Summary

Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door Transfer Printing

Published: November 09, 2015
doi:

Summary

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Abstract

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (µc-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated µc-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

Introduction

Er is al lang een vraag naar de toepassing van functionele nanostructuren in een breed scala van technologisch gebied. Een van de verwachtingen voor deze trend is om nieuwe ontwerp van het apparaat architecturen leidt tot verbeterde of vernieuwende voorstellingen te openen. Op het gebied van zonnecellen, bijvoorbeeld, het gebruik van metalen nanostructuren is actief onderzocht vanwege hun intrigerende optische (bijv plasmonische) eigenschappen, 1 mogelijk gunstige effectieve licht vangsystemen construeren. 2,3 immers enkele theoretische studies 4 -6 hebben gesuggereerd dat dergelijke plasmonische licht trapping effecten overschrijding van de conventionele ray optische (texturen) -gebaseerde lichtgrens trapping. 7 Daardoor konden bereiken, het ontwikkelen van strategieën om de gewenste metalen nanostructuren te integreren met zonnecellen is steeds belangrijker geworden om deze te realiseren theoretische voorspellingen.

Een aantal strategieënvoorgesteld om deze uitdaging. 8-24 Deze omvatten bijvoorbeeld eenvoudige (low-cost) thermisch gloeien van metaalfolies 8,9 of dispersie van pre-gesynthetiseerde metaal nanodeeltjes, 10,11 beide resulteerde in succesvolle demonstraties plasmonische light trapping. Er moet echter worden opgemerkt dat de metalen nanostructuren vervaardigd door deze benaderingen doorgaans uitdagen aan te passen aan de theoretische modellen. In tegenstelling tot de traditionele nanofabricage technieken halfgeleiderindustrie, zoals fotolithografie en electron beam lithografie, 12,13 kan controlestructuren ver onder de sub-100 nm niveau, maar ze zijn vaak te duur en tijdrovend te passen op zonnecellen, waar grote-area vermogen met lage kosten is essentieel. Om de low-cost, high-throughput en groot oppervlak eisen nanoschaal beheersbaarheid, werkwijzen zoals nanoimprint lithografie, 14-16 zachte lithografie, 17,18 vervullen </sup> Nanosfeer lithografie, 19-21 en hole-masker colloïdale lithografie 22-24 zou veelbelovend. Onder deze keuzes, hebben we een zachte lithografische, geavanceerde transferdruk ontwikkelde techniek. 25 Met een nanogestructureerde poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) stempels en blokcopolymeer gebaseerde kleeflagen kan patroonvorming van gelast metalen nanostructuren gemakkelijk worden bereikt op een aantal technologisch relevant materiaal, inclusief die voor zonnecellen.

De focus van dit artikel is om de gedetailleerde procedure van onze transfer printen aanpak beschrijven effectieve licht trapping plasmonische nanostructuren te nemen in bestaande zonnecellen structuren. Als demonstratief geval Ag nanodisks en dunne-film gehydrogeneerd microkristallijn Si (uc-Si: H) zonnecellen werden geselecteerd in deze studie (figuur 1), 26 hoewel andere soorten metalen en zonnecellen verenigbaar zijn met deze benadering. Samen met zijn proceseenvoud, zou de aanpak van belang zijn voor diverse onderzoekers als een handig hulpmiddel om functionele metalen nanostructuren te integreren met apparaten.

Protocol

1. Bereiding van PDMS Stamps Stel een nanohole mal (nanoimprinted cyclo alkeenpolymeer plastic film, grootte: 50 mm x 50 mm) in een polytetrafluorethyleen (PTFE) houder. Weeg vinylmethylsiloxan-dimethylsiloxaan copolymeer (0,76 g voor de 50 mm × 50 mm schimmel) in een wegwerp glazen fles en meng het met Pt-divinyltetramethyldisiloxaan complex (6 pl, met behulp van een digitale micro-pipet met een wegwerp polypropyleen tip) en 2,4, 6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane (24 ui, met behulp van …

Representative Results

Figuur 2 schetst de algemene werkwijze voor de transfer printen van Ag nanodisks op het oppervlak van uc-Si: H (n layer). In het kort, een Ag-film (dikte: 10-80 nm) eerst afgezet op het oppervlak van een nanopillar PDMS stempel met elektronenstraal verdamping. Daarnaast werd een PS- b -P2VP oplossing spin-coating op het oppervlak van een vers bereide uc-Si: H-laag. Vervolgens wordt een druppel EtOH die op de PS- b–P2VP gecoate oppervlak, en de Ag-afgezette PDMS stemp…

Discussion

In dit artikel werd een dubbel-gelaagde hard / zacht PDMS samengestelde gebruikt als stempel materialen. 27 Deze combinatie bleek essentieel te zijn voor de ouder nanostructuur precies repliceren in de vorm, waarin een hexagonaal close-verpakt ronde gaten array waarvan de diameter was van 230 nm, de diepte van 500 nm en hole hart op hart afstand van 460 nm. Wanneer slechts zachte PDMS gebruikt, het stempel steeds resulteerde in een slecht nanogestructureerde oppervlak (bijvoorbeeld geen scherpe rand in de omg…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors thank New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) under Ministry of Economy, Trade, and Industry (METI), Japan, for the financial support.

Materials

Nanohole mold Scivax
http://www.scivax.com
FLH230/500-120
PTFE container Eishin
http://www.colbyeishin.com
n/a Custom made
Hard-PDMS materials Gelest
http://www.gelest.com/gelest/forms/Home/home.aspx
VDT-731 Vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer
SIP6831.1 Pt-divinyltetramethyldisiloxane complex
HMS-301 Methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolymer
2,4,6,8-tetramethyltetra-vinylcyclotetrasiloxane Sigma-Aldrich
http://www.sigmaaldrich.com
396281 Additive for hard-PDMS
Soft-PDMS materials Dow Corning
http://www.dowcorning.com
Sylgard-184 Silicone precursor
PS-b-P2VP Polymer Source
http://polymersource.com
P5742-S2VP Mn × 103 = 133-b-132
Glass/SnO2:F substrates Asahi Glass Co. Ltd.
http://www.agc.com/english/company
Type VU Chemical mechanical polished by D-process Inc. (http://d-process.jp/index.html) to flatten the surfaces
Detergent Fruuchi Chemical Co.
http://www.furuchi.co.jp/eng/main.htm
Semico-clean 56 Used for the cleaning of Glass/SnO2:F substrates
ZnO:Ga supputtering target AGC Ceramics Co. Ltd.
http://www.agcc.jp/2005/en/index.html
5.7GZO
Ag supputtering target Mitsubishi Materials Co.
http://www.mitsubishicarbide.com/mmc/en/index.html
4NAg
Double-sided adhesive tape Nisshin EM Co.
http://nisshin-em.co.jp/information/carbontape.html
732
Polyimide tape Dupont
http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film.html
Kapton 650S#25
Sn-Zn-based Solder Kuroda Techno Co., Ltd.
http://www.kuroda-techno.com/english/index.html
Cerasolzer AL-200
Digital micro pipette Nichiryo
http://www.nichiryo.co.jp/en/product/pipette/ex/index.html
00-NPX2-20
00-NPX2-200
00-NPX2-1000
Heating chamber Tokyo Rikakikai Co., Ltd.
http://www.eyelaworld.com/product_view.php?id=120
VOS-201SD
Electron beam evaporator
(two types)
Canon-Anelva
https://www.canon-anelva.co.jp/english/index.html
n/a Custom made
Arios
http://arios.com/
n/a Custom made
Sputtering system Ulvac
http://www.ulvac.co.jp/en
SBR-2306
PECVD system  Shimadzu Emit Co. Ltd.
http://www.shimadzu.co.jp/emit/en/
SLCM-13
Ar plasma system  Diner Electric Gmbh
http://www.plasma.de/index.html
Femto 
RIE system Samco Inc.
http://www.samcointl.com
RIE-10NR
Ultrasonic soldering device Colby-Eishin Enterprises, Inc.
http://www.colbyeishin.com/sub_sunbonder.htm
SUNBONDER
EQE measurement system Bunkoukeiki Co. Ltd.
http://www.bunkoukeiki.co.jp/
CEP-25BXS
J-V characteristics measurement system OTENTOSUN-5S-I/V
Amorphous Si reference cell WPVS-NPB-S1 For light intensity calibration
Digital multi-meter Keithley Instruments Inc.
http://www.keithley.com/
2400

