Densitetsudsving i amorft silicium opdaget

For første gang, et hold ved HZB har identificeret den atomare understruktur af amorft silicium med en opløsning på 0,8 nanometer ved hjælp af røntgen- og neutronspredning ved BESSY II og BER II. Sådanne a-Si:H tynde film har været brugt i årtier i solceller, TFT-skærme, og detektorer. Resultaterne viser, at der dannes tre forskellige faser i den amorfe matrix, hvilket dramatisk påvirker kvaliteten og levetiden af ​​halvlederlaget.

Silicium behøver ikke at være krystallinsk, men kan også fremstilles som en amorf tynd film. I sådanne amorfe film, atomstrukturen er uorden som i en væske eller et glas. Hvis der inkorporeres yderligere brint under produktionen af ​​disse tynde lag, der dannes såkaldte a-Si:H-lag. "Sådanne a-Si:H tynde film har været kendt i årtier og bruges til forskellige applikationer, for eksempel som kontaktlag i verdensrekord tandem solceller lavet af perovskit og silicium, nyligt udviklet af HZB, " forklarer prof. Klaus Lips fra HZB. "Med denne undersøgelse, vi viser, at a-Si:H på ingen måde er et homogent amorft materiale. Den amorfe matrix er spækket med områder på størrelse med nanometer med varierende lokal tæthed, fra hulrum til områder af ekstremt høj orden, " kommenterer fysikeren.

I samarbejde med de tekniske universiteter i Eindhoven og Delft, Lips og hans team er for første gang lykkedes med eksperimentelt at observere og kvantitativt måle disse inhomogeniteter i forskelligt producerede a-Si:H tynde film. At gøre dette, de kombinerede resultaterne af komplementære analysemetoder for at danne et samlet billede.

"Vi finder en nanoskopisk rækkefølge i uorden i a-Si:H-lagene ved røntgenspredningsmålinger udført ved BESSY II. Vi var derefter i stand til at bestemme fordelingen af ​​brintatomerne i det amorfe netværk ved neutronspredning ved fhv. forskningsreaktor BER II på HZB-anlægget Wannsee, siger Eike Gericke, Ph.d. elev og førsteforfatter af papiret. Yderligere indsigt blev leveret af elektronmikroskopi udført på CCMS Corelab og målinger af elektronspinresonans (ESR).

"Vi var i stand til at opdage tomrum på nanometerstørrelse, som er skabt af lidt mere end 10 manglende atomer. Disse hulrum arrangerer sig i klynger med en tilbagevendende afstand på omkring 1,6 nanometer til hinanden, " forklarer Gericke. Disse hulrum findes i øgede koncentrationer, når a-Si:H-laget er blevet aflejret med en meget høj hastighed.

Forskerne fandt også områder i nanometerstørrelse med højere orden sammenlignet med det omgivende uordnede materiale. Disse tæt-ordnede domæner (DOD) indeholder næsten ingen brint. "DOD'erne danner aggregater på op til 15 nanometer i diameter og findes i alle de her betragtede a-Si:H-materialer, " forklarer Gericke.

"DOD-regionerne er teoretisk forudsagt i 2012 og er i stand til at reducere mekanisk belastning i materialet og dermed bidrage til stabiliteten af ​​a-Si:H tyndfilmen. Hulrummene derimod, kan fremme elektronisk nedbrydning af halvlederlagene som angivet ved ESR-målinger, siger Klaus Lips.

Målrettet optimering af fremstillingsprocesser med hensyn til de nu opdagede understrukturer kunne muliggøre nye applikationer såsom optiske bølgeledere til programmerbare fotoniske systemer eller en fremtidig siliciumbatteriteknologi. Sidst men ikke mindst, resultaterne vil også hjælpe til endelig at optrevle den mikroskopiske mekanisme af lys-induceret nedbrydning af a-Si:H solceller, et af de gåder, det videnskabelige samfund har forsøgt at løse i mere end 40 år.