黑硅是太阳能电池中使用的一种珍贵材料它的边缘又黑又粗糙

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员开发了一种新的理论模型，解释了制造黑硅的一种方法，黑硅是一种用于太阳能电池、光传感器、抗菌表面和许多其他应用的重要材料。

黑硅是通过蚀刻普通硅的表面，在表面产生微小的纳米级凹坑而制成的。这些凹坑将硅的颜色从灰色变为黑色，更重要的是，它们捕获了更多的光，这是高效太阳能电池的基本特征。

虽然制造黑硅的方法有很多，包括一些使用带电的第四种物质状态(称为等离子体)的方法，但新模型侧重于仅使用氟气的工艺。PPPL博士后研究员尤里·巴尔苏科夫(YuriBarsukov)表示，选择关注氟是有意为之的：PPPL团队希望填补公开研究的空白。虽然已经发表了一些关于称为离子的带电粒子在黑硅生产中的作用的论文，但关于中性物质(例如氟气)的作用的论文却很少。

“我们现在非常清楚地知道使用氟气时导致这些凹坑形成的机制，”发表在《真空科学与技术杂志》上的一篇关于这项工作的新论文的作者之一巴苏科夫说。

巴尔苏科夫补充道：“这种公开发布的信息对我们所有人都有好处，无论我们是追求进一步了解强调此类流程的基础知识，还是寻求改进制造流程。”

模型揭示了基于表面原子取向的键断裂

新的蚀刻模型精确地解释了氟气如何比其他键更频繁地破坏硅中的某些键，具体取决于表面键的方向。由于硅是一种晶体材料，原子以刚性模式结合。这些键可以根据它们在图案中的取向方式来表征，每种类型的取向或平面由括号内的数字标识，例如[100]、[110]或[111]。

“如果使用氟气蚀刻硅，蚀刻会沿着[100]和[110]晶面进行，但不会蚀刻[111]，导致蚀刻后表面粗糙，”Barsukov解释道。当气体不均匀地蚀刻硅时，硅表面就会产生凹坑。表面越粗糙，吸收的光就越多，因此粗糙的黑硅非常适合太阳能电池。相比之下，光滑的硅是创建计算机芯片所需的原子级图案的理想表面。

“如果你想蚀刻硅，同时留下光滑的表面，你应该使用除氟之外的另一种反应物。它应该是一种能够均匀蚀刻所有晶面的反应物，”巴尔苏科夫说。

PPPL将其专业知识扩展到量子化学领域

这项研究之所以引人注目，还因为它代表了PPPL最新研究领域之一的早期成功。

“实验室正在多元化，”首席研究物理学家兼该论文的合著者伊戈尔·卡冈诺维奇(IgorKaganovich)说。“这是PPPL首次开展此类量子化学工作。”

量子化学是科学的一个分支，利用量子力学研究分子的结构和反应性，量子力学是控制非常小和非常轻的物体(例如电子和原子核)的物理定律。