Черный кремний - это полупроводниковый материал , модификация поверхности кремния с очень низкой отражательной способностью и, соответственно, высоким поглощением видимого (и инфракрасного ) света.
Модификация была обнаружена в 1980-х годах как нежелательный побочный эффект реактивного ионного травления (RIE). [1] [2] Другие методы формирования подобной структуры включают электрохимическое травление, травление пятен, химическое травление с помощью металла и лазерную обработку (которая разработана в лаборатории Эрика Мазура в Гарвардском университете ), а также процесс FFC Cambridge ( процесс электрохимического восстановления). [3]
Черный кремний стал важным активом для солнечной фотоэлектрической промышленности, поскольку он обеспечивает большую эффективность преобразования света в электричество [4] стандартных солнечных элементов из кристаллического кремния , что значительно снижает их стоимость. [5]
Характеристики
Черный кремний представляет собой игольчатую структуру поверхности, в которой иглы сделаны из монокристаллического кремния и имеют высоту более 10 мкм и диаметр менее 1 мкм. [2] Его главная особенность - повышенное поглощение падающего света - высокий коэффициент отражения кремния, который обычно составляет 20–30% для квазинормального падения, снижается примерно до 5%. Это связано с образованием иглами так называемой эффективной среды [6] . В этой среде нет резкой границы раздела, но есть непрерывное изменение показателя преломления, которое уменьшает отражение Френеля . Когда глубина градиентного слоя примерно равна длине волны света в кремнии (примерно четверть длины волны в вакууме), отражение уменьшается до 5%; более глубокие сорта производят кремний еще более черного цвета. [7] Для низкого коэффициента отражения наноразмерные элементы, образующие слой с градиентным индексом, должны быть меньше длины волны падающего света, чтобы избежать рассеяния. [7]
Приложения
Необычные оптические характеристики в сочетании с полупроводниковыми свойствами кремния делают этот материал интересным для сенсорных приложений. Возможные применения включают: [8]
- Датчики изображения с повышенной чувствительностью
- Тепловизионные камеры
- Фотоприемник с высокой эффективностью за счет повышенного поглощения. [9] [10]
- Механические контакты и интерфейсы [2]
- Терагерцовые приложения. [11] [12] [13] [14]
- Солнечные элементы [15] [3] [16] [17]
- Антибактериальные поверхности [18], которые работают, физически разрушая клеточные мембраны бактерий.
- Рамановская спектроскопия с усилением поверхности [19]
- Датчики аммиачного газа [20]
Производство
Реактивное ионное травление
В полупроводниковой технологии реактивно-ионное травление (RIE) является стандартной процедурой для создания канавок и отверстий глубиной до нескольких сотен микрометров и очень высоким соотношением сторон. В процессе RIE от Bosch это достигается путем многократного переключения между травлением и пассивацией. При использовании криогенного RIE низкая температура и газообразный кислород обеспечивают пассивирование боковых стенок за счет образования SiO.
2, легко удаляется снизу направленными ионами. Оба метода RIE позволяют производить черный кремний, но морфология полученной структуры существенно различается. Переключение между травлением и пассивацией процесса Bosch создает волнистые боковые стенки, которые видны также на сформированном таким образом черном силиконе.
Однако во время травления на подложке остается мелкий мусор; они маскируют ионный пучок и создают структуры, которые не удаляются, а на следующих этапах травления и пассивации образуются высокие кремниевые столбики. [21] Процесс можно настроить так, чтобы на площади в один квадратный миллиметр образовывался миллион игл. [14]
Метод Мазура
В 1999 году группа Гарвардского университета, возглавляемая Эриком Мазуром, разработала процесс, в котором черный кремний производился путем облучения кремния фемтосекундными лазерными импульсами. [22] После облучения в присутствии газа, содержащего гексафторид серы и другие легирующие примеси , на поверхности кремния появляется самоорганизованная микроскопическая структура конусов микрометрового размера. Полученный в результате материал обладает многими замечательными свойствами, такими как поглощение, которое распространяется до инфракрасного диапазона, ниже запрещенной зоны кремния, включая длины волн, для которых обычный кремний прозрачен. Атомы серы вытесняются на поверхность кремния, создавая структуру с более низкой шириной запрещенной зоны и, следовательно, способностью поглощать более длинные волны .
