Integration of Light Trapping Silber-Nanostrukturen in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells durch Transferdruck
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
Es hat eine langjährige Forderung für die Anwendung von funktionellen Nanostrukturen in einer breiten Palette von technologischen Bereich. Einer der Erwartungen für diesen Trend ist die neue Design der Gerätearchitekturen was zu einer verbesserten oder innovative Leistungen zu öffnen. Auf dem Gebiet der Solarzellen, zum Beispiel die Verwendung von Metall-Nanostrukturen wurde aktiv durch ihre faszinierende optische (dh Plasmonen) Eigenschaften 1 potenziell vorteilhaft für effektive Lichtfangsysteme konstruieren, erforscht. 2,3 Tat einige theoretische Studien 4 -6 haben vorgeschlagen, dass solche plasmonischer Lichteinfang könnte, die größer als die herkömmliche Strahlenoptik (Texturierung) -basierte Lichtgrenze Trapping. 7 Als Ergebnis zu erzielen, die Entwicklung von Strategien, um die gewünschte Metallnanostrukturen mit Solarzellen integriert zunehmend an Bedeutung, um diese zu realisieren theoretischen Vorhersagen.
Eine Reihe von Strategienvorgeschlagen worden, um dieser Herausforderung zu begegnen. 8-24 Dazu gehören beispielsweise einfache (Low-Cost) Tempern der Metallfolien 8,9 oder Dispersion vorsynthetisierten Metall-Nanopartikel, 10,11 die beide führten zu erfolgreichen Demonstrationen Plasmonen Lichteinfang. Es sollte jedoch darauf hin, dass die Metall-Nanostrukturen durch diese Ansätze hergestellt sind üblicherweise schwierig zu den theoretischen Modellen übereinstimmt hingewiesen. Demgegenüber sind die traditionellen nanofabrication Techniken in der Halbleiterindustrie, wie beispielsweise Fotolithographie und Elektronenstrahllithographie, 12,13 Strukturen können auch unter der Sub-100 nm-Ebene zu kontrollieren, sondern sie sind oft zu teuer und zeitaufwendig, um Solarzellen anwenden, denen ein großflächiger Fähigkeit mit niedrigen Kosten wesentlich. Um die kostengünstigen, mit hohem Durchsatz und Flächenbedarf mit nanoskaligen Steuerbarkeit Methoden wie Nanoimprintlithografie 14-16 Weichlithographie, 17,18 erfüllen </sup> Nanokugel-Lithographie, 19-21 und Lochmaske kolloidale Lithographie 22-24 wäre vielversprechend. Unter diesen Entscheidungen haben wir einen weichen lithographischen, fortschrittliche Übertragungsdrucktechnik entwickelt. 25 Mit einer nanostrukturierten Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) Briefmarken und Blockcopolymer-basierten Haftschichten, könnte Musterung bestellt Metallnanostrukturen leicht auf eine Reihe von technologisch erreicht werden relevanten Materialien, einschließlich derjenigen für Solarzellen.
Der Schwerpunkt dieses Artikels ist es, die Einzelheiten des Verfahrens der Transferdruck Ansatz zu beschreiben, um wirksam Lichteinfang plasmonischer Nanostrukturen in bestehenden Solarzellenstrukturen zu integrieren. Als demonstrativen Fall Ag Nanoscheiben und Dünnschicht hydriertem mikrokristallinem Si (& mgr; c-Si: H) Solarzellen wurden in diese Studie ausgewählt (Abbildung 1), 26, obwohl auch andere Arten von Metallen und Solarzellen mit diesem Ansatz vereinbar sind. Zusammen mit seinen ProzessEinfachheit, würde der Ansatz von Interesse für diverse Forscher als ein praktisches Tool, um funktionelle Metallnanostrukturen mit Geräten zu integrieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Artikel wurde eine doppellagige hart / weich PDMS Verbund als Stempelmaterialien eingesetzt. 27 Diese Verbindung wurde festgestellt, wesentlich zu sein, um das übergeordnete Nanostruktur in der Form, die eine hexagonal dicht gepackten Rundlochanordnung, deren Durchmesser gerade replizieren von 230 nm, Tiefe von 500 nm, und das Loch Mitte-zu-Mitte-Abstand von 460 nm. Wenn nur weichen PDMS verwendet wurde, die Marke immer in einem schlecht nanostrukturierte Oberfläche führte (beispielsweise keine s…
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 |
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