[论文解读] Mg$_2$Si is the new black: introducing a black silicide with $>$95% average absorption at 200-1800 nm wavelengths

A. V. Shevlyagin, Vladimir M. Il’yaschenko+5 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Nanowire Synthesis and Applications被引用 2

一句话总结

本论文提出一种新型的 Mg₂Si/b-Si 异质结构，称为“黑硅化物”（black silicide），通过在黑硅上进行真空蒸发和固相外延生长镁而制备。所得纳米结构涂层在 200–1800 nm 波段内实现超过 95% 的平均吸收率，将黑硅的光谱响应扩展至近红外（NIR）波段，同时保持其光捕获几何结构，并将反射率降低五倍。

ABSTRACT

Textured silicon surface structures, in particular black silicon (b-Si), open up possibilities for Si-based solar cells and photodetectors to be extremely thin and highly sensitive owing to perfect light-trapping and anti-reflection properties. However, near-infrared (NIR) performance of bare b-Si is limited by Si band gap of 1.12 eV or 1100 nm. This work reports a simple method to increase NIR absorption of b-Si by $in$ $vacuo$ silicidation with magnesium. Obtained Mg$_2$Si/b-Si heterostructure has a complex geometry where b-Si nanocones are covered by Mg$_2$Si shells and crowned with flake-like Mg$_2$Si hexagons. Mg$_2$Si formation atop b-Si resulted in 5-fold lower reflectivity and optical absorption to be no lower than 88\% over 200-1800 nm spectral range. More importantly, Mg$_2$Si/b-Si heterostructure is more adjusted to match AM-1.5 solar spectrum with theoretically higher photogenerated current density. The maximal advantage is demonstrated in the NIR region compared to bare b-Si in full accordance with one's expectations about NIR sensitive narrow band gap ($\sim$0.75 eV) semiconductor with high absorption coefficient, which is Mg$_2$Si. Results of optical simulation confirmed the superiority of Mg$_2$Si/b-Si NIR performance. Therefore, this new wide-band optical absorber called black silicide proved rather competitive alongside state-of-the-art approaches to extend b-Si spectral blackness.

研究动机与目标

• 将黑硅（b-Si）的光谱黑度扩展至其本征带隙限制（1100 nm）之外的近红外（NIR）波段。
• 开发一种低成本、可扩展的方法，以增强基于硅的光电探测器和太阳能电池在近红外波段的吸收性能。
• 证明窄带隙（0.75 eV）且具有高吸收系数的 Mg₂Si 半导体可通过外延生长在 b-Si 上，形成分级异质结构。
• 优化硅化条件（Mg 膜厚度与退火温度），以在 200–1800 nm 范围内实现最大抗反射与吸收性能。

提出的方法

• 在预加工的黑硅（具有纳米圆锥结构，高度 200 nm，周期 100 nm）上，通过带有涡轮分子泵的真空室（本底压力 1×10⁻⁶ Torr）进行高纯度（5N）镁的真空蒸发。
• 使用石英晶体微天平（QCM）传感器监测并控制镁的沉积速率，并通过实测厚度进行校准。
• 在沉积后进行受控温度（200–400 °C）的固相外延（SPE）退火，使镁与底层硅反应生成 Mg₂Si。
• 系统性地改变 Mg 膜厚度（20–300 nm）与退火温度（200–400 °C），以确定最佳光学性能。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱对相组成与形貌进行表征。
• 在 200–1800 nm 波段内进行光学测量与建模，评估反射率与吸收率，以评价光谱黑度与光子局域化性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在黑硅上形成 Mg₂Si 是否能显著增强其在 1100 nm 以上近红外（NIR）波段的吸收？
• RQ2 在 200–1800 nm 范围内，实现最大抗反射与吸收性能的最优 Mg 膜厚度与退火温度分别是多少？
• RQ3 该分级 Mg₂Si/b-Si 异质结构是否在保持黑硅光捕获几何结构的同时扩展了其光谱响应？
• RQ4 与裸露的 b-Si 相比，Mg₂Si 的本征吸收（带隙 ~0.75 eV）对整体光学性能的贡献如何？
• RQ5 Mg₂Si 层的形貌（如片状与连续膜）在多大程度上影响反射率与吸收性能？

主要发现

• Mg₂Si/b-Si 异质结构在 200–1800 nm 范围内的平均反射率仅为 3.7%，对应 >95% 的平均吸收率。
• 在 Mg 膜厚度约为 50 nm 时达到反射率全局最小值（即吸收最大值），反射率降至约 3.7%。
• 最佳硅化温度约为 330 °C；温度过低时残留未反应的 Mg，温度过高则导致 Mg 氧化（XRD 中出现 MgO 峰）。
• 所得结构在 b-Si 纳米圆锥上形成 Mg₂Si 的片状外延壳层及六边形外延生长结构，同时保持原始光捕获几何形态。
• 光学模拟证实，与裸露 b-Si 相比，Mg₂Si/b-Si 结构在近红外波段具有更强的光子局域化能力，验证了其在近红外响应方面的优越性。
• 该方法具有可扩展性、低温工艺特性，且与现有硅基工艺兼容，可集成于薄型及柔性太阳能电池中。