המצאה של Gratings ניגודיות הגבוה לפיצול הספקטרום Dispersive האלמנט במערכת פוטוולטאית מרוכזת
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
החברה המודרנית שלנו לא תשרוד בלי לזוז חלק משמעותי של צריכת אנרגיה למקורות אנרגיה מתחדשים. כדי שזה יקרה, אנחנו צריכים למצוא דרך לקצור אנרגיה מתחדשת בעלות נמוכה יותר מאשר מקורות אנרגיה מבוסס נפט בעתיד הקרוב. אנרגיה סולארית היא האנרגיה מתחדשת הנפוצה ביותר על פני כדור הארץ. למרות שהרבה התקדמות נעשה בקצירת אנרגיה סולארית, זה עדיין מאוד מאתגר להתחרות עם מקורות אנרגיה מבוסס נפט. שיפור היעילות של תאים סולריים הוא אחת הדרכים היעילה ביותר להפחית את עלות המערכת של קצירת אנרגיה סולארית.
עדשות אופטיות ומחזירי מנה משמשים בדרך כלל בפוטו המרוכז רוב המערכות (CPV) 1 כדי להשיג ריכוז גבוה של כוח שכיחות שמש בתאים הסולריים הקטן באזור, כך שזה מבחינה כלכלית לנצל תאים סולריים רב-צומת בד בבד יקר 2 ב מערכות CPV, וכדי לשמור על סבירהתעלה באותו הזמן. עם זאת, עבור רוב מערכות פוטו הלא מרוכזות, אשר בדרך כלל דורשות תשלום שטח גדול של תאים סולריים, לא יכולים להיות משולבים התאים הסולריים טנדם העלות גבוהה, למרות שיש להם בדרך כלל תגובה רחבה יותר שמש ספקטרום ויעילות המרה כוללת גבוהה מ תאים סולריים צומת יחידה 3.
לאחרונה, עם העזרה של אופטיקה פיצול ספקטרום המקבילה (כלומר אלמנט נפיצה), בטכנולוגית פוטו פיצול ספקטרום המקבילה 4 הפכה זה אפשרי כי כיסוי ספקטרום דומה או טוב יותר ויעילות המרה ניתן להשיג ללא שימוש בתאים סולריים טנדם היקר. ספקטרום השמש ניתן לפצל להקות שונות וכל להקה יכולה להיספג ומרת חשמל על ידי התאים הסולריים יחידה צומת המיוחדות. בדרך זו, ניתן להחליף התאים הסולריים טנדם היקר במערכות CPV ידי הפצה מקבילה של תאים סולריים חד-צומתים ללא כל פשרה בביצועים.
האלמנט נפיצה שתוכנן בדוח זה יכול להיות מיושם במערכת CPV רעיוני (המבוסס על מחזירי מנה) לממש את פיצול ספקטרום מקביל להתייעלות שמש-חשמל ההמרה ועלות מופחתת. שבכות רב שכבתי ניגודיות גבוהה (HCG) 5 משמשת כאלמנט נפיצה על ידי עיצוב כל שכבה של HCG לעבוד כרפלקטור להקה אופטי. המבנים והפרמטרים של האלמנט נפיצה מותאמים מבחינה מספרית. יתר על כן, הייצור של שבכות ניגודיות גבוהות לאלמנט נפיצה באמצעות דיאלקטרי (Tio 2) המקרטעת, ליתוגרפיה nanoimprint 6 ותחריט יון תגובתי הוא למד והפגין.
Protocol
Representative Results
Discussion
ראשית, האיכות של סרט Tio 2 היא חיונית מאוד לביצוע HCG. שיא ההחזרה יהיה גבוה יותר אם הסרט Tio 2 יש פחות אובדן וחספוס פני השטח. סרט Tio 2 עם שבירה גבוהה יותר הוא גם נוח כי כליאת המצב האופטית תהיה משופרת על ידי ניגודיות גבוהה יותר במדד, אשר יכול להצמיח שטוח ולהקת ה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך במסגרת המרכז לאנרגיה הננו, מרכז מחקר Frontier אנרגיה ממומן על ידי משרד אנרגיה של ארה"ב, משרד מדע תחת מספר פרס DE-SC0001013. גם אנחנו רוצים להודות לד"ר מקס ג'אנג וד"ר Jianhua יאנג של מעבדות HP לעזרתם במדידת Tio 2 המקרטעת סרט ומדדי שבירה.
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).