Подобная модификация поверхности может быть достигнута в вакууме с использованием одного и того же типа лазера и условий лазерной обработки. В этом случае отдельные силиконовые конусы не имеют острых концов (см. Изображение). Отражательная способность такой микроструктурированной поверхности очень низкая, 3–14% в спектральном диапазоне 350–1150 нм. [23] Такому снижению отражательной способности способствует геометрия конуса, которая увеличивает внутреннее отражение света между ними. Следовательно, возможность поглощения света увеличивается. Увеличение поглощения, достигнутое текстуризацией fs-лазера, было выше, чем при использовании метода щелочного химического травления [24], который является стандартным промышленным подходом к текстурированию поверхности пластин монокристаллического кремния при производстве солнечных элементов . Такая модификация поверхности не зависит от локальной кристаллической ориентации. Эффект равномерного текстурирования может быть достигнут по всей поверхности поликристаллической кремниевой пластины. Очень крутые углы снижают отражение почти до нуля, а также увеличивают вероятность рекомбинации, не позволяя использовать его в солнечных элементах.
Нанопоры
Когда смесь нитрата меди , фосфористой кислота , фтористый водород и вода применяются к кремниевой пластине, кислота фосфористого снижение уменьшает ионы меди до наночастиц меди . Наночастицы притягивают электроны с поверхности пластины, окисляя ее и позволяя фтористому водороду прожигать в кремнии нанопоры в форме перевернутой пирамиды. В результате были получены поры размером всего 590 нм, пропускающие более 99% света. [25]
Химическое травление
Черный кремний также может быть произведен путем химического травления с использованием процесса, называемого химическим травлением с использованием металла ( MACE ). [26] [27] [28] [29]
Функция
Когда материал смещается небольшим электрическим напряжением , поглощенные фотоны могут возбуждать десятки электронов . Чувствительность детекторов из черного кремния в 100–500 раз выше, чем у необработанного кремния (обычного кремния) как в видимом, так и в инфракрасном спектрах. [30] [31]
Группа из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии сообщила о черных кремниевых солнечных элементах с эффективностью 18,2%. [17] Эта черная силиконовая антибликовая поверхность была сформирована методом металлического травления с использованием наночастиц серебра. В мае 2015 года исследователи из Финляндии «s университета Аалто , работая с исследователями из Universitat Политекника Каталунья объявили , что они создали черные кремниевые солнечные элементы с КПД 22,1% [32] [33] , применяя тонкую пассивирующего пленку на наноструктур при атомном слое Осаждение , а также за счет интеграции всех металлических контактов на задней стороне ячейки.
Команда под руководством Елены Ивановой из Технологического университета Суинберна в Мельбурне обнаружила в 2012 году [34], что крылья цикады были мощными убийцами синегнойной палочки , оппортунистического микроба, который также инфицирует людей и становится устойчивым к антибиотикам . Эффект исходил от равномерно расположенных «наностолбиков», на которых бактерии разрезались в клочья по мере их оседания на поверхности.
И крылья цикады, и черный силикон были протестированы в лаборатории, и оба оказались бактерицидными. Гладкие на ощупь поверхности уничтожают грамотрицательные и грамположительные бактерии , а также споры бактерий .
Три целевых бактериальных вида - P. aeruginosa , Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis - широко распространенный почвенный микроб, являющийся родственником сибирской язвы .
Скорость уничтожения составила 450 000 бактерий на квадратный сантиметр в минуту в течение первых трех часов воздействия, что в 810 раз превышает минимальную дозу, необходимую для заражения человека S. aureus , и в 77 400 раз больше, чем у P. aeruginosa . Хотя позже было доказано, что протокол количественной оценки, выполненный командой Ивановой, не подходит для такого рода антибактериальных поверхностей.
Смотрите также
- Квантовая эффективность солнечного элемента
- Solasys
- Университет Висконсин-Мэдисон. «Материал Stealth скрывает горячие предметы от инфракрасных глаз». ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180622174752.htm (по состоянию на 23 июня 2018 г.).
