Name: 태양 전지의 다중 모달 엑스레이 현미경 검사법에 대한 X 선 빔 유도 전류 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 17 s
Description: 배우세요 태양 전지의 다중 모달 엑스레이 현미경 검사법에 대한 X선 빔 유도 전류 측정 방법을. 로크인 증폭을 활용한 신호 대 잡음비 최적화 기술을 익혀 반도체 소자의 전하 수집 효율을 정밀 분석하세요.

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우리는 제이 개레보엣, M. 세이리히, A. 슈롭, D. 브뤼크너, J. Hagemann, K. Spiers, 그리고 도이치 엘렉트로넨-싱크로트론(DESY) 및 A. 콜디츠, J. 시벨스, J. 플뤼게, C. 스렐로, T. 스르트로, T. 함부르크 의 T. 보에스 출신의 제이 개레보엣, 엠 세이리히, A. 슈롭, D. 브뤼크너, J. Hagemann, K. Spiers, T. Boese를 크게 인정합니다. 페트라 III, DESY에서 빔 라인 P06에서 측정을 지원; M. 홀트, Z. 카이, M. 체루카라, 그리고 아르곤 국립 연구소에서 V. 로즈 (ANL) ANL에서 고급 광자 소스에서 빔 라인 26-ID-C에서 측정을 지원하기위한 (APS) ESRF의 빔라인 ID16B에서 측정을 지원하기 위한 유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF)의 D. 살로몬 및 R. 투쿨루; 미아솔레 하이테크 코퍼레이션의 R. Farshchi, D. 포플라브키, J. 베일리, E. 아반치니, Y. 로마누크, S. 뷔첼러, 그리고 태양전지를 제공하기 위한 스위스 연방 재료 과학 기술 연구소(EMPA)의 티와리. 헬름홀츠 협회 HGF 회원인 DESY(독일 함부르크)는 실험 시설 제공을 인정합니다. 우리는 싱크로트론 방사선 시설의 제공을위한 유럽 싱크로트론 방사선 시설 (그르노블, 프랑스)을 인정합니다. 이 연구는 고급 광자 소스의 자원을 사용, 에너지의 미국 학과 (DOE) 과학 사용자 시설의 사무실은 계약 번호에 따라 아르곤 국립 연구소에 의해 과학의 DOE 사무실을 위해 운영. DE-AC02-06CH11357.

1. 측정 환경 설정
<ol><li>잠금 증폭 XBIC 측정에 대한 요구 사항
	<ol>
<li>나노 또는 마이크로 초점 X 선 빔 라인: 다음을 사용할 수 있는지 확인; 주기적으로 X 선의 대부분을 흡수 하는 X 선 헬기; PA; LIA; 헬기, PA 및 LIA의 원격 제어를위한 모듈; 데이터 수집(DAQ) 시스템; DUT.</li>
	</ol></li>
	<li>샘플 홀더 제작
	<ol>
<li>샘플 홀더에 운동학적 베이스를 사용합니다. 이를 통해 샘플을 마이크로미터 정밀도 내에 재배치할 수 있으며 귀중한 빔 타임을 절약할 수 있습니다. 또한 다양한 마운팅 시스템을 통해 다양한 측정 플랫폼에서 시료를 배치할 수 있습니다.</li>
		<li>X선 투명 시료 및 SAXS 또는 WAXS와 같은 측정 기술과도 호환되는 동시에 시료 홀더를 시료 주변의 근접에 최대한 자유롭게 배치할 수 있도록 설계합니다. 일반적으로 이는 최소 샘플 홀더 크기, 나노미터 스케일까지의 강성 및 경량으로 변환됩니다.</li>
		<li>XBIC 측정을 위한 전자 장치용 마운트로 사용할 인쇄 회로 기판(PCB)을 설계합니다. 동축 케이블에 직접 연결되는 전용 PCB는 엄격하게 말할 필요는 없지만 와이어가 안테나 역할을하는 느슨한 배선에 비해 잡음의 감소에 상당한 역할을 할 수 있습니다. 참고: 패러데이 케이지는 전자기장에서 시료를 보호하는 것이 이상적입니다. 그러나 대부분의 경우 측정 형상과 호환되지 않습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>샘플 접촉
	<ol>
<li>PCB에 전자 DUT를 붙입니다. DUT의 나중에 제거하기위한 재료 및 요구 사항에 따라 매니큐어, 인스턴트 접착제, 복합 접착제 또는 실리콘 접착제를 사용하는 것이 좋습니다.</li>
		<li>장착 부품이나 배선이 입사X선 빔을 차단하지 않도록 하거나 XRF 측정과 같은 다른 검출기의 시야를 방해하지 않도록 하십시오.</li>
		<li>DUT의 두 터미널에 연락하십시오. 참고: 전자 장치에 접촉하는 다양한 방법이 있으며, 가장 좋은 선택은 특정 샘플 특성에 따라 달라지며, 접착력, 화학적 또는 기계적 저항, 사용 가능한 공간은 하나 또는 다른 접촉 방법에 대한 인수입니다.</li>
		<li>전면 접점(입사X선 빔을 향한 업스트림 접점)을 동축 케이블의 차폐막과 연결합니다.</li>
		<li>백 접점(다운스트림 접점)을 동축 케이블의 코어와 연결합니다.</li>
		<li>전면 접점(동축 케이블의 차폐)을 접지합니다. 참고: 들어오는 빔은 DUT에서 전자의 배출로 이어지며, 이는 측정 회로의 보정 전류로 이어져 XBIC로 쉽게 잘못 해석됩니다. 따라서, 전면 접촉은 항상 접지되어야한다23. 잠재적인 변형을 최소화하기 위해 다양한 접지 방법을 테스트해야 할 수도 있습니다.</li>
