Российские учёные создали новый материал на основе чёрного кремния, покрытого силицидом магния (Mg₂Si). Он демонстрирует отличные антиотражающие и светопоглощающие (до 96% падающего света) свойства в широком спектральном диапазоне, что важно для создания солнечных элементов и инфракрасных фотодетекторов нового поколения с повышенной энергоэффективностью. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Applied Surface Science.
В основе солнечной энергетики лежит использование солнечных элементов, преобразующих энергию падающих фотонов в электрический ток. Самый популярный материал для создания солнечных элементов — кремний, а особенно перспективна его так называемая чёрная форма. Последняя представляет собой кристалл с наноконусами на поверхности — такая структура способна хорошо поглощать свет и лишь незначительно его отражать, что и обусловливает её цвет. Однако из-за особенностей энергетической структуры (диапазона возможных энергий электронов в материале) есть серьёзные ограничения для поглощения ближнего инфракрасного излучения — значительной части солнечного света.
«Мы придумали, как преодолеть их, добавив покрытие из материала с меньшей, чем у кремния, шириной запрещённой зоны. Для этого пришлось, по сути, вырастить целый сад: путём испарения в вакууме мы нанесли на наноконусы чёрного кремния слой силицида магния, который, благодаря особенностям роста, формирует силицидную оболочку вокруг наноконусов и шестиугольные чешуйчатые «цветы» на его остриях. Подход простой, быстрый, масштабируемый и не требует применения высоких температур и сверхвысокого вакуума», — рассказывает руководитель проекта Александр Шевлягин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Сотрудники ИАПУ ДВО РАН вместе с коллегами из Дальневосточного федерального университета, Института химии ДВО РАН и Института физики полупроводников СО РАН изучили структуру и оптические свойства полученного наноструктурированного материала, который назвали чёрным силицидом. Предложенный метод нанесения слоя силицида магния не меняет исходную геометрию чёрного кремния, также давая возможность нарастить на нём кристаллы иной формы, придающие новые свойства, что и показали авторы.
В сравнении с исходным чёрным кремнием материал отражает примерно в пять раз меньше света (3,7%) и поглощает не менее 88% излучения в спектральном диапазоне 200—1800 нм, тем самым захватывая весь видимый свет, большую часть ультрафиолета и значительную часть инфракрасного, которые доходят до Земли от Солнца. После оптимизации подхода удалось достичь максимального значения поглощения — 96%, что сравнимо с другими известными ультрачёрными материалами.
«Наш чёрный силицид обладает конкурентными оптическими характеристиками по сравнению с аналогичными материалами, особенно с учётом всех преимуществ методики его изготовления. Также наши расчёты показали, что теоретически можно достичь очень высокой плотности электрического тока — это особенно важно при уменьшении толщины светопоглощающих частей фотоэлементов, к которой стремится весь мир. Мы продолжим эксперименты по оптимизации процесса изготовления нашего материала, в том числе на других структурированных кремниевых подложках и с другими силицидами», — подводит итог Александр Шевлягин.