Рекомендации
- ^ Янсен, H; Бур, М. де; Легтенберг, Р. Элвенспук, М. (1995). «Метод черного кремния: универсальный метод определения параметров установки реактивного ионного травления на основе фтора при глубоком травлении канавок кремния с контролем профиля» . Журнал микромеханики и микротехники . 5 (2): 115–120. Bibcode : 1995JMiMi ... 5..115J . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 5/2/015 .
- ^ a b c Black Silicon [ постоянная мертвая ссылка ] как функциональный слой микросистемной технологии
- ^ а б Лю, Сяоган; Коксон, Пол; Петерс, Мариус; Хоекс, Брэм; Коул, Жаклин; Fray, Дерек (2014). «Черный кремний: методы производства, свойства и применение солнечной энергии» . Энергетика и экология . 7 (10): 3223–3263. DOI : 10.1039 / C4EE01152J .
- ^ Алькубилла, Рамон; Гарин, Мойзес; Калле, Эрик; Ортега, Пабло; Гастроу, Гийом фон; Репо, Пяйвикки; Савин, Хеле (2015). «Черные кремниевые солнечные элементы с встречно расположенными обратными контактами достигают эффективности 22,1%» . Природа Нанотехнологии . 10 (7): 624–628. Bibcode : 2015NatNa..10..624S . DOI : 10.1038 / nnano.2015.89 . ISSN 1748-3395 . PMID 25984832 .
- ^ Пирс, Джошуа; Савин, Хеле; Пасанен, Тони; Лайне, Ханну; Моданезе, Кьяра; Моданезе, Кьяра; Laine, Hannu S .; Pasanen, Toni P .; Савин, Хеле (2018). «Экономические преимущества сухого травления черного кремния в производстве фотоэлектрических элементов с пассивированным задним эмиттером (PERC)» . Энергии . 11 (9): 2337. DOI : 10,3390 / en11092337 .
- ^ К. Так Чой (1999). Теория эффективной среды: принципы и приложения . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-851892-1.
- ^ а б Бранц, HM; Йост, В.Е .; Ward, S .; К, Б .; Джонс, К .; Страдиньш, П. (2009). «Наноструктурированный черный кремний и оптическая отражательная способность поверхностей с градиентной плотностью» . Прил. Phys. Lett . 94 (23): 231121–3. Bibcode : 2009ApPhL..94w1121B . DOI : 10.1063 / 1.3152244 .
- ^ Карстен Мейер: "Черный силикон: сенсорный материал будущего?" Heise Online. 5 февраля 2009 г.
- ^ Койнов, Святослав; Брандт, Мартин С .; Штутцманн, Мартин (2006). «Черные неотражающие кремниевые поверхности для солнечных элементов» (PDF) . Письма по прикладной физике . 88 (20): 203107. Bibcode : 2006ApPhL..88t3107K . DOI : 10.1063 / 1.2204573 . Архивировано из оригинального (PDF) 24 июля 2011 года.
- ^ Койнов, Святослав; Брандт, Мартин С .; Штутцманн, Мартин (2007). «Черные многокристаллические кремниевые солнечные элементы» (PDF) . Physica Status Solidi RRL . 1 (2): R53. Bibcode : 2007PSSRR ... 1R..53K . DOI : 10.1002 / pssr.200600064 . Архивировано из оригинального (PDF) 24 июля 2011 года.
- ↑ Гейл Овертон: Терагерцовая технология: черный кремний испускает терагерцовое излучение . В: Laser Focus World , 2008.
- ^ Cheng-Сянь Лю: Формирование кремния нанопор и Nanopillars с помощью процесса Maskless Deep реактивное ионное травление [ постоянная ссылка мертвых ] , 11 ноября 2008
- ^ Чжиюн Сяо; и другие. (2007). «Формирование кремниевых нанопор и наностолбиков методом глубокого реактивного ионного травления без маски». ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2007 - 2007 Международная конференция по твердотельным датчикам, исполнительным элементам и микросистемам - Формирование кремниевых нанопор и наностолбиков с помощью безмаскового процесса глубокого реактивного ионного травления . С. 89–92. DOI : 10.1109 / SENSOR.2007.4300078 . ISBN 978-1-4244-0841-2.