		<li>그림 2는 운동용 베이스, 알루미늄 홀더 및 두 동축 커넥터 중 하나에 연결된 태양전지가 있는 PCB로 구성된 샘플 홀더의 예로 간주합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>시료 및 검출기 배치
	<ol>
<li>샘플을 홀더에 장착합니다.</li>
		<li>샘플 홀더를 샘플 스테이지에 장착합니다.</li>
		<li>스테이지의 회전 중심을 X선 빔의 초점에 배치합니다.</li>
		<li>샘플을 회전 단계의 회전 중심에 놓습니다.</li>
		<li>관심 평면이 입사 빔에 수직이되도록 스테이지를 회전하여 빔 발자국을 최소화하고 공간 해상도를 최대화합니다.</li>
		<li>다중 모달 측정의 경우 검출기(들)를 샘플 주위에 놓습니다. 참고: X선 광학에 따라 시료의 상류에 검출기를 배치할 여지가 거의 없습니다. 비X선 투명 시료의 경우 형광 검출기는 10-20° 각도로 X선 초점 포인트를 시료 평면에 보고 하여 관심 있는 요소와 산란에서 개수에 대한 자가 흡수가 최소화되도록 해야 합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>헬기 설치
	<ol>
<li>시료의 상류에 X선 빔으로 수직으로 이동할 수 있는 전동 스테이지를 장착합니다. 참고: 이 전동 단계는 필요하지 않지만, 오두막에 들어가지 않고 X선 빔안팎으로 헬기를 이동시켜 더 높은 처리량과 안정성을 가능하게 합니다.</li>
		<li>들어오는 신호를 조절하기 위해 전동 단계에 광학 헬기를 설치합니다. 참고: 이상적으로, 헬기는 각각 모터 또는 공기 난기류에 의한 X선 광학 또는 시료의 진동을 유발하지 않도록 시료의 상류에 배치됩니다. 그럼에도 불구하고, 100 nm 이하의 진동 진폭으로 좋은 결과를 얻었으며, 6kHz에서 자르면서 도퍼 휠이 시료에 10mm 에 가깝습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>배경 조명 의 감소
	<ol>
<li>가능하면 오두막의 광원을 끄고 LIA 및 헬기 휠 컨트롤러의 작은 조명을 포함하여 다른 모든 것을 보호하십시오. 일부 빔라인에는 오두막을 검색할 때 켜지는 조명이 있습니다. 그러나 측정 중에 이 표시등이 켜져 있지 않아야 합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. XBIC 측정 설정
<ol><li>필요한 하드웨어 구성 요소 및 배선의 회로도 표현은 그림 1을 참조하십시오.</li>
	<li>프리 앰프 설정
	<ol>
<li>샘플 가까이에 PA를 배치합니다. 참고: 일부 IA에는 통합 PA가 함께 제공됩니다. 이 경우 PA 설정은 LIA에 대한 설정과 유사한 방식으로 적용됩니다.</li>
		<li>PA를 오두막 외부의 제어 장치에 연결하여 오두막에 들어가지 않고도 증폭 설정을 원격으로 변경할 수 있습니다. 이상적으로 제어 장치는 빔라인 제어에 연결되고 PA 설정이 자동으로 기록됩니다.</li>
		<li>깨끗한 전원 회로에서 PA에 전원을 공급합니다. 참고: 진공 펌프와 같은 장치는 전력 회로를 오염시킬 수 있으므로 전력 공급 장치의 변형을 측정 신호로 전송할 수 있는 PA 및 LIA와 같은 고정밀 전자 장치와 별도로 전원을 공급해야 합니다. 이러한 이유로 빔라인은 일반적으로 깨끗하고 오염된 전력 회로를 가지고 있습니다. 많은 앰프가 배터리로 작동할 수도 있습니다.</li>
		<li>샘플 마운트의 BNC 커넥터를 통해 샘플을 연결합니다.</li>
		<li>시료 배선이 시료 이동을 제한하지 않도록 변형 완화되었는지 확인합니다.</li>
		<li>XBIC 신호가 단락 조건에서 측정되지 않는 경우 PA를 통해 바이어스 전압을 적용합니다. XBIV 신호가 개방 회로 조건에서 측정되어야 하는 경우 바이어스 전압을 적용하지 마십시오.</li>
		<li>측정 조건(즉, 일반적으로 어두운 상태)과 작업 조건(예: 실내 조명 및 빔라인 현미경 조명이 켜진 경우)에서 DUT의 신호 진폭을 측정하여 신호 범위를 테스트합니다.</li>
		<li>DUT의 신호 진폭이 PA의 입력 범위와 일치하는지 확인하고, 과포화가 PA를 파괴할 수 있기 때문에 높은 신호 조건(예: 실내 조명 켜짐)에서 과포화를 피하기 위한 예방 조치를 취합니다.</li>
		<li>PA의 감도가 출력 범위와 LIA의 입력 범위와 일치하는지 확인합니다. 우발적인 과포화를 피하기 위해 측정이 진행될 때마다 PA의 증폭을 최소 감도로 유지하는 것이 좋습니다.</li>
		<li>DUT를 PA에 연결합니다. 작은 신호 진폭을 감안할 때 배선을 짧게 유지하는 것이 중요합니다. 참고: XBIC 신호를 전달하는 케이블은 잡음을 유발할 수 있기 때문에 다른 케이블과 얽혀서는 안 됩니다. 소음의 근원은 XRF에 사용되는 스캐닝 단계 및 검출기를 포함합니다. 잡음을 최소화하기 위해 다양한 와이어 위치를 테스트할 수 있습니다. 추가 소음 감소를 위해, 와이어는 접지 알루미늄 호일에 래핑 될 수있다 또는 삼축 케이블을 사용할 수 있습니다.</li>
