通过转印技术将光捕获银纳米结构集成于氢化微晶硅太阳能电池中

该转印技术的总体目标是提供一种可行的方法，将功能性等离激元纳米结构集成到太阳能电池等器件中。该方法有助于推动元纳米结构在实用器件中的应用，例如棱镜太阳能电池。该技术的主要优势在于，能够快速将所需或设计的元纳米结构引入现有器件结构中，而不会对原始制造工艺造成显著改变。

尽管该方法主要是为太阳能电池开发的，但也可应用于其他利用等离子体特性的器件，如发光二极管和传感器。首先，将纳米孔模具放入聚四氟乙烯容器中。接着，将0.76克乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物放入一次性玻璃瓶中。

使用带有一次性聚丙烯吸头的微量移液器，向共聚物中加入6 µL铂二乙烯基四乙基二氧杂环己烷配合物。接着，使用带有一次性聚丙烯吸头的微量移液器，向共聚物中加入24 µL 2,4,6,8-四乙基-四乙烯基环四亚砜，混匀溶液。如有必要，可短暂调整这些体积，以保持与共聚物的相同比例。

然后向玻璃瓶中加入 240 µL 甲基氢化二甲基亚砜共聚物，立即使用一次性玻璃移液管快速混合。用氮气短暂吹扫混合物表面，随后将得到的硬质 PDMS 预聚物倒入已放置于旋涂仪上的商用图案化模具中。以 1000 RPM 的转速旋涂 40 秒，获得约 40 µm 厚的薄膜层。接着将旋涂后的样品放入预热至 65 °C 的烘箱中加热 30 分钟，以实现硬质 PDMS 的初步交联。在加热过程中，取六克硅胶与 0.6 克催化剂在一次性玻璃瓶中混合，用于后续交联反应。

如有需要，调整催化剂的用量，以保持其与硅油的比例为1:10。然后将玻璃瓶放入真空干燥器中，施加约133帕斯卡的真空度，持续15分钟，以去除混合物中的气泡。接着，迅速将DGA混合物倒入加热的模具中，形成一层约三毫米厚的柔软PDMS层。

将所得样品重新放入真空干燥器中，再抽真空脱气一小时。然后将脱气后的样品转移至加热腔，以每分钟约3摄氏度的升温速率，从室温加热至80摄氏度。保持样品在80摄氏度下恒温5小时，使硬质和软质PDMS完全交联，之后将样品冷却至室温。

小心地将PDMS印章从模具上剥离。如有需要，可将模具重复使用最多五次以制备额外的印章。使用刀具将制得的纳米柱印章切割成7毫米×7毫米的片状，并在空气中保存，直至使用。

此外，按照随附的文字实验方案制备嵌段共聚物结合层溶液和氢化微晶硅基底。将PDMS印章置于30毫升乙醇中，使用超声波清洗仪清洗15分钟，然后用高纯氮气吹干印章。接着，使用双面胶带将清洗后的PDMS印章固定在样品台上。

然后将样品放入电子束蒸发系统中，以每秒5至10埃的沉积速率和约3.5×10⁻⁴帕的压力，在印章上沉积一层10至80纳米厚的银膜。从蒸发系统中取出镀银的印章，并立即用于转移印刷步骤。取随附文本方案中所述制备的薄膜硅基底，将其用0.3毫升嵌段共聚物结合溶液在5,000 RPM转速下旋涂40秒。

接下来，使用数字微量移液器将乙醇滴加到已涂覆的基底表面使其润湿，然后将镀银的PDMS印章轻轻贴附到润湿的表面上。当将PDMS印章贴附到基底时，请勿按压印章。请避免施加压力。

仅需按压即可。由于乙醇的表面张力，印章会自发地与表面实现紧密接触。接下来，将带有印章的薄膜硅基底放入真空腔室中，并施加约133帕斯卡的真空。

五分钟后，向真空室充入空气，并取出薄膜硅基底。用镊子夹住印章两侧，将其从薄膜硅基底上取下，以完成银纳米圆盘的转印。若操作成功，印章痕迹会呈现为一个颜色更绿的斑点。

用持续流动的乙醇冲洗转移印刷的薄膜硅基底15秒，然后用氮气吹干基底。接着将转移印刷的薄膜硅基底放入Argonne等离子体系统的处理腔室中。抽空处理腔室内的空气约5分钟，以达到约20帕斯卡的压力。

然后打开氩气管线的阀门，手动调节流速至约4 SCCM，或调节至生成等离子体所需的适当流速。等待约5分钟，使压力稳定在40帕斯卡。随后启动系统，产生氩等离子体，持续108秒。

最后，关闭气体管路的阀门，停止抽气，并向工艺腔室充入空气，取出经过等离子清洗和转印印刷的非晶硅薄膜基底。有关完成薄膜硅太阳能电池制备及其效率与输出性能测量的详细步骤，请参照随附的文字实验方案。这些在氢化微晶硅基底上形成的银纳米圆盘阵列的扫描电子显微镜图像，清晰地展示了设计中包含的部分纳米尺度结构特征。

纳米圆盘的平均直径为200纳米。中心到中心的平均距离为460纳米，银纳米圆盘的平均厚度为40纳米。此处显示了所制备电池的外量子效率光谱，并与参考电池进行了比较。

掺入银纳米圆盘的电池在650至1,100纳米的长波长范围内显示出更高的信号。这种波长选择性增强效应明确表明，等离激元活性银纳米圆盘在太阳能电池应用中具有优先作用，即等离激元光捕获效应。一旦掌握，转移印刷工艺若操作得当，可在30分钟内完成。