集中太陽光発電システムにおけるスペクトル分割分散素子の高コントラスト回折格子の作製
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
現代社会は、再生可能なエネルギー源へのエネルギー消費量のかなりの部分を移動させずに生存しないであろう。これを実現するために、我々は近い将来、石油系エネルギー源よりも低コストで再生可能エネルギーを収穫する方法を見つける必要があります。太陽エネルギーは地球上で最も豊富な再生可能エネルギーです。進歩の多くは太陽エネルギーハーベスティングで行われていることにもかかわらず、石油系エネルギー源と競合することは非常に困難です。太陽電池の効率を改善することは、太陽エネルギーハーベスティングのシステムコストを低減するための最も効率的な方法の一つです。
それに高価なタンデム多接合太陽電池セル2を利用することが経済的に実行可能であるように光学レンズ及びディッシュ反射器は、通常、小面積の太陽電池に太陽光発電入射高濃度を達成するために最も集中太陽光発電（CPV）システム1で使用されていますCPVシステム、及び妥当性を維持します同時にコスト。それらは通常、より広い太陽スペクトル応答よりも高い全体的な変換効率を有するものの、通常、太陽電池の大面積の設置を必要とするほとんどの非濃縮太陽光発電システムのための、高コストのタンデム太陽電池は、組み込むことができません単接合太陽電池3。
近年、並列スペクトル分割光学系（ すなわち、分散素子）を利用して、並列スペクトル分割太陽光発電技術4により、類似またはより良好なスペクトル範囲と変換効率が高価タンデム型太陽電池を使用することなく達成できることになりました。太陽スペクトルの異なる帯域に分割することができ、それぞれのバンドが吸収され、特殊な単接合太陽電池によって電気に変換することができます。このように、CPVシステムで高価なタンデム型太陽電池は、単接合太陽電池の並列分布に置き換えることができますパフォーマンスに妥協することなく複数。
この報告書に設計された分散素子は、改善された太陽光電力変換効率およびコスト削減のための並列スペクトル分割を実現するために（ディッシュ反射に基づいて）反射CPVシステムに適用することができます。多層高コントラスト回折格子（HCG）5は、光バンドリフレクタとして機能するようにHCGの各層を設計することにより、分散素子として使用されます。分散素子の構造やパラメータが数値的に最適化されています。また、（TiO 2の）誘電スパッタリング、ナノインプリントリソグラフィ6と反応性イオンエッチングを使用して、分散素子のための高コントラスト回折格子の製造を検討し、実証されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
まず、TiO 2の膜の品質は、HCGのパフォーマンスのために非常に重要です。 TiO 2のフィルムが少ない損失と表面粗さを有する場合、反射率ピークが高くなります。光学モードの閉じ込めがHCGで平坦で広い反射バンドを生じさせることができ指数の高いコントラストによって強化されるため、より高い屈折率を有するTiO 2の膜も良好です。
第二に、製?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米国エネルギー省によって資金を供給エネルギーナノサイエンス、エネルギーフロンティア研究センターセンター、受賞番号DE-SC0001013下科学局の一部としてサポートされていました。また、TiO 2の膜スパッタリングおよび屈折率測定への彼らの助けのために博士マックス·チャンとHP研究所の博士建華ヤンに感謝したいと思います。
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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