mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202408.608mateltech-608Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSФормирование антиотражающей структуры на поверхности монокристаллического кремния ускоренными ионами XeFormation of an antireflective structure on the surface of single-crystal silicon by accelerated Xe ionsЗоринаМ. В.ZorinaM. V.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 603087

Мария Владимировна Зорина — научный сотрудник

7 Academicheskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

Maria V. Zorina — Researcher

mzor@ipmras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2221-0047МихайленкоМ. С.MikhailenkoM. S.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 603087

Михаил Сергеевич Михайленко — младший научный сотрудник

7 Academicheskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

Mikhail S. Mikhailenko — Junior Researcher

mikhaylenko@ipmras.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9653-5725ПестовА. Е.PestovA. E.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 603087

Алексей Евгеньевич Пестов — канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией

7 Academicheskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

Alexey E. Pestov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of Laboratory

aepestov@ipmras.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3662-8388ПерекаловА. А.PerekalovA. A.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 603087

Александр Алексеевич Перекалов — младший научный сотрудник

7 Academicheskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

Alexander A. Perekalov — Junior Researcher

perekalov@ipmras.ruЧхалоН. И.ChkhaloN. I.

ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., 603087

Николай Иванович Чхало — доктор физ.-мат. наук, зав. отделом

7 Academicheskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

Nikolay I. Chkhalo — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of Department

chkhalo@ipmras.ruИнститут физики микроструктур Российской академии наукРоссияInstitute for Physics of Microstructures of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202426112024274287294Copyright © Зорина М.В., Михайленко М.С., Пестов А.Е., Перекалов А.А., Чхало Н.И., 20252025Зорина М.В., Михайленко М.С., Пестов А.Е., Перекалов А.А., Чхало Н.И.Zorina M.V., Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Perekalov A.A., Chkhalo N.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/608

Рассмотрено влияние ионно-пучкового травления на отражательные характеристики монокристаллического кремния. Исследована формирующаяся в процессе ионной обработки морфология поверхности. Обнаружено, что при нормальном падении ионов Xe на поверхность образца и низких энергиях ионов формируется регулярная ямочная структура с увеличением амплитуды неоднородностей в диапазоне пространственных частот 0,025—0,5 мкм-1, а при скользящем падении ионов Xe и высоких энергиях — чешуйчатая топология с увеличением амплитуды неоднородностей в диапазоне пространственных частот 0,025—10 мкм-1. Предложена методика формирования на поверхности полированной пластины монокристаллического кремния с ориентацией (110) развитой регулярной структуры методом ионно-пучкового травления. Методика заключается в облучении поверхности образца из монокристаллического кремния широким квазипараллельным пучком моноэнергетических ионов Xe. Показано, что при обработке монокристаллического кремния пучком ускоренных ионов Xe при угле падения ионов 70° от нормали к поверхности и энергии ионов 1000 эВ в течение всего 30 мин на поверхности образца формируется развитый рельеф, уменьшающий отражение и обеспечивающий поглощение излучения с длинами волн в диапазоне 400—1000 нм ˃90 %. Методика обеспечивает снижение коэффициента отражения больше чем у «черного» кремния, приготовленного по стандартной технологии на длинах волн 532 и 793 нм, а также в более широком диапазоне углов падения на длинах волн 532, 633 и 793 нм, что в перспективе позволит изготавливать солнечные электростанции без дорогостоящих поворотных опор и снизить их эксплуатационную себестоимость.

The paper studies the effect of ion-beam etching on the reflectivity characteristics of single-crystal silicon. The surface morphology formed during ion beam treatment was investigated and it was found that at normal incidence of Xe ions on the sample surface and low ion energies, a regular pit structure is formed with an increase in the amplitude of inhomogeneities in the spatial frequency range of 0.025–0.5 μm-1, and at grazing incidence of Xe ions and high energies, a scaly topology is formed with an increase in the amplitude of inhomogeneities in the spatial frequency range of 0.025–10 μm-1. Based on the study, a technique for forming a developed regular structure on the surface of a polished single-crystal silicon wafer with the (110) orientation using ion-beam etching is proposed. The technique consists in irradiating the surface of a single-crystal silicon sample with a wide quasi-parallel beam of monoenergetic Xe ions. It is shown that the treatment of monocrystalline silicon with a beam of accelerated Xe ions at an ion incidence angle of 70° and an ion energy of 1000 eV for only 30 min. forms a developed relief on the sample surface, reducing reflection and providing absorption of radiation with wavelengths in the wavelength range of 400–1000 nm by more than 90%. The technique provides a decrease in the reflection coefficient greater than that of black silicon prepared by standard technology at wavelengths of 532 and 793 nm, as well as in a wider range of incidence angles at wavelengths of 532, 633 and 793 nm, which in the future will allow the manufacture of solar power plants without expensive rotary supports and reduce their operating costs.

