface tranche de cellules solaires, les cellules solaires tandem à coût élevé ne peuvent pas être incorporé, même si elles ont généralement une réponse de spectre solaire plus large et un rendement de conversion global supérieur à la simple jonction des cellules solaires 3.
Récemment, avec l'aide de parallèles l'optique de fractionnement du spectre (c.-à-dispersif élément), la technologie photovoltaïque de fractionnement du spectre parallèle 4 a permis que la couverture du spectre similaire ou meilleure et l'efficacité de conversion peuvent être atteints sans l'aide des cellules solaires en tandem cher. Le spectre solaire peut être divisé en différentes bandes et chaque bande peut être absorbée et convertie en électricité par des cellules solaires à jonction unique spécialisés. De cette façon, les cellules solaires tandem coûteux dans les systèmes de CPV peut être remplacée par une distribution parallèle d'une seule jonction cellule solaires sans aucun compromis sur la performance.
L'élément dispersif qui a été conçu dans ce rapport peut être appliqué dans un système de CPV réfléchissante (qui est basé sur des réflecteurs paraboliques), pour réaliser le partage du spectre parallèle pour l'amélioration de l'efficacité de conversion solaire-électrique et un coût réduit. Multicouches grilles de contraste élevé (hCG) 5 est utilisé comme élément dispersif en concevant chaque couche de HCG pour travailler comme une bande réflecteur optique. Les structures et les paramètres de l'élément dispersif sont numériquement optimisés. En outre, la fabrication de grilles de contraste élevé de l'élément dispersif à l'aide de diélectrique (TiO 2) de pulvérisation, la lithographie par nanoimpression 6 et gravure ionique réactive est étudiée et démontrée.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tout d'abord, la qualité du film de TiO 2 est très important pour la performance de HCG. Le pic de réflectance sera plus élevé si le film de TiO 2 a moins de perte et de la rugosité de surface. Le film de TiO 2 avec un indice de réfraction supérieur est également favorable car le mode confinement optique sera renforcée par un contraste plus élevé de l'indice, ce qui peut donner lieu à une plus plate et plus large bande de réflectance en HCG.
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée dans le cadre du Centre pour l'énergie nanosciences, un centre de recherche Frontier énergie financé par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science sous Award Nombre DE-SC0001013. Nous tenons également à remercier le Dr Max Zhang et Yang Jianhua Dr de HP Labs pour leur aide sur TiO 2 pulvérisation du film et de la mesure des indices de réfraction.
Materials
| 184 SILICONE 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 |
References
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