För första gången, ett team på HZB har identifierat den atomära understrukturen av amorft kisel med en upplösning på 0,8 nanometer med hjälp av röntgen- och neutronspridning vid BESSY II och BER II. Sådana a-Si:H tunna filmer har använts i decennier i solceller, TFT-skärmar, och detektorer. Resultaten visar att tre olika faser bildas inom den amorfa matrisen, vilket dramatiskt påverkar kvaliteten och livslängden för halvledarskiktet.

Kisel behöver inte vara kristallint, men kan även produceras som en amorf tunn film. I sådana amorfa filmer, atomstrukturen är störd som i en vätska eller ett glas. Om ytterligare väte införlivas under produktionen av dessa tunna skikt, så kallade a-Si:H-skikt bildas. "Sådana a-Si:H tunna filmer har varit kända i decennier och används för olika applikationer, till exempel som kontaktlager i världsrekord tandemsolceller av perovskit och kisel, nyligen utvecklad av HZB, " förklarar prof. Klaus Lips från HZB. "Med denna studie, vi visar att a-Si:H inte på något sätt är ett homogent amorft material. Den amorfa matrisen är varvas med nanometerstora områden med varierande lokal täthet, från håligheter till områden av extremt hög ordning, " kommenterar fysikern.

I samarbete med de tekniska universiteten i Eindhoven och Delft, Lips och hans team har för första gången lyckats experimentellt observera och kvantitativt mäta dessa inhomogeniteter i olika producerade a-Si:H tunna filmer. Att göra detta, de kombinerade resultaten av kompletterande analytiska metoder för att bilda en helhetsbild.

"Vi finner en nanoskopisk ordning i störningen av a-Si:H-skikten genom röntgenspridningsmätningar utförda vid BESSY II. Vi kunde sedan bestämma fördelningen av väteatomerna i det amorfa nätverket genom neutronspridning vid f.d. forskningsreaktor BER II vid HZB-anläggningen Wannsee, säger Eike Gericke, Ph.D. student och första författare till tidningen. Ytterligare insikter gavs av elektronmikroskopin utförd på CCMS Corelab och mätningar av elektronspinresonans (ESR).

"Vi kunde upptäcka nanometerstora tomrum, som skapas av drygt 10 saknade atomer. Dessa tomrum ordnar sig i kluster med ett återkommande avstånd på cirka 1,6 nanometer till varandra, " förklarar Gericke. Dessa tomrum finns i ökade koncentrationer när a-Si:H-skiktet har avsatts i mycket hög hastighet.

Forskarna fann också nanometerstora regioner med högre ordning jämfört med det omgivande oordnade materialet. Dessa tätt ordnade domäner (DOD) innehåller knappt något väte. "DOD:erna bildar aggregat med upp till 15 nanometer i diameter och finns i alla a-Si:H-material som beaktas här, " förklarar Gericke.

"DOD-regionerna har teoretiskt förutsagts 2012 och kan minska mekanisk spänning i materialet och därmed bidra till stabiliteten hos den a-Si:H-tunna filmen. Hålrummen å andra sidan, kan främja elektronisk nedbrytning av halvledarskikten som indikeras av ESR-mätningar, säger Klaus Lips.

Riktad optimering av tillverkningsprocesser med avseende på de understrukturer som nu upptäckts skulle kunna möjliggöra nya applikationer som optiska vågledare för programmerbara fotoniska system eller en framtida kiselbatteriteknologi. Sist men inte minst, fynden kommer också att hjälpa till att slutligen reda ut den mikroskopiska mekanismen för ljusinducerad nedbrytning av a-Si:H-solceller, ett av de pussel som forskarvärlden har försökt lösa sedan mer än 40 år.