Development of Nanoimprint Lithography processes for state-of-the-art light management strategies to be integrated in CIGS solar cells

Abstract

The growing energy demand requires a strong portfolio of sustainable energy sources, such as photovolta- ics. Notwithstanding, it is imperative to minimize critical raw materials consumption for the implementation of these renewable solutions. In this regard, record-efficiency thin-film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) are moving from a micrometre absorber to the nanometre range – ultrathin. However, incomplete light absorption arising from this thickness reduction calls for light management solutions which, conversely, de- mand a cost-effective and high resolution nanofabrication alternative to develop the sub-wavelength structures. This work presents and discusses nanofabrication procedures for light management solutions compatible with ultrathin CIGS technology, via nanoimprint lithography (NIL). Front and rear strategies were considered, through a broadband anti-reflective moth-eye (ME) structure and two photonic crystal schemes, respectively. A gold nanoparticles etch mask was tailored via a 3-cycle thermal dewetting, followed by an optimized reactive ion-etching (RIE) to fabricate a ME NIL master stamp. Two intermediate polymer stamps were used for the ME replication, with anti-sticking layer studies in each procedure, to ensure good demoulding and high pattern transfer fidelity. Two rear scattering architectures based on dielectric SiO2 photonic crystals were optimized via optical simulations – hemisphere and pillar arrays. A process-flow encompassing an isotropic etch to fab- ricate the master stamp, an inversion NIL step, and an anisotropic etch were developed for the hemispheres architecture. Two RIE approaches with selectivity close to one were employed for the final etch step to produce proof-of-concept hemisphere-like structures. For the pillars array, a master stamp with the simulated dimen- sions was fabricated through a process comprising electron-beam lithography, NIL, RIE, and chemical vapour deposition. The photonic crystals enabled a significant diffuse reflectance increase compared to a Bare Si sample, showing the scattering potential of all developed structures.

A demanda energética requer um portfolio sólido de fontes de energia sustentáveis, como a fotovoltaica. Contudo, é imperativo minimizar o consumo de matérias-primas críticas nas soluções renováveis. Neste sen- tido, a transição de uma camada absorvente micrométrica para nanométrica (ultrafino) tem vindo a ocorrer em células solares de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Porém, a absorção incompleta de luz decorrente desta redução de espessura, requer a implementação de esquemas de manipulação de luz. Todavia, o desenvolvimento de estru- turas com dimensão menor que o comprimento de onda da luz necessita de um processo de nanofabricação que garanta resolução e baixo-custo. Este trabalho apresenta e discute diferentes procedimentos de nanofabri- cação via litografia por nanoimpressão (NIL), para a integração de esquemas de manipulação de luz na tecno- logia CIGS. Duas estratégias, para a superfície frontal – através da estrutura anti-refletora “moth-eye” (ME), e para o contacto posterior – através de dois esquemas de cristais fotónicos, foram estudadas. Desenvolveu-se uma máscara de nanopartículas de ouro via 3-ciclos de “thermal dewetting”, seguido de erosão reativa iónica (RIE) para um molde ME para NIL. Usaram-se dois moldes poliméricos intermédios para replicar a ME, com estudos da camada antiaderente para assegurar um bom desmolde e fidelidade no padrão transferido. Otimiza- ram-se duas arquiteturas para dispersão de luz baseadas em cristais fotónicos de SiO2 através de simulações óticas – matrizes de hemisférios e pilares. Para os hemisférios desenvolveu-se um procedimento que engloba erosão isotrópica para o molde, NIL para inversão e erosão anisotrópica. Finalmente, duas opções de RIE com seletividade ~1 foram usadas para produzir provas-de-conceito de estruturas hemisféricas. Para a matriz de pilares, fabricou-se um molde com as dimensões simuladas via litografia de feixe de eletrões, NIL, RIE e deposição química de vapor. Os cristais fotónicos exibiram um aumento significativo da refletância difusa comparativamente ao Si, demonstrando o potencial para uma eficiente dispersão de luz.