		<li>미리 증폭된 신호를 세 개의 병렬 신호 분기로 분할하여 DC(양수 및 음수) 및 변조된 AC 구성 요소를 별도로 기록합니다. 참고: 대체 신호 경로는 토론 섹션의 일부 (a)에 언급되어 있습니다.</li>
		<li>두 개의 신호 분기를 전압 대 주파수(V2F) 컨버터에 연결하면 그 중 하나는 역입력 신호 범위가 있어 음의 DC 신호를 수락합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>잠금 증폭기의 전기 설정
	<ol>
<li>LIA를 오두막 외부의 제어 장치에 연결하여 오두막에 들어가지 않고도 증폭 설정을 원격으로 변경할 수 있습니다. 이상적으로 제어 장치는 빔라인 제어에 연결되고 LIA 설정이 자동으로 기록됩니다.</li>
		<li>깨끗한 전원 회로에서 LIA에 전원을 공급하고 시끄러운 기기에서 멀리 떨어져 보관하십시오.</li>
		<li>과포화로 인해 LIA가 손상될 수 있기 때문에 PA의 출력이 모든 조건에서 LIA의 입력과 일치하는지 확인합니다. 우발적인 과포화를 피하기 위해 측정이 진행될 때마다 LIA 입력 범위를 최대로 유지하는 것이 좋습니다.</li>
		<li>광학 다지기의 변조 주파수를 참조 신호로 LIA에 공급합니다. 참고: 참조 주파수는 LIA의 발진기에 의해 제공될 수 있으며, 헬기를 구동하여 원격으로 제어하거나 LIA에 대한 참조로 헬기 컨트롤러에서 입력할 수 있습니다. 둘 다의 조합도 가능합니다.</li>
		<li>미리 증폭된 XBIC 신호의 세 번째 분기를 LIA 입력에 연결합니다.</li>
		<li>잠금 증폭 신호의 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> 루트 평균 제곱(RMS) 진폭을 DUT의 아날로그 AC 신호로 출력합니다. 참고: <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img>  항상 양수처럼 V2F 컨버터의 신호 입력이 음수가 아닌 한 한 분기의 신호 분할과 반전이 필요하지 않습니다. 위상 정보도 기록되어야 하는 경우 위상 구성 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001q.jpg"> 요소 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img> 또는 위상 구성 요소 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001x.jpg"> 및 사분면 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001y.jpg"> </img>구성 요소 외에 위상을 출력하는 것이 좋습니다.</li>
		<li>LIA의 출력을 세 번째 V2F 채널에 연결합니다.</li>
		<li>V2F 컨버터를 DAQ 장치 및 빔라인 소프트웨어에 연결하여 세 개의 XBIC 신호 구성 요소를 해당 시간 및 픽셀 정보와 함께 저장합니다. 참고: XBIC DAQ를 위한 V2F 컨버터에 대한 대체 방법이 있습니다. 예를 들어 PA 및 LIA의 전압 출력을 직접 디지털화하거나 증폭기의 디지털 판독을 빔라인 제어 시스템에 통합할 수 있습니다. 그러나 V2F 컨버터는 일반적으로 사용할 수 있기 때문에 제시된 접근 방식은 대부분의 싱크로트론 빔라인과 호환됩니다.</li>
	</ol></li>
</ol>3. XBIC 측정
<ol><li>적합한 XBIC 측정 조건 선택
	<ol>
<li>원고의 후반부에서 설명한 것처럼 스캔 속도, 헬기 주파수 및 로우 패스 필터 설정의 장단점에 주의하십시오.</li>
	</ol></li>
	<li>XBIC 측정 파라미터 최적화
	<ol>
<li>DUT가 오두막의 모든 조명으로부터 보호되어 있는지 확인하십시오.</li>
		<li>PA 및 LIA의 모든 증폭을 최소로 설정하고 입력 범위를 최대값으로 설정하여 과포화를 방지합니다.</li>
		<li>신호의 변조 주파수인 헬기의 주파수와 그 복조에 대한 기준 주파수를 설정합니다. 참고: 일반적으로 선택된 주파수는 (a) DUT의 충분한 응답 속도, (b) 충분히 빠른 증폭 체인, (c) 헬기에 의해 유도된 허용 가능한 진동 수준의 제약 하에서 가능한 한 높아야 합니다. 또한 50/60 Hz 또는 45kHz와 같은 일반적인 노이즈 주파수의 배수인 주파수는 피해야 합니다.</li>
		<li>(a) 최대 출력 진폭이 LIA의 최대 입력 범위 내에 있고 (b) PA의 응답이 선택된 초퍼 주파수에 대해 충분히 빠르되도록 PA의 증폭을 설정한다. 이 절충의 증폭기 설정을 최적화하려면 토론 섹션의 하위 섹션 (b)을 참조하십시오. 주의: DUT에 더 많은 광자를 허용하기 전에(예: 허치에 들어갈 때) 증폭기를 최대 입력 범위와 최소 증폭으로 설정하여 과부하를 방지합니다. 이상적으로는 검색 명령에서 직접 구현됩니다.</li>
