Hvordan sort silicium, et værdsat materiale brugt i solceller, får sin mørke, ru kant

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet en ny teoretisk model, der forklarer en måde at fremstille sort silicium på, et vigtigt materiale, der bruges i solceller, lyssensorer, antibakterielle overflader og mange andre applikationer.

Sort silicium fremstilles, når overfladen af ​​almindeligt silicium ætses for at producere små nanoskala gruber på overfladen. Disse gruber ændrer farven på silicium fra gråt til sort og fanger kritisk mere lys, hvilket er et væsentligt træk ved effektive solceller.

Mens der er mange måder at fremstille sort silicium på, inklusive nogle, der bruger den ladede, fjerde tilstand af stof kendt som plasma, fokuserer den nye model på en proces, der kun bruger fluorgas. PPPL Postdoktoral Research Associate Yuri Barsukov sagde, at valget om at fokusere på fluor var bevidst:Holdet på PPPL ønskede at udfylde et hul i offentligt tilgængelig forskning. Mens nogle artikler er blevet udgivet om rollen af ​​ladede partikler kaldet ioner i produktionen af ​​sort silicium, er der ikke offentliggjort meget om rollen af ​​neutrale stoffer, såsom fluorgas.

"Vi kender nu - med stor specificitet - de mekanismer, der får disse huller til at dannes, når der bruges fluorgas," sagde Barsukov, en af ​​forfatterne til et nyt papir om arbejdet, der vises i Journal of Vacuum Science &Teknologi A .

"Denne form for information, offentliggjort offentligt og åbent tilgængelig, gavner os alle, uanset om vi søger yderligere viden ind i den grundlæggende viden, der understreger sådanne processer, eller vi søger at forbedre fremstillingsprocesser," tilføjede Barsukov.

Modellen afslører bindingsbrud baseret på atomets orientering ved overfladen

Den nye ætsemodel forklarer præcist, hvordan fluorgas bryder visse bindinger i silicium oftere end andre, afhængigt af orienteringen af ​​bindingen ved overfladen. Da silicium er et krystallinsk materiale, binder atomer sig i et stift mønster. Disse bindinger kan karakteriseres baseret på den måde, de er orienteret i mønsteret, med hver type orientering eller plan identificeret med et tal i parentes, såsom [100], [110] eller [111].

"Hvis du ætser silicium ved hjælp af fluorgas, fortsætter ætsningen langs [100] og [110] krystalplaner, men ætser ikke [111], hvilket resulterer i en ru overflade efter ætsningen," forklarede Barsukov. Da gassen ætser ujævnt væk ved silicium, dannes der gruber på overfladen af ​​silicium. Jo mere ru overflade, jo mere lys kan den absorbere, hvilket gør groft sort silicium ideel til solceller. Glat silicium er derimod en ideel overflade til at skabe de mønstre i atomskala, der er nødvendige for computerchips.

"Hvis du vil ætse silicium, mens du efterlader en glat overflade, bør du bruge en anden reaktant end fluor. Det bør være en reaktant, der ætser ensartet alle krystallinske planer," sagde Barsukov.

PPPL udvider sin ekspertise inden for kvantekemi

Forskningen er også bemærkelsesværdig, fordi den repræsenterer en tidlig succes inden for et af PPPLs nyeste forskningsområder.

"Laboratoriet er ved at diversificere," sagde Igor Kaganovich, ledende forskningsfysiker og medforfatter af papiret. "Dette er den første for PPPL, at udføre denne form for kvantekemi arbejde."

Kvantekemi er en gren af ​​videnskaben, der undersøger strukturen og reaktiviteten af ​​molekyler ved hjælp af kvantemekanik, fysikkens love, der styrer meget små og meget lette objekter, såsom elektroner og kerner.

Andre forskere, der har bidraget til papiret, omfatter Joseph Vella, associeret forskningsfysiker; Sierra Jubin, en kandidatstuderende ved Princeton University; og tidligere forskningsassistent ved PPPL Omesh Dhar Dwivedi.

Flere oplysninger: Omesh Dhar Dwivedi et al., Orienteringsafhængig ætsning af silicium af fluormolekyler:En kvantekemi beregningsundersøgelse, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory