Así adquiere su aspecto oscuro y áspero el silicio negro, un material precioso utilizado en las células solares

Así adquiere su aspecto oscuro y áspero el silicio negro, un material precioso utilizado en las células solares

Espuma insonorizada

El gas flúor talla la superficie del silicio en una serie de crestas angulares que, cuando se observan con un potente microscopio, se parecen al patrón piramidal de la espuma insonorizante que se muestra arriba. Los investigadores de PPPL han modelado cómo se forman estos picos en el silicio, creando un material que absorbe más luz. Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público

Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un nuevo modelo teórico que describe una forma de producir silicio negro, un material importante utilizado en células solares, sensores de luz, superficies bacterianas y muchas otras aplicaciones.

El silicio negro se produce cuando se graba la superficie del silicio normal para producir pequeños hoyos a nanoescala en la superficie. Estos hoyos cambian el color del silicio de gris a negro y atrapan de manera crítica más luz, una característica esencial de las células solares eficientes.

Si bien hay muchas formas de producir silicio negro, algunas de las cuales implican un proceso cargado de cuarto estado llamado plasma, el nuevo modelo se centra en un proceso que utiliza únicamente gas flúor. Yuriy Barsukov, investigador postdoctoral asociado de PPPL, dijo que la elección de centrarse en el flúor fue intencional: el equipo de PPPL quería llenar un vacío en la investigación disponible públicamente. Si bien se han publicado pocos artículos sobre el papel de las partículas cargadas conocidas como iones en la producción de silicio negro, no se ha publicado mucho sobre el papel de sustancias neutras como el gas flúor.

«Ahora conocemos con gran especificidad los mecanismos que provocan la formación de estos hoyos cuando se utiliza gas flúor», dijo Barsukov, uno de los autores del nuevo artículo sobre el trabajo. Revista de ciencia y tecnología del vacío a.

«Este tipo de información publicada pública y abiertamente nos beneficia a todos, ya que continuamos adquiriendo más conocimientos sobre los conocimientos básicos que sustentan dichos procesos, o intentamos mejorar los procesos de producción», añadió Barsukov.

El modelo revela la ruptura de enlaces en función de la orientación del átomo en la superficie

El nuevo modelo de grabado explica exactamente cómo el gas flúor rompe algunos enlaces en el silicio más que otros, dependiendo de la orientación del enlace en la superficie. Como el silicio es un material cristalino, los átomos se unen siguiendo un patrón rígido. Estos enlaces se pueden caracterizar según la forma en que están orientados en el modelo, con cada tipo de orientación o plano identificado por un número entre corchetes, como (100), (110) o (111).

«Si se graba silicio con gas flúor, el grabado se realiza en los planos cristalinos (100) y (110), pero no en (111), lo que da como resultado una superficie rugosa después del grabado», explicó Barsukov. A medida que el gas se mueve de manera desigual a través del silicio, se crean hoyos en la superficie del silicio. Cuanto más rugosa es la superficie, más luz absorbe, lo que hace que el silicio negro rugoso sea ideal para células solares. El silicio liso, por el contrario, es una superficie ideal para crear los patrones a escala atómica necesarios para los chips de computadora.

«Si se quiere grabar el silicio dejando una superficie lisa, hay que utilizar un reactivo distinto del flúor. Tiene que ser un reactivo que grabe uniformemente todos los planos del cristal», dijo Barsukov.

PPPL amplía su experiencia a la química cuántica

La investigación es importante porque representa el éxito inicial de PPPL en nuevas áreas de investigación.

«El laboratorio es diverso», afirmó Igor Kaganovich, físico investigador principal y coautor del artículo. «Esta es la primera vez que PPPL realiza este tipo de trabajo de química cuántica».

La química cuántica es una rama de la ciencia que investiga la estructura y reactividad de las moléculas utilizando la mecánica cuántica, las leyes de la física que gobiernan objetos muy pequeños y muy ligeros como los electrones y los núcleos.

Otros investigadores que contribuyeron al artículo fueron Joseph Vella, físico investigador asistente; Sierra Zubin, estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton; y Omesh Dhar Dwivedi, ex asistente de investigación de PPPL.

Más información:
Omesh Dhar Dwivedi et al., Grabado de silicio dependiente de la orientación mediante moléculas de flúor: un estudio computacional de química cuántica, Revista de ciencia y tecnología del vacío a (2023) DOI: 10.1116/6.0002841

Cortesía del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton

referencia: Cómo el silicio negro, utilizado en las células solares, adquiere su borde oscuro y áspero (2024, 9 de enero) Consultado el 10 de enero de 2024 en https://phys.org/news/2024-01-black-silicon-priized-material-solar. .html

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