		<li>관심 영역에 대한 사전 증폭 후 신호 진폭을 가장 강한 신호와 일치하도록 LIA의 입력 범위를 설정합니다.</li>
		<li>LIA에서, 대표적인 결과의 소부(c)에서 논의된 바와 같이, 다기및 90° 위상 시프트 기준 신호로부터의 기준 신호와 DUT로부터의 신호를 분할 및 혼합한다.</li>
		<li>LIA의 로우 패스 필터 주파수를 스캔 속도와 호환되는 최소값으로 설정합니다. 참고: 일반적으로 도마 빈도 보다 최소한 크기 순서와 샘플링 속도 보다 큰 순서로 설정합니다. 이상적으로, 낮은 패스 필터 주파수는 일반적인 노이즈 주파수가 전달되지 않도록 선택되어야한다, 가장 중요한 아래 50/60 Hz에서 그리드 주파수를 차단합니다. 자세한 내용은 대표 결과의 하위 섹션(e)을 참조하십시오.</li>
		<li>잠금 증폭 신호의 아날로그 출력에 대한 증폭 스케일을 설정하여 V2F의 입력 범위와 일치하고 이를 초과하지 않도록 합니다.</li>
		<li>포화를 방지하기 위해 다음 장치의 입력 범위에 따라 증폭기 출력에 대한 소프트 또는 하드웨어 제한을 설정합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>XBIC 측정 참고: XBIC 측정에 적합한 증폭 파라미터가 설정되고 자동 제어 및 판독이 구현되어 있어 스캔 시작 과 별도로 XBIC 측정을 수행하는 데 필요한 추가 조치가 없습니다.</li>
	<li>XBIC 데이터의 사후 처리
	<ol><li>DUT에서 데이터 수집 장치로 신호 체인을 따라 이동하여 신호가 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq5v2.jpg"> 개수 속도(Hz)로 저장되어 카운트 속도를 다시 전류로 변환합니다.<ol>
<li>신호(암페어로 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq6v2.jpg"> 측정)가 증폭되고 전압으로 변환되는 PA에서 증폭 계수(V/A)를 가져옵니다. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq7v2.jpg"></li>
			<li>LIA에서 증폭 계수(V/V)를 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq8v2.jpg"> 가져옵니다.</li>
			<li>주파수 범위(Hz)에 투영되는 V2F 컨버터의 전압 수용 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq9v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq10v2.jpg"> 범위(V)를 가져옵니다.</li>
			<li>추가 파형 계수를 고려하십시오: LIA의 출력 신호는 RMS 진폭이지만 관심 신호는 변조된 입력 신호의 피크 대 피크 값입니다.</li>
		</ol></li>
		<li>다음 방정식에서 각 픽셀의 개수 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq11v2.jpg"> 속도를 변환 용어와 곱하여 DAQ로 정렬된 주파수 값에서 암페어의 XBIC 값을 가져옵니다. (1) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq12v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq13v2.jpg"> 어디 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq14v2.jpg"> 변조(32)의파형에 의존하는 요인이다. 참고 : 들어오는 사네 파도의<img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"><img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq16v2.jpg">경우; 삼각형 파도의 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq17v2.jpg"> 경우; 그리고 사각형 파도에 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq18v2.jpg"> </img>대한, . 하드 X 선 나노 프로브에서 박막 태양 전지의 측정을위한 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq21v2.jpg"> </img> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq22v2.jpg"> </img>일반적인 값은 다음과 같습니다 . <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq19v2.jpg"> </img>. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq20v2.jpg"> </img></li>
