Por primera vez, Un equipo de HZB ha identificado la subestructura atómica del silicio amorfo con una resolución de 0,8 nanómetros utilizando rayos X y dispersión de neutrones en BESSY II y BER II. Tales películas delgadas de a-Si:H se han utilizado durante décadas en células solares, Pantallas TFT, y detectores. Los resultados muestran que se forman tres fases diferentes dentro de la matriz amorfa, lo que influye drásticamente en la calidad y la vida útil de la capa semiconductora.

El silicio no tiene por qué ser cristalino, pero también se puede producir como una película delgada amorfa. En películas tan amorfas, la estructura atómica está desordenada como en un líquido o en un vaso. Si se incorpora hidrógeno adicional durante la producción de estas capas delgadas, se forman las denominadas capas a-Si:H. "Las películas delgadas de a-Si:H se conocen desde hace décadas y se utilizan para diversas aplicaciones, por ejemplo, como capas de contacto en células solares en tándem de récord mundial hechas de perovskita y silicio, desarrollado recientemente por HZB, "explica el profesor Klaus Lips de HZB." Con este estudio, mostramos que el a-Si:H no es de ninguna manera un material homogéneamente amorfo. La matriz amorfa está intercalada con áreas de tamaño nanométrico de densidad local variable, desde cavidades hasta áreas de orden extremadamente alto, "comenta el físico.

En cooperación con las universidades técnicas de Eindhoven y Delft, Lips y su equipo han logrado por primera vez observar experimentalmente y medir cuantitativamente estas inhomogeneidades en películas delgadas de a-Si:H producidas de manera diferente. Para hacer esto, combinaron los resultados de métodos analíticos complementarios para formar una imagen general.

"Encontramos un orden nanoscópico en el desorden de las capas a-Si:H mediante mediciones de dispersión de rayos X realizadas en BESSY II. Luego pudimos determinar la distribución de los átomos de hidrógeno en la red amorfa mediante la dispersión de neutrones en la primera reactor de investigación BER II en el sitio de HZB Wannsee, "dice Eike Gericke, Doctor. estudiante y primer autor del artículo. La microscopía electrónica realizada en el CCMS Corelab y las mediciones de la resonancia de espín electrónico (ESR) proporcionaron más información.

"Pudimos descubrir huecos de tamaño nanométrico, que son creados por poco más de 10 átomos faltantes. Estos vacíos se organizan en grupos con una distancia recurrente de aproximadamente 1,6 nanómetros entre sí, "explica Gericke. Estos vacíos se encuentran en concentraciones mayores cuando la capa de a-Si:H se ha depositado a una velocidad muy alta.

Los investigadores también encontraron regiones de tamaño nanométrico con un orden superior en comparación con el material desordenado circundante. Estos dominios densamente ordenados (DOD) apenas contienen hidrógeno. "Los DOD forman agregados de hasta 15 nanómetros de diámetro y se encuentran en todos los materiales a-Si:H considerados aquí, "explica Gericke.

"Las regiones DOD se predijeron teóricamente en 2012 y son capaces de reducir la tensión mecánica en el material y así contribuir a la estabilidad de la película delgada a-Si:H. Los vacíos, por otro lado, puede promover la degradación electrónica de las capas semiconductoras como lo indican las mediciones de ESR, "dice Klaus Lips.

La optimización dirigida de los procesos de fabricación con respecto a las subestructuras ahora descubiertas podría permitir nuevas aplicaciones, como guías de ondas ópticas para sistemas fotónicos programables o una futura tecnología de batería de silicio. Por último, si bien no menos importante, Los hallazgos también ayudarán a desentrañar finalmente el mecanismo microscópico de la degradación inducida por la luz de las células solares a-Si:H, uno de los acertijos que la comunidad científica intenta resolver desde hace más de 40 años.