Sintonización de morfologías puntiagudas en silicio mediante procesado sostenible por láser de femtosegundos en aire para una mejor absorción de luz.
- Investigadores españoles desarrollan un método de procesado con láser de femtosegundos para producir silicio negro en aire con una absorción superior al 94% entre el ultravioleta y el infrarrojo cercano, sin necesidad del uso de gases de efecto invernadero.
- El estudio demuestra además la capacidad de ajustar el tamaño y forma de las estructuras de silicio texturizado y recuperar la cristalinidad del material mediante un proceso de recocido, abriendo nuevas vías para aplicaciones fotovoltaicas y optoelectrónicas sostenibles.
Madrid / 21 de enero de 2025
Un equipo de investigadores del Instituto de Óptica «Daza de Valdés» (IO-CSIC) y de la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM ha publicado un nuevo estudio en Applied Surface Science en el que desarrollan un nuevo método sostenible para mejorar la absorción de luz del silicio, utilizando procesado láser de femtosegundos sin emplear gases de efecto invernadero.
Este avance se consigue gracias a la texturización de la superficie del semiconductor (originando estructuras cónicas) y su posterior recocido mediante láser pulsado o recocido térmico rápido, para recuperar su fase cristalina.
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El estudio destaca la posibilidad de controlar el tamaño, la forma y el período de los picos, y conseguir valores de absorción superiores al 94% en el rango espectral UV-VIS-NIR trabajando en aire atmosférico, sin necesidad de hiperdopar el material ni llevar a cabo un control exhaustivo de la presión en torno al material. Este método ofrece una alternativa sostenible a los procesos actuales que sí utilizan gases de efecto invernadero para texturizar e hiperdopar el material.
El procesado láser es una herramienta poderosa para cambiar las propiedades de la superficie de diversos materiales. Al alterar la topografía de la superficie, se puede modificar la funcionalidad de los materiales para aplicaciones en campos como la coloración estructural, la mojabilidad, la biomedicina o la fotovoltaica.
La interacción de la luz láser incidente con ondas superficiales (originadas por dispersión o excitación sobre el silicio) crea una distribución de intensidad modulada que se imprime en el material, generando estructuras periódicas superficiales de tamaño nano o micrométrico (LIPSS). Estas estructuras pueden adoptar diversas formas, como ondulaciones, surcos o picos, dependiendo de las condiciones del procesado.
Uno de los principales problemas que limitan la eficiencia del silicio utilizado en aplicaciones optoelectrónicas y fotovoltaicas es su alta reflectividad, por lo que se suele procesar para conseguir silicio negro, pero usualmente las técnicas de procesado láser pensadas para generar silicio negro requieren de atmósferas especiales cuya composición cuenta con gases de efecto invernadero.
La texturización de la superficie para lograr estructuras en forma de picos alargados se ha propuesto para aumentar la absorción de luz forzando reflexiones múltiples de los fotones incidentes. Esto permite obtener valores muy bajos de reflectividad, lo que confiere al material una apariencia negra causante de que se le denomine «silicio negro» (BSi). Sin embargo, el procesamiento tradicional de silicio negro suele necesitar el uso de gases de efecto invernadero, como el SF6, que es perjudicial para el medio ambiente.
Este estudio explora un método alternativo para la texturización de silicio utilizando un procesamiento láser de femtosegundos en aire atmosférico normal para crear las estructuras puntiagudas (SSi, del inglés “spiky silicon”), que aumentan la absorción de luz sin necesidad de que la industria contamine.
En este estudio, se utilizaron láminas comerciales de silicio monocristalino tipo p, dopadas con boro, que fueron procesadas con un láser de fibra dopada con iterbio que emite pulsos de femtosegundos a una longitud de onda de 1030 nm. El procesado se realizó al aire, utilizando un sistema de escaneo galvanométrico para deflectar el haz láser sobre la superficie del silicio. A fin de evitar la interacción del haz con el humo producido en la irradiación, el escaneo se hizo de arriba a abajo, con la polarización del láser perpendicular a la dirección de escaneo. Los investigadores exploraron la influencia de tres parámetros principales del láser: la fluencia (F), el número efectivo de pulsos (Neff) y la tasa de repetición del láser (frep).
Artículo: Gonzalo Gomez-Munoz, Rafael Benítez-Fernández, Guillermo Godoy-Perez, Fatima Cabello, Marina Garcia-Pardo, Daniel Caudevilla, Jose Gonzalo, Javier Solis, Mario Garcia-Lechuga, Javier Olea, David Pastor, Jan Siegel “Tuning spike-like morphologies in Silicon by sustainable fs-laser processing in air for enhanced light absorption”. Applied Surface Science, 686, art. no. 161967.
Comunicación IO-CSIC
cultura.io@io.cfmac.csic.es
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