Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión
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
Ha habido una demanda de larga data para la aplicación de nanoestructuras funcionales en una amplia gama de campo tecnológico. Una de las expectativas para esta tendencia es abrir el nuevo diseño de arquitecturas de dispositivos que conducen a mejores o innovadores actuaciones. En el campo de las células solares, por ejemplo, el uso de nanoestructuras metálicas ha sido explorado activamente debido a sus propiedades ópticas interesantes (es decir, plasmónicas), 1 potencialmente beneficioso para la construcción de sistemas de luz de captura eficaces. 2,3 estudios De hecho, algunos teóricos 4 -6 han sugerido que tal captura la luz plasmónica podría lograr efectos superiores a la óptica de rayos convencionales (texturizado) -basada límite de captura de luz. 7 En consecuencia, el desarrollo de estrategias para integrar nanoestructuras metálicas deseadas con las células solares se ha convertido cada vez más importante para hacer realidad estos predicciones teóricas.
Una serie de estrategias tieneha propuesto para afrontar este reto. 24.8 Estos incluyen, por ejemplo, simple (bajo costo) recocido térmico de películas metálicas 8,9 o dispersión de nanopartículas metálicas previamente sintetizado, 10,11 los cuales dieron lugar a manifestaciones exitosas de captura la luz plasmónica. Sin embargo, debe señalarse que las nanoestructuras metálicas fabricadas por estos enfoques suelen ser difíciles de igualar a los modelos teóricos. En contraste, las técnicas de nanofabricación tradicionales en las industrias de semiconductores, tales como la fotolitografía y de litografía por haz de electrones, 12,13 pueden controlar estructuras bien por debajo del nivel nm sub-100, pero a menudo son demasiado caros y consumen mucho tiempo para aplicar a las células solares, donde la capacidad de gran superficie con un bajo costo es esencial. Con el fin de cumplir con el bajo costo, alto rendimiento, y los requisitos de gran superficie con capacidad de control a escala nanométrica, los métodos tales como la litografía de nanoimpresión, 14-16 litografía blanda, 17,18 </sup> Litografía nanoesfera, 19-21 y el agujero-máscara coloidal litografía 22-24 sería prometedor. Entre estas opciones, hemos desarrollado un litográfica suave, la técnica de impresión por transferencia avanzado. 25 El uso de un poli nanoestructurado (dimetilsiloxano) (PDMS) sellos y las capas adhesivas a base de copolímero de bloque, patrón de nanoestructuras metálicas ordenados podría lograrse fácilmente en un número de tecnológicamente materiales pertinentes, incluyendo los de las células solares.
El objetivo de este artículo es describir el procedimiento detallado de nuestro enfoque de impresión por transferencia para incorporar luz de captura nanoestructuras plasmónicas eficaces en las estructuras de células solares existentes. Como un caso demostrativo, nanodiscos AG y de película delgada hidrogenados microcristalina Si (mu c-Si: H) se seleccionaron células solares en este estudio (Figura 1), 26 aunque otros tipos de metales y las células solares son compatibles con este enfoque. Junto con su proceso desimplicidad, el enfoque sería de interés para diversos investigadores como una herramienta útil para integrar nanoestructuras metálicas funcionales con los dispositivos.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este artículo, un / PDMS blandos dura compuesta de doble capa se empleó como material de sellos. 27 Esta combinación resultó ser esencial para replicar con precisión la nanoestructura de los padres en el molde, que era una matriz de agujero redondo hexagonal close-embalado cuyo diámetro de 230 nm, la profundidad de 500 nm, y el agujero espaciamiento de centro a centro de 460 nm. Cuando se utilizó sólo PDMS suaves, el sello siempre dio lugar a una superficie mal nanoestructurados (por ejemplo, no bo…
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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