- ^ a b Мартин Шефер: липучка в миниатюре - «силиконовая трава скрепляет микрокомпоненты». Архивировано 24 июля 2011 г. на Wayback Machine. В: wissenschaft.de. 21 июня 2006 г.
- ^ Бранц, Ховард М .; Юань, Хао-Чжи; О, Джихун (2012). «Черный кремниевый солнечный элемент с КПД 18,2% достигается за счет управления рекомбинацией носителей в наноструктурах». Природа Нанотехнологии . 7 (11): 743–748. Bibcode : 2012NatNa ... 7..743O . DOI : 10.1038 / nnano.2012.166 . ISSN 1748-3395 . PMID 23023643 .
- ↑ Черный кремний возвращается - и дешевле, чем когда-либо , 7 сентября 2010 г.
- ^ а б О, Дж .; Юань, Х.-К .; Бранц, HM (2012). «Механизмы рекомбинации носителей в наноструктурированных солнечных элементах с большой площадью поверхности путем исследования черных кремниевых солнечных элементов с КПД 18,2%». Природа Нанотехнологии . 7 (11): 743–8. Bibcode : 2012NatNa ... 7..743O . DOI : 10.1038 / nnano.2012.166 . PMID 23023643 .
- ^ «Черный кремний разрезает бактерии и режет кубиками» . Gizmag.com . Проверено 29 ноября 2013 года .
- ^ Сюй, Чжида; Цзян, Цзин; Гартия, Манас; Лю, Логан (2012). «Монолитная интеграция наклонных кремниевых наноструктур на трехмерных микроструктурах и их применение в спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением поверхности». Журнал физической химии C . 116 (45): 24161–24170. arXiv : 1402,1739 . DOI : 10.1021 / jp308162c .
- ^ Лю, Сяо-Лун; Чжу, Су-Ван; Сунь, Хай-Бин; Ху, Юэ; Ма, Шэн-Сян; Нин, Си-Цзин; Чжао, Ли; Чжуан, июнь (17 января 2018 г.). « « Бесконечная чувствительность »черного кремниевого датчика аммиака, достигнутая с помощью двойных оптических и электрических приводов». ACS Appl. Матер. Интерфейсы . 10 (5): 5061–5071. DOI : 10.1021 / acsami.7b16542 . PMID 29338182 .
- ^ Майк Штубенраух, Мартин Хоффманн, Siliziumtiefätzen (DRIE) [ постоянная битая ссылка ] , 2006
- ↑ Уильям Дж. Кроми возникает: черный кремний, новый способ улавливания света. Архивировано 13 января 2010 года в Wayback Machine . В: Harvard Gazette. 9 декабря 1999 г., по состоянию на 16 февраля 2009 г.
- ^ Торрес, Р., Вервиш, В., Хальбвакс, М., Сарнет, Т., Делапорте, П., Сентис, М., Феррейра, Дж., Баракель, Д., Бастид, С., Торрегроса, Ф. , Этьен, Х., и Ру, Л., «Текстурирование фемтосекундным лазером для улучшения фотоэлектрических элементов: черный кремний» , Журнал оптоэлектроники и передовых материалов, том 12, № 3, стр. 621–625, 2010.
- ^ Сарнет, Т., Торрес, Р., Вервиш, В., Делапорте, П., Сентис, М., Хальбвакс, М., Феррейра, Дж., Баракель, Д., Паскуелли, М., Мартинуцци, С. , Escoubas, L., Torregrosa, F., Etienne, H., and Roux, L., "Черный кремний, последние усовершенствования для фотоэлектрических элементов", Труды Международного конгресса по применению лазеров и электрооптики, 2008.
- ^ Уильямс, Майк (18 июня 2014 г.). «Один шаг к эффективности солнечных батарей» . Rdmag.com . Проверено 22 июня 2014 .