«черный» кремнийионное травлениесолнечный элементвидимый светИК-излучениешероховатость“black” siliconion etchingsolar cellvisible lightIR radiationroughnessРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-15-2024-637.The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, agreement No. 075-15-2024-637.ReferencesGreen M.A., Dunlop E.D., Siefer G., Yoshita M., Kopidakis N., Bothe K., Hao, X. Solar cell efficiency tables (version 62). Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2023; 31(7): 651—663. https://doi.org/10.1002/pip.3646Green M.A., Dunlop E.D., Siefer G., Yoshita M., Kopidakis N., Bothe K., Hao, X. Solar cell efficiency tables (version 62). Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2023; 31(7): 651—663. https://doi.org/10.1002/pip.3646Andreani L.C., Bozzola A., Kowalczewski P., Liscidini M., Redorici L. Silicon solar cells: toward the efficiency limits. Advances in Physics: X. 2019; 4(1): 1548305. https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1548305Andreani L.C., Bozzola A., Kowalczewski P., Liscidini M., Redorici L. Silicon solar cells: toward the efficiency limits. Advances in Physics: X. 2019; 4(1): 1548305. https://doi.org/10.1080/23746149.2018.1548305Alarifi I.M. Advanced selection materials in solar cell efficiency and their properties – A comprehensive review. Materials Today: Proceedings. 2023; 81: 403—414. https://doi.org/10.20944/preprints202102.0345.v1Alarifi I.M. Advanced selection materials in solar cell efficiency and their properties — A comprehensive review. Materials Today: Proceedings. 2023; 81: 403—414. https://doi.org/10.20944/preprints202102.0345.v1Марончук И.И., Саникович Д.Д., Давыдова Е.В., Табачкова Н.Ю. Теллурид кадмия для высокоэффективных солнечных элементов. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2023; 26(1): 17—25. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2023-1-17-25Maronchuk I.I., Sanikovich D.D., Davydova E.V., Tabachkova N.Yu. Cadmium telluride for high-efficiency solar cells. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2023; 26(1): 17—25. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2023-1-17-25Green M., Dunlop E., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao X. Solar cell efficiency tables (version 57). Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2021; 29(1): 3–15. https://doi.org/10.1002/pip.3371Green M., Dunlop E., Hohl-Ebinger J., Yoshita M., Kopidakis N., Hao X. Solar cell efficiency tables (version 57). Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2021; 29(1): 3—15. https://doi.org/10.1002/pip.3371Li J., Aierken A., Liu Y., Zhuang Y., Yang X., Mo J.H., Fan R.K., Chen Q.Y., Zhang S.Y., Huang Y.M., Zhang Q. A brief review of high efficiency III-V solar cells for space application. Frontiers in Physics. 2021; 8: 631925. https://doi.org/10.3389/fphy.2020.631925Li J., Aierken A., Liu Y., Zhuang Y., Yang X., Mo J.H., Fan R.K., Chen Q.Y., Zhang S.Y., Huang Y.M., Zhang Q. A brief review of high efficiency III-V solar cells for space application. Frontiers in Physics. 2021; 8: 631925. https://doi.org/10.3389/fphy.2020.631925Chin X.Y., Turkay D., Steele J.A., Tabean S., Eswara S., Mensi M., Fiala P., Wolff Ch., Paracchino A., Artuk , Jacobs D., Guesnay Q., Sahli F., Andreatta G., Boccard M., Jeangros Q., Ballif Ch. Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells. Science. 2023; 381(6653): 59—63. https://doi.org/10.1126/science.adg0091Chin X.Y., Turkay D., Steele J.A., Tabean S., Eswara S., Mensi M., Fiala P., Wolff Ch.M., Paracchino A., Artuk K., Jacobs D., Guesnay Q., Sahli F., Andreatta G., Boccard M., Jeangros Q., Ballif Ch. Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells. Science. 