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Silicio negro

El silicio negro es un material semiconductor, una modificación superficial del silicio con una reflectividad muy baja y una absorción correspondientemente alta de la luz visible (e infrarroja).

La modificación se descubrió en la década de 1980 como un efecto secundario no deseado del grabado iónico reactivo (RIE).[1]​[2]​Otros métodos para formar una estructura similar son el grabado electroquímico, el grabado por tinción, el grabado químico asistido por metal y el tratamiento con láser.

El silicio negro se ha convertido en un activo importante para la industria solar fotovoltaica, ya que permite una mayor eficiencia de conversión de luz en electricidad [3]​ de las células solares de silicio cristalino estándar, lo que reduce significativamente sus costos. [4]​

Propiedades

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Micrografía electrónica de barrido de silicio negro, producido por RIE (proceso ASE)
 
Micrografía SEM de silicio negro formado por RIE criogénico. Observe las superficies lisas e inclinadas, a diferencia de las paredes laterales onduladas obtenidas con el proceso RIE de Bosch.

El silicio negro es una estructura superficial en forma de aguja en la que las agujas están hechas de silicio monocristalino y tienen una altura superior a 10 μm y un diámetro inferior a 1 μm.[2]​

Su principal característica es una mayor absorción de la luz incidente: la alta reflectividad del silicio, que suele ser del 20-30% para incidencia cuasi normal, se reduce a aproximadamente el 5%. Esto se debe a la formación del llamado medio efectivo por las agujas.[5]​

Dentro de este medio, no hay una interfaz nítida, sino un cambio continuo del índice de refracción que reduce la reflexión de Fresnel.

Cuando la profundidad de la capa graduada es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz en el silicio (aproximadamente un cuarto de la longitud de onda en el vacío), la reflexión se reduce al 5%; grados más profundos producen un silicio aún más negro. [6]​

Para que la reflectividad sea baja, las características a nanoescala que producen la capa graduada de índice deben ser menores que la longitud de onda de la luz incidente para evitar la dispersión.[6]​

 
Fotografía SEM de silicio negro con nanoconos inclinados, producida por RIE en ángulo oblicuo.

Aplicaciones

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Las inusuales características ópticas, combinadas con las propiedades semiconductoras del silicio, hacen que este material sea interesante para aplicaciones de sensores. Las aplicaciones potenciales incluyen:[7]​

