Формирование антиотражающей структуры на поверхности монокристаллического кремния ускоренными ионами Xe

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.

1. Green 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.3646

2. Andreani 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/10.1080/23746149.2018.1548305

3. Alarifi 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.v1

4. Марончук 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/10.17073/1609-3577-2023-1-17-25

5. Green 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.3371

6. Li 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.2020.631925

7. Chin 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.adg0091

8. Schäfer 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.2018.2824024

9. Небольсин 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.2018.23.47004.17428

10. Kim 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/s12541-020-00337-5

11. Otto 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.201400395

12. Addonizio 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.2017.02.048

13. Mikhailenko 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.455096

14. Mikhailenko 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.2023.07.56648.114-23

15. Zorina 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/S1027451023070583

16. TELECOM-STV. http://www.telstv.ru/?page = en_silicon_wafers

17. Chkhalo 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.2008.12.160

18. Chkhalo 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/10.1063/1.4905336

19. Chkhalo 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.22.020094

20. Нечай 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/S0207352819090099

21. Bradley 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