Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa
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
Vi è stata una richiesta di lunga data per l'applicazione di nanostrutture funzionali in una vasta gamma di campo tecnologico. Una delle aspettative per questa tendenza è quello di aprire il nuovo disegno di architetture di dispositivi che portano a migliori prestazioni e innovativi. Nel campo delle celle solari, per esempio, l'utilizzo di nanostrutture metalliche ha attivamente esplorata a causa delle loro proprietà interessanti (cioè, plasmoniche) ottici, 1 potenzialmente utile per costruire sistemi di cattura luce efficaci. 2,3 studi Infatti, alcuni teorici 4 -6 hanno suggerito che tale cattura luce plasmoniche potrebbe ottenere effetti che superano l'ottica a raggi convenzionali (texturing) -based limite di cattura della luce. 7 Di conseguenza, lo sviluppo di strategie per integrare nanostrutture metalliche desiderati con celle solari è diventato sempre più importante per la realizzazione di questi previsioni teoriche.
Un certo numero di strategie hannostato proposto per affrontare questa sfida. 8-24 Questi includono, per esempio, semplice (a basso costo) ricottura termica di film metallici 8,9 o dispersione di nanoparticelle metalliche pre-sintetizzato, 10,11 entrambi i quali hanno portato a manifestazioni di successo di cattura la luce plasmonica. Tuttavia, va sottolineato che le nanostrutture metallo da questi approcci sono solitamente difficili da corrispondere ai modelli teorici. Al contrario, le tecniche di nanofabbricazione tradizionali industrie semiconduttore come fotolitografia e litografia a fascio elettronico, 12,13 possono controllare strutture ben al di sotto del livello di sub-100 nm, ma sono spesso troppo costosi e richiede tempo per applicare alle celle solari, dove la capacità a basso costo grandi superfici è essenziale. Al fine di soddisfare il basso costo, high-throughput, e le esigenze di grande superficie con scala nanometrica controllabilità, metodi come nanoimprint la litografia, 14-16 morbido litografia, 17,18 </sup> Nanosphere litografia, 19-21 e hole-maschera colloidale litografia 22-24 sarebbe promettente. Tra queste scelte, abbiamo sviluppato un litografica morbido, avanzata tecnica di stampa di trasferimento. 25 Uso un poli nanostrutturati (dimetilsilossano) (PDMS) francobolli e strati adesivi a base di copolimero a blocchi, patterning di nanostrutture metalliche ordinato potrebbe essere facilmente ottenuto su un certo numero di tecnologicamente materiali relativi, compresi quelli per le celle solari.
Il focus di questo articolo è quello di descrivere la procedura dettagliata del nostro approccio stampa transfer per incorporare efficaci luce di cattura nanostrutture plasmoniche in strutture di celle solari esistenti. Come caso dimostrativo, nanodisks Ag e film sottile idrogenati microcristallina Si (uC-Si: H) celle solari sono stati selezionati in questo studio (Figura 1), 26 anche se altri tipi di metalli e celle solari sono compatibili con questo approccio. Insieme con il suo processosemplicità, l'approccio sarebbe di interesse per diversi ricercatori come uno strumento utile per integrare nanostrutture metalliche funzionali con i dispositivi.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo articolo, un hard doppio strato / PDMS morbide composito è stato impiegato come materiale di bollo. 27 Questa combinazione è risultata essenziale per replicare esattamente la nanostruttura genitore nello stampo, che era una matrice rotonda buche esagonale vicino ricco di diametro di 230 nm, 500 nm di profondità, e foro centrale a centro spaziatura di 460 nm. Quando solo PDMS morbide è stato utilizzato, il timbro sempre comportato una superficie di poco nanostrutturati (per esempio, nessun spigol…
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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