Referencias

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  1. ↑ Jansen, H; Boer, M de; Legtenberg, R; Elwenspoek, M (1995). «The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control». Journal of Micromechanics and Microengineering 5 (2): 115-120. Bibcode:1995JMiMi...5..115J. S2CID 250922747. doi:10.1088/0960-1317/5/2/015. 
  2. ↑ a b c Black Silicon as a functional layer of the micro-system technology
  3. ↑ Alcubilla, Ramon; Garín, Moises; Calle, Eric; Ortega, Pablo; Gastrow, Guillaume von; Repo, Päivikki; Savin, Hele (2015). «Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency». Nature Nanotechnology (en inglés) 10 (7): 624-628. Bibcode:2015NatNa..10..624S. ISSN 1748-3395. PMID 25984832. doi:10.1038/nnano.2015.89. 
  4. ↑ Pearce, Joshua; Savin, Hele; Pasanen, Toni; Laine, Hannu; Modanese, Chiara; Modanese, Chiara; Laine, Hannu S.; Pasanen, Toni P. et al. (2018). «Economic Advantages of Dry-Etched Black Silicon in Passivated Emitter Rear Cell (PERC) Photovoltaic Manufacturing». Energies (en inglés) 11 (9): 2337. doi:10.3390/en11092337. 
  5. ↑ C. Tuck Choy (1999). Effective Medium Theory: Principles and Applications. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-851892-1. 
  6. ↑ a b Branz, H.M.; Yost, V.E.; Ward, S.; To, B.; Jones, K.; Stradins, P. (2009). «Nanostructured black silicon and the optical reflectance of graded-density surfaces». Appl. Phys. Lett. 94 (23): 231121-3. Bibcode:2009ApPhL..94w1121B. doi:10.1063/1.3152244. 
  7. ↑ Carsten Meyer: "Black Silicon: sensor material of the future?" Heise Online. 5 February 2009
  8. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2006). «Black nonreflecting silicon surfaces for solar cells». Applied Physics Letters 88 (20): 203107. Bibcode:2006ApPhL..88t3107K. doi:10.1063/1.2204573. Archivado desde el original el 24 de julio de 2011. 
  9. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2007). «Black multi-crystalline silicon solar cells». Physica Status Solidi RRL 1 (2): R53. Bibcode:2007PSSRR...1R..53K. doi:10.1002/pssr.200600064. Archivado desde el original el 24 de julio de 2011. 
  10. ↑ Juntunen, Mikko A.; Heinonen, Juha; Vähänissi, Ville; Repo, Päivikki; Valluru, Dileep; Savin, Hele (14 de noviembre de 2016). «Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon photodiodes with an induced junction». Nature Photonics (en inglés) 10 (12): 777-781. ISSN 1749-4885. doi:10.1038/nphoton.2016.226. 
  11. ↑ Garin, M.; Heinonen, J.; Werner, L.; Pasanen, T. P.; Vähänissi, V.; Haarahiltunen, A.; Juntunen, M. A.; Savin, H. (8 de septiembre de 2020). «Black-Silicon Ultraviolet Photodiodes Achieve External Quantum Efficiency above 130%». Physical Review Letters (en inglés) 125 (11). ISSN 0031-9007. arXiv:1907.13397. doi:10.1103/PhysRevLett.125.117702. 
  12. ↑ Gail Overton: Terahertz Technology: Black silicon emits terahertz radiation. In:Laser Focus World, 2008
  13. ↑ Cheng-Hsien Liu: Formation of Silicon nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process , 11 November 2008
  14. ↑ Zhiyong Xiao (2007). «Formation of Silicon Nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process». TRANSDUCERS 2007 – 2007 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference—Formation of Silicon Nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process. pp. 89-92. ISBN 978-1-4244-0841-2. doi:10.1109/SENSOR.2007.4300078. 
  15. ↑ Branz, Howard M.; Yuan, Hao-Chih; Oh, Jihun (2012). «An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through control of carrier recombination in nanostructures». Nature Nanotechnology (en inglés) 7 (11): 743-748. Bibcode:2012NatNa...7..743O. ISSN 1748-3395. PMID 23023643. doi:10.1038/nnano.2012.166. 
  16. ↑ Liu, Xiaogang; Coxon, Paul; Peters, Marius; Hoex, Bram; Cole, Jacqueline; Fray, Derek (2014). «Black silicon: fabrication methods, properties and solar energy applications». Energy & Environmental Science 7 (10): 3223-3263. doi:10.1039/C4EE01152J. 
  17. ↑ Black Silicon Comes Back – And Cheaper than Ever, 7 September 2010
  18. ↑ Oh, J.; Yuan, H.-C.; Branz, H.M. (2012). «Carrier recombination mechanisms in high surface area nanostructured solar cells by study of 18.2%-efficient black silicon solar cells». Nature Nanotechnology 7 (11): 743-8. Bibcode:2012NatNa...7..743O. PMID 23023643. doi:10.1038/nnano.2012.166. 
  19. ↑ «Black silicon slices and dices bacteria». Gizmag.com. Consultado el 29 de noviembre de 2013. 
  20. ↑ Xu, Zhida; Jiang, Jing; Gartia, Manas; Liu, Logan (2012). «Monolithic Integrations of Slanted Silicon Nanostructures on 3D Microstructures and Their Application to Surface-Enhanced Raman Spectroscopy». The Journal of Physical Chemistry C 116 (45): 24161-24170. arXiv:1402.1739. doi:10.1021/jp308162c. 
  21. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhu, Su-Wan; Sun, Hai-Bin; Hu, Yue; Ma, Sheng-Xiang; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (17 January 2018). «"Infinite Sensitivity" of Black Silicon Ammonia Sensor Achieved by Optical and Electric Dual Drives». ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (5): 5061-5071. PMID 29338182. doi:10.1021/acsami.7b16542. 
  22. ↑ Liu, Xiao-Long; Ma, Sheng-Xiang; Zhu, Su-Wan; Zhao, Yang; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (15 de julio de 2019). «Light stimulated and regulated gas sensing ability for ammonia using sulfur-hyperdoped silicon». Sensors and Actuators B: Chemical (en inglés) 291: 345-353. doi:10.1016/j.snb.2019.04.073. 
  23. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhao, Yang; Ma, Sheng-Xiang; Zhu, Su-Wan; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (22 de noviembre de 2019). «Rapid and Wide-Range Detection of NO x Gas by N-Hyperdoped Silicon with the Assistance of a Photovoltaic Self-Powered Sensing Mode». ACS Sensors (en inglés) 4 (11): 3056-3065. ISSN 2379-3694. doi:10.1021/acssensors.9b01704. 
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  26. ↑ Zhao, Yang; Liu, Xiao-Long; Ma, Sheng-Xiang; Wang, Wen-Jing; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (August 1, 2021). «Light-optimized photovoltaic self-powered NO2 gas sensing based on black silicon». Sensors and Actuators B: Chemical (en inglés) 340: 129985. doi:10.1016/j.snb.2021.129985. 
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  28. ↑ Li, Yuan; Li, Hua; Dong, Binbin; Liu, Xiaolong; Feng, Guojin; Zhao, Li (20 de febrero de 2024). «Improved NH 3 Gas Sensing Performance of Femtosecond-Laser Textured Silicon by the Decoration of Au Nanoparticles». physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters (en inglés). ISSN 1862-6254. doi:10.1002/pssr.202400015. 
  29. ↑ Dong, Binbin; Wang, Wenjing; Liu, Xiao-Long; Li, Hua; Li, Yuan; Huang, Yurui; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li et al. (18 de marzo de 2024). «Light and gas dual-function detection and mutual enhancement based on hyperdoped black silicon». Optics Express (en inglés). ISSN 1094-4087. doi:10.1364/OE.521885. 
  30. ↑ Li, Yuan; Li, Hua; Feng, Guojin; Wang, Wenjing; Dong, Binbin; Zhao, Li; Zhuang, Jun (8 de enero de 2024). «Room-temperature NH3 gas sensing of S-hyperdoped silicon: Optimization through substrate resistivity». Applied Physics Letters (en inglés) 124 (2). ISSN 0003-6951. doi:10.1063/5.0181639. 
  31. ↑ Ayvazyan, Gagik; Ayvazyan, Karen; Hakhoyan, Levon; Semchenko, Alina (18 de marzo de 2023). «NO 2 Gas Sensor Based on Pristine Black Silicon Formed by Reactive Ion Etching». physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters (en inglés) 17 (9). ISSN 1862-6254. doi:10.1002/pssr.202300058. 

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