Pela primeira vez, uma equipe do HZB identificou a subestrutura atômica do silício amorfo com uma resolução de 0,8 nanômetros usando raios-X e espalhamento de nêutrons em BESSY II e BER II. Esses filmes finos de a-Si:H têm sido usados ​​há décadas em células solares, Monitores TFT, e detectores. Os resultados mostram que três fases diferentes se formam dentro da matriz amorfa, o que influencia dramaticamente a qualidade e a vida útil da camada semicondutora.

O silício não precisa ser cristalino, mas também pode ser produzido como um filme fino amorfo. Em tais filmes amorfos, a estrutura atômica é desordenada como em um líquido ou vidro. Se hidrogênio adicional for incorporado durante a produção dessas camadas finas, as chamadas camadas a-Si:H são formadas. "Esses filmes finos de a-Si:H são conhecidos há décadas e são usados ​​para várias aplicações, por exemplo, como camadas de contato em células solares em tandem, recorde mundial, feitas de perovskita e silício, recentemente desenvolvido pela HZB, "explica o Prof. Klaus Lips da HZB." Com este estudo, mostramos que o a-Si:H não é de forma alguma um material homogeneamente amorfo. A matriz amorfa é intercalada com áreas de tamanho nanométrico de densidade local variável, de cavidades a áreas de ordem extremamente alta, "comenta o físico.

Em cooperação com as Universidades Técnicas de Eindhoven e Delft, Lips e sua equipe tiveram sucesso pela primeira vez na observação experimental e na medição quantitativa dessas inomogeneidades em filmes finos a-Si:H produzidos de maneira diferente. Para fazer isso, eles combinaram os resultados de métodos analíticos complementares para formar um quadro geral.

"Encontramos uma ordem nanoscópica na desordem das camadas a-Si:H por medidas de espalhamento de raios-X realizadas em BESSY II. Fomos então capazes de determinar a distribuição dos átomos de hidrogênio na rede amorfa por espalhamento de nêutrons na primeira reator de pesquisa BER II no local do HZB Wannsee, "diz Eike Gericke, Ph.D. aluno e primeiro autor do artigo. Informações adicionais foram fornecidas pela microscopia eletrônica realizada no CCMS Corelab e medições de ressonância de spin eletrônico (ESR).

"Conseguimos descobrir vazios do tamanho de nanômetros, que são criados por um pouco mais de 10 átomos ausentes. Esses vazios se organizam em aglomerados com uma distância recorrente de cerca de 1,6 nanômetro entre si, "explica Gericke. Esses vazios são encontrados em concentrações aumentadas quando a camada a-Si:H foi depositada em uma taxa muito alta.

Os pesquisadores também encontraram regiões de tamanho nanométrico com ordem superior em comparação com o material desordenado circundante. Esses domínios densamente ordenados (DOD) quase não contêm hidrogênio. "Os DODs formam agregados de até 15 nanômetros de diâmetro e são encontrados em todos os materiais a-Si:H considerados aqui, "explica Gericke.

"As regiões DOD foram teoricamente previstas em 2012 e são capazes de reduzir o estresse mecânico no material e, assim, contribuir para a estabilidade do filme fino a-Si:H. Os vazios, por outro lado, pode promover a degradação eletrônica das camadas semicondutoras, conforme indicado pelas medições ESR, "diz Klaus Lips.

A otimização direcionada dos processos de fabricação em relação às subestruturas agora descobertas pode permitir novas aplicações, como guias de ondas ópticas para sistemas fotônicos programáveis ​​ou uma futura tecnologia de bateria de silício. Por último mas não menos importante, as descobertas também ajudarão a finalmente desvendar o mecanismo microscópico de degradação induzida pela luz de células solares a-Si:H, um dos quebra-cabeças que a comunidade científica tenta resolver há mais de 40 anos.