Per la prima volta, un team di HZB ha identificato la sottostruttura atomica del silicio amorfo con una risoluzione di 0,8 nanometri utilizzando raggi X e diffusione di neutroni a BESSY II e BER II. Tali film sottili a-Si:H sono stati utilizzati per decenni nelle celle solari, display TFT, e rilevatori. I risultati mostrano che all'interno della matrice amorfa si formano tre diverse fasi, che influenza notevolmente la qualità e la durata dello strato semiconduttore.

Il silicio non deve essere cristallino, ma può anche essere prodotto come film sottile amorfo. In film così amorfi, la struttura atomica è disordinata come in un liquido o in un bicchiere. Se viene incorporato ulteriore idrogeno durante la produzione di questi strati sottili, si formano i cosiddetti strati a-Si:H. "Tali film sottili a-Si:H sono noti da decenni e vengono utilizzati per varie applicazioni, ad esempio come strati di contatto in celle solari tandem da record mondiale in perovskite e silicio, recentemente sviluppato da HZB, " spiega il Prof. Klaus Lips di HZB. "Con questo studio, mostriamo che a-Si:H non è affatto un materiale omogeneamente amorfo. La matrice amorfa è intervallata da aree di dimensioni nanometriche di densità locale variabile, da cavità a zone di altissimo ordine, " commenta il fisico.

In collaborazione con le Università Tecniche di Eindhoven e Delft, Lips e il suo team sono riusciti per la prima volta a osservare sperimentalmente e misurare quantitativamente queste disomogeneità in film sottili a-Si:H prodotti in modo diverso. Per fare questo, hanno combinato i risultati di metodi analitici complementari per formare un quadro generale.

"Troviamo un ordine nanoscopico nel disordine degli strati a-Si:H mediante misurazioni di diffusione dei raggi X eseguite a BESSY II. Siamo quindi stati in grado di determinare la distribuzione degli atomi di idrogeno nella rete amorfa mediante diffusione di neutroni nel primo reattore di ricerca BER II presso il sito HZB Wannsee, "dice Eike Gericke, dottorato di ricerca studente e primo autore del saggio. Ulteriori approfondimenti sono stati forniti dalla microscopia elettronica eseguita presso il CCMS Corelab e dalle misurazioni della risonanza di spin elettronico (ESR).

"Siamo stati in grado di scoprire vuoti di dimensioni nanometriche, che sono creati da poco più di 10 atomi mancanti. Questi vuoti si dispongono in cluster con una distanza ricorrente di circa 1,6 nanometri l'uno dall'altro, " spiega Gericke. Questi vuoti si trovano in concentrazioni aumentate quando lo strato a-Si:H è stato depositato a una velocità molto elevata.

I ricercatori hanno anche scoperto regioni di dimensioni nanometriche con un ordine superiore rispetto al materiale disordinato circostante. Questi domini densamente ordinati (DOD) contengono pochissimo idrogeno. "I DOD formano aggregati fino a 15 nanometri di diametro e si trovano in tutti i materiali a-Si:H qui considerati, " spiega Gerick.

"Le regioni DOD sono state previste teoricamente nel 2012 e sono in grado di ridurre lo stress meccanico nel materiale e quindi contribuire alla stabilità del film sottile a-Si:H. I vuoti d'altra parte, può promuovere il degrado elettronico degli strati semiconduttori come indicato dalle misurazioni ESR, "dice Klaus Lips.

L'ottimizzazione mirata dei processi di produzione per quanto riguarda le sottostrutture ora scoperte potrebbe consentire nuove applicazioni come guide d'onda ottiche per sistemi fotonici programmabili o una futura tecnologia delle batterie al silicio. Ultimo, ma non per importanza, i risultati aiuteranno anche a svelare finalmente il meccanismo microscopico della degradazione indotta dalla luce delle celle solari a-Si:H, uno degli enigmi che la comunità scientifica sta cercando di risolvere da oltre 40 anni.