В сотрудничестве с техническими университетами Эйндховена и Делфта Липсу и его команде впервые удалось экспериментально наблюдать и количественно измерить эти неоднородности в тонких пленках a-Si: H, полученных по-разному. Для этого они объединили результаты дополнительных аналитических методов, чтобы сформировать общую картину.
«Мы обнаружили наноскопический порядок в беспорядке слоев a-Si: H с помощью измерений рассеяния рентгеновских лучей, выполненных на BESSY II. Затем мы смогли определить распределение атомов водорода в аморфной сети с помощью рассеяния нейтронов на бывшем исследовательском реакторе BER II на площадке HZB в Ванзее », – говорит Эйке Герике, аспирант и первый автор статьи.
Дополнительная информация была предоставлена с помощью электронной микроскопии, выполненной в CCMS Corelab, и измерений электронного спинового резонанса (ESR).
«Нам удалось обнаружить пустоты нанометрового размера, которые образованы чуть более чем 10 недостающими атомами. Эти пустоты объединяются в кластеры с повторяющимся расстоянием около 1.6 нанометров друг к другу ", – поясняет Герике.
Эти пустоты обнаруживаются в повышенных концентрациях, когда слой a-Si: H осаждается с очень высокой скоростью.
Исследователи также обнаружили области нанометрового размера с более высоким порядком по сравнению с окружающим неупорядоченным материалом. Эти плотно упорядоченные домены (DOD) практически не содержат водорода. «DOD образуют агрегаты диаметром до 15 нанометров и встречаются во всех рассматриваемых здесь материалах a-Si: H», – объясняет Герике.
«Области DOD были теоретически предсказаны в 2012 году и способны снизить механическое напряжение в материале и, таким образом, внести свой вклад в стабильность тонкой пленки a-Si: H. С другой стороны, пустоты могут способствовать электронной деградации полупроводниковых слоев, на что указывают измерения ESR », – говорит Клаус Липс.
Целенаправленная оптимизация производственных процессов в отношении обнаруженных в настоящее время подструктур может открыть новые области применения, такие как оптические волноводы для программируемых фотонных систем или будущая технология кремниевых батарей.
И последнее, но не менее важное: результаты также помогут наконец разгадать микроскопический механизм индуцированной светом деградации солнечных элементов a-Si: H, одной из загадок, которую научное сообщество пытается решить вот уже более 40 лет.