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.
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.
Там была давняя потребность в применении функциональных наноструктур в широком диапазоне технологического области. Одним из ожиданий этой тенденции, чтобы открыть новый дизайн архитектуры устройств, ведущих к улучшению или инновационных спектаклей. В области солнечных батарей, например, использование металлических наноструктур активно исследовали из-за их интригующих оптических (т.е., плазмонных) свойств, 1 потенциально полезным построить эффективные системы отлова свет. 2,3 Действительно, некоторые теоретические исследования 4 -6 предположили, что такие захвата плазмонное свет может достичь эффектов, превышающие обычные оптике (текстурирования) основе света предел прилипания. 7 В результате разработки стратегии по интеграции желаемых металлов наноструктур солнечных элементов становится все более важным для того, чтобы реализовать эти теоретические предсказания.
Ряд стратегий естьбыло предложено ответить на этот вызов. 8-24 Они включают в себя, например, простой (недорогим) термического отжига металлических пленок 8,9 или дисперсии предварительно синтезированных наночастиц металлов, 10,11 оба из которых привели к успешных демонстраций плазмонное свет захват. Тем не менее, следует отметить, что металлические наноструктуры, полученные путем таких подходов, как правило, сложные, чтобы соответствовать с теоретическими моделями. В отличие от этого, традиционные методы Nanofabrication в полупроводниковой промышленности, такие как фотолитографии и электронно-лучевой литографии, 12,13 может контролировать структуры значительно ниже уровня суб-100 нм, но они зачастую слишком дорого и отнимает много времени, чтобы применить к солнечным клеток, где возможность большой площади с низкой стоимостью является существенным. Для того, чтобы выполнить низкую стоимость, высокую пропускную способность и требования большой площади с наноразмерной управляемости, методы, такие как наноимпринтинга литографии, 14-16 мягкой литографии, 17,18 </sup> Наносфера литография, 19-21 и отверстие маска коллоидный литографии 22-24 будет перспективным. Среди этих вариантов, мы разработали мягкую литографии, передовые технологии передачи печати. 25 Использование наноструктурного поли (диметилсилоксан) (PDMS) марок и клейкие слои блок-сополимер на основе, рисунка упорядоченных металлических наноструктур может быть легко достигнуто по ряду технологически соответствующие материалы, в том числе тех, для солнечных батарей.
В центре внимания этой статьи заключается в описании подробную процедуру передачи нашего печатного подхода включать эффективные свет отлова плазмонных наноструктур в существующих солнечных клеточные структуры. В демонстративной случае, Ag nanodisks и тонкопленочных гидрогенизированные микрокристаллическую Si (Мс-Si: H) солнечные элементы были выбраны в этом исследовании (рисунок 1), 26, хотя другие виды металлов и солнечных батарей совместимы с этим подходом. Вместе со своим процессапростота, подход будет представлять интерес для различных исследователей, как удобный инструмент для интеграции функциональных металлических наноструктур с устройствами.
В этой статье, двухслойный жесткий / мягкий PDMS композитный был использован в качестве гербовых материалов. 27 Эта комбинация оказалась важно точно воспроизвести родительский наноструктуры в форме, которая была шестиугольной плотноупакованная массив круглого отверстия, диаметр ?…
The authors have nothing to disclose.
The authors thank New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) under Ministry of Economy, Trade, and Industry (METI), Japan, for the financial support.
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 |