تصنيع حواجز شبكية عالية التباين لتقسيم الطيف المتشتتة عنصر في نظام الضوئية المركزة
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
سيكون لدينا مجتمع حديث لا البقاء على قيد الحياة دون تحريك جزء كبير من استهلاك الطاقة إلى مصادر الطاقة المتجددة. لتحقيق ذلك، علينا أن نجد وسيلة لحصاد الطاقة المتجددة في أقل من المصادر النفطية للطاقة في المستقبل القريب حيث التكلفة. الطاقة الشمسية هي الطاقة المتجددة الأكثر وفرة على الأرض. على الرغم من أن هناك الكثير من أوجه التقدم قد أحرز في حصاد الطاقة الشمسية، فإنه لا يزال تحديا كبيرا للتنافس مع مصادر الطاقة المعتمدة على النفط. تحسين كفاءة الخلايا الشمسية هي واحدة من أكثر الطرق فعالية لخفض تكلفة نظام حصاد الطاقة الشمسية.
وعادة ما تستخدم العدسات البصرية وعاكسات طبق في الضوئية الأكثر تركيزا أنظمة 1 (CPV) لتحقيق نسبة عالية من الإصابة الطاقة الشمسية على الخلايا الشمسية في منطقة صغيرة، لذلك هو مجد اقتصاديا لاستغلال مكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية متعددة التقاطع 2 في نظم CPV، والحفاظ على معقولتكلف في نفس الوقت. ومع ذلك، بالنسبة لمعظم النظم الكهربائية الضوئية غير المركزة، والتي تتطلب عادة الدفعة منطقة كبيرة من الخلايا الشمسية، لا يمكن دمج الخلايا الشمسية جنبا إلى جنب ذات التكلفة العالية، على الرغم من أنها عادة ما يكون لها رد الطيف الشمسية على نطاق أوسع وأعلى كفاءة تحويل الكلية من تقاطع واحد الخلايا الشمسية 3.
في الآونة الأخيرة، مع مساعدة من موازية البصريات الطيف تقسيم (أي التشتت عنصر)، جعلت الطيف تقسيم موازية التكنولوجيا الضوئية 4 من الممكن أن تغطية الطيف مماثلة أو أفضل وكفاءة التحويل لا يمكن أن يتحقق دون استخدام الخلايا الشمسية مكلفة جنبا إلى جنب. يمكن تقسيم الطيف الشمسي في نطاقات مختلفة، ويمكن أن تستوعب كل فرقة وتحويلها إلى كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية أحادية تقاطع المتخصصة. في هذه الطريقة، ومكلفة جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية في أنظمة CPV يمكن الاستعاضة عن توزيع مواز من واحد تقاطع الخلايا الشمسيةالصورة دون التأثير على الأداء.
عنصر التشتت التي تم تصميمها في هذا التقرير يمكن تطبيقها في نظام CPV العاكسة (التي تقوم على عاكسات طبق) لتحقيق مواز تقسيم الطيف من أجل تحسين كفاءة تحويل الطاقة الشمسية الكهرباء وخفض التكاليف. يستخدم متعدد الطبقات حواجز شبكية عالية التباين (HCG) 5 كعنصر التشتت من خلال تصميم كل طبقة من HCG في العمل بوصفه عاكس الفرقة البصرية. يتم تحسين الهياكل والمعلمات للعنصر التشتت عدديا. وعلاوة على ذلك، تدرس تصنيع حواجز شبكية عالية التباين للعنصر التشتت باستخدام عازل (تيو 2) الاخرق، nanoimprint الطباعة الحجرية 6 و رد الفعل ايون النقش وأظهر.
Protocol
Representative Results
Discussion
أولا، نوعية الفيلم تيو 2 هو أمر بالغ الأهمية لأداء HCG. سوف ذروة الانعكاس تكون أعلى إذا كان الفيلم تيو 2 ديها أقل خسارة وخشونة السطح. الفيلم تيو 2 مع ارتفاع مؤشر الانكسار هو أيضا مواتية لأنه سيتم تعزيز وضع الحبس البصري على النقيض العالي في المؤشر، والتي …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث كجزء من مركز علم النانو للطاقة، وهو مركز أبحاث الطاقة الحدودي الذي تموله وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم تحت بجائزة عدد DE-SC0001013. نحن نريد أيضا أن أشكر الدكتور ماكس تشانغ والدكتور جيان هوا يانغ من مختبرات HP لمساعدتهم على تيو 2 الاخرق فيلم ومؤشرات قياس الانكسار.
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
- Horne, S., et al. A Solid 500 Sun Compound Concentrator PV Design. Photovoltaic Energy Conversion, Conference Record of the 2006 IEEE 4th World Conference on. , 694-697 (2006).
- Guter, W., et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41.1% conversion efficiency under concentrated sunlight. Applied Physics Letters. 94, 223504 (2009).
- Shockley, W., Queisser, H. J. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics. 32, 510-519 (1961).
- Green, M. A. Potential for low dimensional structures in photovoltaics. Materials Science and Engineering: B. 74, 118-124 (2000).
- Karagodsky, V., Chang-Hasnain, C. J. Physics of near-wavelength high contrast gratings. Opt. Express. 20, 10888-10895 (2012).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 14, 4129-4133 (1996).
- Namiki, T. A new FDTD algorithm based on alternating-direction implicit method. Microwave Theory and Techniques. IEEE Transactions on. 47, 2003-2007 (1999).
- Moharam, M. G., Gaylord, T. K. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction. J. Opt. Soc. Am. 71, 811-818 (1981).
- Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Spectrum splitting using multi-layer dielectric meta-surfaces for efficient solar energy harvesting. Appl. Phys. A. 115, 713-719 (2014).
- Yao, Y., Liu, H., Wu, W. Fabrication of high-contrast gratings for a parallel spectrum splitting dispersive element in a concentrated photovoltaic system. Journal of Vacuum Science & Technology B. 32, 06FG04-06FG04-6 (2014).
- Solak, H. H., et al. Sub-50 nm period patterns with EUV interference lithography. Microelectronic Engineering. 67, 56-62 (2003).
- Li, Z., et al. Hybrid nanoimprint− soft lithography with sub-15 nm resolution. Nano letters. 9, 2306-2310 (2009).
- Yu, Z., Chen, L., Wu, W., Ge, H., Chou, S. Y. Fabrication of nanoscale gratings with reduced line edge roughness using nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 21, 2089-2092 (2003).
