Fabrication van High Contrast Roosters voor de Spectrum Splitting Dispersieve Element in een geconcentreerde Zonneinstallatie
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
Onze moderne samenleving zal niet overleven zonder het verplaatsen van een aanzienlijk deel van het energieverbruik van hernieuwbare energiebronnen. Om dit te laten gebeuren, moeten we een manier vinden om hernieuwbare energie te oogsten tegen een kostprijs lager dan aardolie gebaseerde energiebronnen in de nabije toekomst te vinden. Zonne-energie is de meest overvloedige hernieuwbare energie op aarde. Ondanks dat er veel vooruitgang is geboekt in de zonne-energie oogsten, is het nog steeds erg moeilijk om te concurreren met op aardolie gebaseerde energiebronnen. Verbetering van de efficiëntie van zonnecellen is een van de meest efficiënte manieren om de systeemkosten van zonne-energie oogsten verlagen.
Optische lenzen en reflectors schaal worden meestal gebruikt in de meest geconcentreerde fotovoltaïsche (CPV) systemen 1 een hoge concentratie van zonnestroom invloed op de kleine gebieden zonnecellen bereiken, zodat het economisch haalbaar om dure tandem meerdere zonnecellen 2 exploiteren CPV systemen, en een redelijke handhavenkosten tegelijkertijd. Echter, voor de meeste niet-geconcentreerde fotovoltaïsche systemen, die gewoonlijk een groot oppervlak gedeelte van zonnecellen, de hoge kosten tandem zonnecellen kunnen niet worden opgenomen, hoewel zij gewoonlijk een breder zonnespectrum respons en een hogere totale omzetting rendement dan de enkele junction zonnecellen 3.
Onlangs, met behulp van de parallelle spectrum splitting optics (dwz dispersief element), de parallelle spectrum splitting 4 fotovoltaïsche technologie heeft het mogelijk gemaakt dat een soortgelijke of betere spectrum dekking en omzettingsrendement kan worden gerealiseerd zonder de dure tandem zonnecellen. De zonnespectrum kan worden opgesplitst in verschillende groepen en elke band kan worden geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit door de gespecialiseerde enkelvoudige zonnecellen. Hierdoor kan de duur tandem zonnecellen CPV systemen worden vervangen door een parallelle distributie van single-junctie zonnecels zonder enig compromis op de prestaties.
Het dispersief element dat is gemaakt in dit rapport kan worden toegepast in een reflectieve CPV (dat is gebaseerd op schotel reflectoren) parallelle spectrum splitting verbeterde zonne-elektriciteit en een verminderde kostprijs te realiseren. Meerlaagse hoog contrast roosters (HCG) 5 wordt gebruikt als het dispersieve element door het ontwerpen van elke laag van HCG werken als optische band reflector. De structuren en parameters van het dispersieve element worden numeriek geoptimaliseerd. Bovendien is de vervaardiging van hoog contrast roosters voor het dispersief element met diëlektrische (TiO 2) sputteren, nanoimprint lithografie 6 en reactief ionen etsen bestudeerd en aangetoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ten eerste, de kwaliteit van de TiO 2 film is zeer belangrijk voor HCG prestaties. De reflectiecoëfficiënt piek hoger zijn als de TiO 2 film minder verlies en oppervlakteruwheid. De TiO 2 film met een hogere brekingsindex is ook gunstig doordat de optische modus opsluiting wordt versterkt door een hoger contrast in index, die tot een vlakkere en bredere reflectie band HCG geven.
Ten tweede zal de fabricagefouten aanzienlijk HCG en moeten worden vermeden. De…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund als onderdeel van het Centrum voor Energie Nanoscience, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science onder Award Number DE-SC0001013. We willen ook Dr. Max Zhang Jianhua en Dr. Yang van HP Labs te bedanken voor hun hulp op TiO 2 film sputteren en brekingsindex meting.
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).
