The nanostructuring of silicon surfaces—known as black silicon—is a promising approach to eliminate front-surface reflection in photovoltaic devices without the need for a conventional antireflection coating. This might lead to both an increase in efficiency and a reduction in the manufacturing costs of solar cells. However, all previous attempts to integrate black silicon into solar cells have resulted in cell efficiencies well below 20% due to the increased charge carrier recombination at the nanostructured surface. Here, we show that a conformal alumina film can solve the issue of surface recombination in black silicon solar cells by providing excellent chemical and electrical passivation. We demonstrate that efficiencies above 22% can be reached, even in thick interdigitated back-contacted cells, where carrier transport is very sensitive to front surface passivation. This means that the surface recombination issue has truly been solved and black silicon solar cells have real potential for industrial production. Furthermore, we show that the use of black silicon can result in a 3% increase in daily energy production when compared with a reference cell with the same efficiency, due to its better angular acceptance. A power conversion efficiency of 22% is achieved in black silicon back-contacted solar cells through passivation of the nanostructured surface by a conformal alumina layer.

Nanostructured silicon can reduce reflectance loss in optoelectronic applications, but intrinsic silicon cannot absorb photons with energy below its 1.1 eV bandgap. However, incorporating a high concentration of dopants, i.e., hyperdoping, to nanostructured silicon is expected to bring broadband absorption ranging from UV to short‐wavelength IR (SWIR, <2500 nm). In this work, we prepare nanostructured silicon using cryogenic plasma etching, which is then hyperdoped with selenium (Se) through ion implantation. Besides sub‐bandgap absorption, ion implantation forms crystal damage, which can be recovered through flash lamp annealing. We study crystal damage and broadband (250–2500 nm) absorption from planar and nanostructured surfaces. We first show that nanostructures survive ion implantation hyperdoping and flash lamp annealing under optimized conditions. Secondly, we demonstrate that nanostructured silicon has a 15% higher sub‐bandgap absorption (1100–2500 nm) compared to its non‐hyperdoped nanostructure counterpart while maintaining 97% above‐bandgap absorption (250–1100 nm). Lastly, we simulate the sub‐bandgap absorption of hyperdoped Si nanostructures in a 2D model using the finite element method. Simulation results show that the sub‐bandgap absorption is mainly limited by the thickness of the hyperdoped layer rather than the height of nanostructures.

Even though efficient near-infrared (NIR) detection is critical for numerous applications, state-of-the-art NIR detectors either suffer from limited capability of detecting incoming photons, i.e., have poor spectral responsivity, or are made of expensive group III-V non-CMOS compatible materials. Here we present a nanoengineered PIN-photodiode made of CMOS-compatible germanium (Ge) that achieves a verified external quantum efficiency (EQE) above 90% over a wide wavelength range (1.2-1.6 µm) at zero bias voltage at room temperature. For instance, at 1.55 µm, this corresponds to a responsivity of 1.15 A/W. In addition to the excellent spectral responsivity at NIR, the performance at visible and ultraviolet wavelengths remains high (EQE exceeds even 100% below 300 nm) resulting in an exceptionally wide spectral response range. The high performance is achieved by minimizing optical losses using surface nanostructures and electrical losses using both conformal atomic-layer-deposited aluminum oxide surface passivation and dielectric induced electric field -based carrier collection instead of conventional pn-junction. The dark current density of 76 µA/cm

Hyperdoped germanium (Ge) has demonstrated increased sub-bandgap absorption, offering potential applications in the short-wavelength-infrared spectrum (1.0–3.0 μm). This study employs ion implantation to introduce a high concentration of selenium (Se) into Ge and investigates the effects of post-implantation annealing techniques on the recovery of implantation damage and alterations in optical properties. We identify optimal conditions for two distinct annealing techniques: rapid thermal annealing (RTA) at a temperature of 650 °C and ultrafast laser heating (ULH) at a fluence of 6 mJ/cm2. The optimized ULH process outperforms the RTA method in preserving high doping profiles and achieving a fourfold increase in sub-bandgap absorption. However, RTA leads to regrowth of single crystalline Ge, while ULH most likely leads to polycrystalline Ge. The study offers valuable insights into the hyperdoping processes in Ge for the development of advanced optoelectronic devices.