- ^ Сюй, Чи-Хунг; Ву, Цзя-Рен; Лу, Йен-Тянь; Флуд, Деннис Дж .; Бэррон, Эндрю Р .; Чен, Лунг-Чиен (1 сентября 2014 г.). «Производство и характеристики черного кремния для солнечных батарей: обзор». Материаловедение в обработке полупроводников . 25 : 2–17. DOI : 10.1016 / j.mssp.2014.02.005 . ISSN 1369-8001 .
- ^ Койнов, Святослав; Брандт, Мартин С .; Штутцманн, Мартин (2007). «Черные многокристаллические кремниевые солнечные элементы». Physica Status Solidi RRL . 1 (2): R53 – R55. Bibcode : 2007PSSRR ... 1R..53K . DOI : 10.1002 / pssr.200600064 . ISSN 1862-6270 .
- ^ Чен, Кэсюнь; Чжа, Цзявэй; Ху, Фенцинь; Е, Сяоя; Цзоу, Шуай; Vähänissi, Ville; Пирс, Джошуа М .; Савин, Хеле; Су, Сяодун (1 марта 2019 г.). «Нанотекстурный процесс MACE, применимый как для монокристаллических, так и для многокристаллических кремниевых солнечных элементов, пропиленных алмазной проволокой» (PDF) . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 191 : 1–8. DOI : 10.1016 / j.solmat.2018.10.015 . ISSN 0927-0248 .
- ^ Уддин, Шахнаваз; Хашим, штат Мэриленд Рослан; Пахуруддин, Мохд Замир (12 марта 2021 г.). «Химическое травление с использованием алюминия для изготовления черного кремния». Химия и физика материалов . 124469 . DOI : 10.1016 / j.matchemphys.2021.124469 . ISSN 0254-0584 .
- ^ Уэйд Руш: "SiOnyx приносит" черный кремний "в свет; материал может перевернуть солнечную энергетику и отрасли обработки изображений" . В: Xconomy. 10 декабря 2008 г.
- ^ «Черный кремний» Новый тип кремния обещает более дешевые и более чувствительные световые детекторы , Technology Review Online. 29 октября 2008 г.
- ^ «Рекорд эффективности для черных кремниевых солнечных элементов подскакивает до 22,1%» .
- ^ Савин, Хеле; Репо, Пяйвикки; фон Гастров, Гийом; Ортега, Пабло; Калле, Эрик; Гарин, Мойзес; Алькубилла, Рамон (2015). «Черные кремниевые солнечные элементы с встречно расположенными обратными контактами достигают эффективности 22,1%» . Природа Нанотехнологии . 10 (7): 624–628. Bibcode : 2015NatNa..10..624S . DOI : 10.1038 / nnano.2015.89 . PMID 25984832 .
- ^ Елена Петровна Иванова; Джафар Хасан; Хайден К. Веб; Ви Кхан Труон; Грегори С. Уотсон; Иоланта А. Уотсон; Владимир Александрович Баулин; Сергей Погодин; Джеймс Й. Ван; Марк Дж. Тоби; Кристиан Лёббе; Рассел Дж. Кроуфорд (20 августа 2012 г.). «Природные бактерицидные поверхности: механический разрыв клеток синегнойной палочки от крыльев цикады». Маленький . 8 (17): 2489–2494. DOI : 10.1002 / smll.201200528 . PMID 22674670 .
Внешние ссылки
- SiOnyx выводит на свет «черный кремний»
- Статья в New New York Times (требуется подписка на NYT) [ постоянная мертвая ссылка ]
- Домашняя страница SiOnyx
- Лазеры для фотовольтаики - База знаний
- Э. Мазур; Дж. Кэри; К. Крауч; Р. Юнкинс (2001). «Изготовление конических полевых эмиттеров микрометровых размеров с использованием фемтосекундного лазерного травления кремния» (PDF) . Весеннее собрание MRS . Архивировано 2 апреля 2015 года из оригинального (PDF) . Проверено 6 марта 2015 года .
- Лазеры повышают эффективность фотоэлектрических систем
- Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques - Recherche - Structuration du silicium: Application au Photovoltaïque (на французском языке)