2023; 381(6653): 59—63. https://doi.org/10.1126/science.adg0091Schäfer S., Brendel R. Accurate calculation of the absorptance enhances efficiency limit of crystalline silicon solar cells with lambertian light trapping. IEEE Journal of Photovoltaics. 2018; 8(4): 1156—1158. DOI: 10.1109/JPHOTOV.2018.2824024Schäfer S., Brendel R. Accurate calculation of the absorptance enhances efficiency limit of crystalline silicon solar cells with lambertian light trapping. IEEE Journal of Photovoltaics. 2018; 8(4): 1156—1158. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2824024Небольсин В.А., Swaikat N., Воробьев А.Ю. Черный кремний: новый метод изготовления и оптические свойства. Письма в ЖТФ. 2018; 44(23): 16. https://doi.org/10.21883/PJTF.2018.23.47004.17428Nebol'sin V.A., Swaikat N., Vorob'ev A.Y. Black silicon: A new manufacturing method and optical properties. Technical Physics Letters. 2018; 44(12): 1055—1058. https://doi.org/10.1134/S1063785018120313Kim M.S., Lee J.H., Kwak M.K. Surface texturing methods for solar cell efficiency enhancement. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2020; 21(7): 1389—1398. https://doi.org/10.1007/s12541-020-00337-5Kim M.S., Lee J.H., Kwak M.K. Surface texturing methods for solar cell efficiency enhancement. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2020; 21(7): 1389—1398. https://doi.org/10.1007/s12541-020-00337-5Otto M., Algasinger M., Branz H., Gesemann B., Gimpel T., Füchsel K., Käsebier T., Kontermann S., Koynov S., Li X., Naumann V., Oh J., Sprafke A.N., Ziegler J., Zilk M., Wehrspohn R.B. Black silicon photovoltaics. Advanced Optical Materials. 2015; 3(2); 147—164. https://doi.org/10.1002/adom.201400395Otto M., Algasinger M., Branz H., Gesemann B., Gimpel T., Füchsel K., Käsebier T., Kontermann S., Koynov S., Li X., Naumann V., Oh J., Sprafke A.N., Ziegler J., Zilk M., Wehrspohn R.B. Black silicon photovoltaics. Advanced Optical Materials. 2015; 3(2); 147—164. https://doi.org/10.1002/adom.201400395Addonizio M.L., Antonaia A. Textured p-type crystalline silicon surfaces obtained by multi-step plasma process for SHJ solar cells. Vacuum. 2023; 215: 112284. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.048Addonizio M.L., Antonaia A. Textured p-type crystalline silicon surfaces obtained by multi-step plasma process for SHJ solar cells. Vacuum. 2023; 215: 112284. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.048Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Chkhalo N.I., Zorina M.V., Chernyshev A.K., Salashchenko N.N., Kuznetsov I.I. Influence of ion-beam etching by Ar ions with an energy of 200-1000 eV on the roughness and sputtering yield of a single-crystal silicon surface. Applied Optics. 2022; 61(10): 2825—2833. https://doi.org/10.1364/AO.455096Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Chkhalo N.I., Zorina M.V., Chernyshev A.K., Salashchenko N.N., Kuznetsov I.I. Influence of ion-beam etching by Ar ions with an energy of 200-1000 eV on the roughness and sputtering yield of a single-crystal silicon surface. Applied Optics. 2022; 61(10): 2825—2833. https://doi.org/10.1364/AO.455096Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Chernyshev A.K., Zorina M.V., Chkhalo N.I., Salascshenko N.N. Study of the effect of neon ion energy on the surface roughness of the main cuts of monocrystalline silicon during ion etching. Technical Physics. 2023; 68(7): 975—979. https://doi.org/10.61011/TP.2023.07.56648.114-23Mikhailenko M.S., Pestov A.E., Chernyshev A.K., Zorina M.V., Chkhalo N.I., Salascshenko N.N. Study of the effect of neon ion energy on the surface roughness of the main cuts of monocrystalline silicon during ion etching. Technical Physics. 