Black silicon: Formation in the trampoline mode of ion flow, surface properties, and performance perspectives

Анотація

При опромінюванні поверхні (111) монокристалічних кремнієвих пластин іонами Ar⁺ в батутному режимі (потоки низькоенергетичних іонів великої густини) та за участю атомів металів-ініціаторів відбувається перехід цих пластин у «чорний» оптичний стан кремнію. Цей стан характеризується низькими значеннями світловідбиття (менше ніж 2%) з боку опромінюваної пластини в спектральному інтервалі від 400 до 1000 нм. Дослідження за допомогою скануючої електронної мікроскопії показали, що це є результатом появи ієрархічної субмікрон/нанорозмірної структури на обробленій поверхні пластин. Цей перехід є можливим лише за участю атомів металу-ініціатора, які одночасно розпилюються з допоміжної мішені в робочій камері. Водночас застосування металів-ініціаторів впливає на ефективний час життя неосновних носіїв заряду в чорному кремнії, що є вирішальним для ефективності застосування чорного кремнію в сонячних елементах. Серед досліджуваних металів-ініціаторів (Al, Cr, Fe, Ni, Mo, Cu) лише застосування міді дозволило зберегти або навіть збільшити значення цього параметра. Теоретично розглянуто електростатичну взаємодію між вільними електричними зарядами та диполями (в цьому випадку останні моделюють екситони) поблизу межі розділу у двошаровій системі. Показано, як параметри системи впливають на переважне розташування екситонів та їхню орієнтацію, що можна застосувати, наприклад, для керування ефективністю сонячного елемента. Формування чорного кремнію в батутному режимі є екологічно чистим на всіх етапах виробництва.