References

  1. Murray, W. A., Barns, W. L. Plasmonic Materials. Adv. Mater. 19, 3771-3782 (2007).
  2. Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nat. Mater. 9, 205-213 (2010).
  3. Green, M. A., Pillai, S. Harnessing plasmonics for solar cells. Nat. Photon. 6, 130-132 (2012).
  4. Yu, Z., Raman, A., Fan, S. Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17491-17496 (2010).
  5. Callahan, D. M., Munday, J. N., Atwater, H. A. Solar Cell Light Trapping beyond the Ray Optic Limit. Nano Lett. 12, 214-218 (2012).
  6. Biswas, R., Xu, C. Photonic and plasmonic crystal based enhancement of solar cells — Theory of overcoming the Lambertian limit. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2289-2294 (2012).
  7. Yablonovitch, E. Statistical ray optics. J. Opt. Soc. Am. 72, 899-907 (1982).
  8. Chantana, J., et al. Localized surface plasmon enhanced microcrystalline silicon solar cells. J. Non-Cryst. Solids. 358, 2319-2323 (2012).
  9. Tan, H., Santbergen, R., Smets, A. H. M., Zeman, M. Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 4070-4076 (2012).
  10. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Light Trapping by Ag Nanoparticles Chemically Assembled inside Thin-Film Hydrogenated Microcrystalline Si Solar Cells. Jpn. J. Appl. Phys. 51, 042302-1-4 (2012).
  11. Chen, X., et al. Broadband Enhancement in Thin-Film Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles. Nano Lett. 12, 2187-2192 (2012).
  12. Spinelli, P., et al. Optical Impedance Matching Using Coupled Plasmonic Nanoparticle Arrays. Nano Lett. 11, 1760-1765 (2011).
  13. Temple, T. L., Bagnall, D. M. Optical properties of gold and aluminium nanoparticles for silicon solar cell applications. J Appl. Phys. 109, 084343-1-13 (2011).
  14. Ferry, V. E., et al. Optimized Spatial Correlations for Broadband Light Trapping Nanopatterns in High Efficiency Ultrathin Film a-Si:H Solar Cells. Nano Lett. 11, 4239-4245 (2011).
  15. Paetzold, U. W., et al. Plasmonic reflection grating back contacts for microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 181105-1-3 (2011).
  16. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 14, 4129-4133 (1996).
  17. Na, S. -. I., et al. Efficient Polymer Solar Cells with Surface Relief Gratings Fabricated by Simple Soft Lithography. Adv. Funct. Mater. 18, 3956-3963 (2008).
  18. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 550-575 (1998).
  19. Battaglia, C., et al. Light Trapping in Solar Cells: Can Periodic Beat Random. ACS Nano. 6, 2790-2797 (2012).
  20. Hsu, C. -. M., et al. High-Efficiency Amorphous Silicon Solar Cell on a Periodic Nanocone BackReflector. Adv. Energy Mater. 2, 628-633 (2012).
  21. Hulteen, J. C., Van Duyne, R. P. Nanosphere lithography: A materials general fabrication process for periodic particle array surfaces. J. Vac. Sci. Technol. A. 13, 1553-1558 (1995).
  22. Daif, O. E., et al. Front side plasmonic effect on thin silicon epitaxial solar cells. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 104, 58-63 (2012).
  23. Niesen, B., et al. Plasmonic Efficiency Enhancement of High Performance Organic Solar Cells with a Nanostructured Rear Electrode. Adv. Energy Mater. 3, 145-150 (2013).
  24. Fredriksson, H., et al. Hole-Mask Colloidal Lithography. Adv. Mater. 19, 4297-4302 (2007).
  25. Mizuno, H., Kaneko, T., Sakata, I., Matsubara, K. Capturing by self-assembled block copolymer thin films: transfer printing of metal nanostructures on textured surfaces. Chem. Commun. 50, 362-364 (2014).
  26. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Transfer-printed silver nanodisks for plasmonic light trapping in hydrogenated microcrystalline silicon solar cells. Appl. Phys. Express. 7, 112302-1-4 (2014).
  27. Odom, T. W., Love, J. C., Wolfe, D. B., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Improved Pattern Transfer in Soft Lithography Using Composite Stamps. Langmuir. 18, 5314-5320 (2002).
  28. Schmid, H., Michel, B. Siloxane Polymers for High-Resolution, High-Accuracy Soft Lithography. Macromolecules. 33, 3042-3049 (2000).
  29. Loo, Y. -. L., Willett, R. L., Baldwin, K. W., Rogers, J. A. Interfacial Chemistries for Nanoscale Transfer Printing. J. Am. Chem. Soc. 124, 7654-7655 (2002).
  30. Hylton, N. P., et al. Loss mitigation in plasmonic solar cells: aluminium nanoparticles for broadband photocurrent enhancements in GaAs photodiodes. Sci. Rep. 3, 2874-1-6 (2013).
  31. Delamarche, E., et al. Microcontact Printing Using Poly(dimethylsiloxane) Stamps Hydrophilized by Poly(ethylene oxide) Silanes. Langmuir. 19, 8749-8758 (2003).
  32. Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Kondo, M. Plasmonic Light Trapping in Amorphous Si Solar Cells Using Periodic Ag Nanodisk Structures. MRS Proc. , 1627-1613 (2014).

Play Video

Cite This Article
Mizuno, H., Sai, H., Matsubara, K., Takato, H., Kondo, M. Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing. J. Vis. Exp. (105), e53276, doi:10.3791/53276 (2015).

View Video