2023; 68(7): 975—979. https://doi.org/10.61011/TP.2023.07.56648.114-23Zorina M.V., Kraev S.A., Lopatin A.Y., Mikhailenko M.S., Okhapkin A.I., Perekalov A.A., Pestov A.E., Chernyshev A.K., Chkhalo N.I., Kuznetsov I.I. On the formation of an anti-reflection layer on the surface of single-crystal silicon by ion-beam etching. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2023; 17(S1): S259—S264. https://doi.org/10.1134/S1027451023070583Zorina M.V., Kraev S.A., Lopatin A.Y., Mikhailenko M.S., Okhapkin A.I., Perekalov A.A., Pestov A.E., Chernyshev A.K., Chkhalo N.I., Kuznetsov I.I. On the formation of an anti-reflection layer on the surface of single-crystal silicon by ion-beam etching. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2023; 17(S1): S259—S264. https://doi.org/10.1134/S1027451023070583TELECOM-STV. http://www.telstv.ru/?page = en_silicon_wafersTELECOM-STV. http://www.telstv.ru/?page = en_silicon_wafersChkhalo N.I., Kluenkov E.B., Pestov A.E., Polkovnikov V.N., Raskin D.G., Salashchenko N.N., Suslov L.A., Toropov M.N Manufacturing of XEUV mirrors with a sub-nanometer surface shape accuracy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2009; 603: 62—65. https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.12.160Chkhalo N.I., Kluenkov E.B., Pestov A.E., Polkovnikov V.N., Raskin D.G., Salashchenko N.N., Suslov L.A., Toropov M.N Manufacturing of XEUV mirrors with a sub-nanometer surface shape accuracy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2009; 603: 62—65. https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.12.160Chkhalo N.I., Salashchenko N.N., Zorina M.V. Note: A stand on the basis of atomic force microscope to study substrates for imaging optics. Review of Scientific Instruments. 2015; 86(1): 016102. https://doi.org/10.1063/1.4905336Chkhalo N.I., Salashchenko N.N., Zorina M.V. Note: A stand on the basis of atomic force microscope to study substrates for imaging optics. Review of Scientific Instruments. 2015; 86(1): 016102. https://doi.org/10.1063/1.4905336Chkhalo N.I., Churin S.A., Pestov A.E., Salashchenko N.N., Vainer Yu.A., Zorina M.V. Roughness measurement and ion-beam polishing of super-smooth optical surfaces of fused quartz and optical ceramics. Optics Express. 2014; 22(17): 20094—20106. https://doi.org/10.1364/OE.22.020094Chkhalo N.I., Churin S.A., Pestov A.E., Salashchenko N.N., Vainer Yu.A., Zorina M.V. Roughness measurement and ion-beam polishing of super-smooth optical surfaces of fused quartz and optical ceramics. Optics Express. 2014; 22(17): 20094—20106. https://doi.org/10.1364/OE.22.020094Нечай А.Н., Перекалов А.А., Чхало Н.И., Салащенко Н.Н., Забродин И.Г., Каськов И.А., Пестов А.Е. Модульная установка для формирования и исследования кластерных пучков инертных и молекулярных газов. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019; (9): 83–92. https://doi.org/10.1134/S0207352819090099Nechay А.N., Perekalov А.А., Chkhalo N.I., Salashchenko N.N., Zabrodin I.G., Kaskov I.A., Pestov A.Ye. Modular device for the formation and study of cluster beams of inertand molecular gases. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2019; (9): 83—92. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S0207352819090099Bradley R.M., Harper J.M.E. Theory of ripple topography induced by ion bombardment. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1988; 6(4): 2390. https://doi.org/10.1116/1.575561Bradley R.M., Harper J.M.E. Theory of ripple topography induced by ion bombardment. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1988; 6(4): 2390. https://doi.org/10.1116/1.575561

The authors declare that there are no conflicts of interest present.