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科学家发现非晶硅的密度波动

HZB的团队首次使用BESSY II和BER II的X射线和中子散射技术,鉴定了分辨率为0.8纳米的非晶硅原子亚结构。这种a-Si:H薄膜已经在太阳能电池,TFT显示器和检测器中使用了数十年。结果表明,在非晶基质内形成了三个不同的相,这极大地影响了半导体层的质量和寿命。

硅不必一定是结晶的,但也可以制成非晶薄膜。在这种非晶态膜中,原子结构像在液体或玻璃中一样是无序的。如果在这些薄层的生产过程中引入了额外的氢,则会形成所谓的a-Si:H层。“这样的a-Si:H薄膜已经有数十年的历史了,并被用于各种应用,例如作为世界纪录的串联太阳能电池中的接触层HZB最近开发的由钙钛矿和硅制成的材料,” HZB的Klaus Lips教授解释说,“通过这项研究,我们证明a-Si:H绝不是均匀的非晶态材料。从空腔到极高阶的区域,无定形的基体散布着纳米尺寸的局部密度各异的区域。”

利普斯和他的团队与埃因霍温和代尔夫特工业大学合作,首次成功地通过实验观察和定量测量了不同生产的a-Si:H薄膜中的这些不均匀性。为此,他们结合了补充分析方法的结果来形成整体图景。

“我们通过在BESSY II处进行的X射线散射测量发现了a-Si:H层无序的纳米级顺序。然后我们能够通过前者的中子散射来确定非晶网络中氢原子的分布HZB站点Wannsee的BER II型研究堆。” Eike Gericke博士说。学生和论文的第一作者。在CCMS Corelab进行的电子显微镜检查和电子自旋共振(ESR)的测量提供了进一步的见解。

Gericke解释说:“我们能够发现纳米大小的空隙,这些空隙是由略多于10个缺失的原子形成的。这些空隙将自身排列成簇,彼此之间的重复距离约为1.6纳米。” 当以非常高的速率沉积a-Si:H层时,发现这些空隙的浓度增加。

研究人员还发现,与周围的无序材料相比,纳米级区域具有更高的有序性。这些密集有序域(DOD)几乎不含氢。Gericke解释说:“ DOD形成直径达15纳米的聚集体,并且可以在这里考虑的所有a-Si:H材料中找到。”

“ DOD区域已在2012年进行了理论预测,能够降低材料中的机械应力,从而有助于a-Si:H薄膜的稳定性。另一方面,空隙会促进半导体的电子降解如ESR测量所示。” Klaus Lips说。

现在发现的有关子结构的制造工艺的目标优化可以实现新的应用,例如可编程光子系统的光波导或未来的硅电池技术。最后但并非最不重要的一点是,这些发现还将有助于最终阐明光诱导a-Si:H太阳能电池降解的微观机制,这是40多年来科学界一直试图解决的难题之一。

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