		<li>위상 변화에 대한 원시 XBIC <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq23v2.jpg"> 신호의 최종 보정을 위해28을사용하십시오. (2) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq24v2.jpg"> </img> X선 감쇠 계수(33)와 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq26v2.jpg"> 동시 XRF 측정을 통해 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq27v2.jpg"> 측정할 수 있는 흡수기 소자의 질량 밀도(17)와 함께. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq25v2.jpg"></li>
		<li>XBIC 신호를 충전 수집 효율로 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq28v2.jpg"> </img>최종 변환하기 위해23을사용하십시오. (3) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq29v3.jpg"> </img> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq30v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq32v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq33v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> 여기서 전자 구멍 쌍의 생성 및 수집 속도, 입사 광자의 속도이며, 기본 전하이며, 재료 상수입니다. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq31v2.jpg"></li>
		<li>재료 상수의 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> </img>최종 계산을 위해 다음을 사용합니다. (4) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq35v2.jpg"> </img> 입사 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq36v2.jpg"> X선 광자당 DUT의 흡수층에서 증착된 에너지는, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq37v2.jpg"> 흡수기 물질의 밴드갭이며, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> 상수이다. 참고: 이 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> 계수는 전자홀 쌍 생성의 에너지 효율을 차지합니다. 그것은 종종 23,34로 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq39v2.jpg"> </img>근사합니다.</li>
		<li>사출 레벨의 최종 추정을 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> </img>위해, [ XBIC 신호에서, 다음을 사용한다: (5) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq41v2.jpg"> </img> 여기서 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> 태양 등가물의 수로 <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq42v2.jpg"> 해석되고, X선 빔 단면이며, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq43v2.jpg"> 표준 측정 조건35하에서단락 전류 밀도이다.</li>
	</ol></li>
</ol>

저자는 공개 할 것이 없다.

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/t/60001/x-ray-beam-induced-current-measurements-for-multi-modal-x-ray">X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells</a>. An equation was updated.
Equation 9 was updated from:
<img alt="Cosine product formula equation for trigonometric calculations; mathematical concept." src="/files/ftp_upload/60001/60001eq58v5.jpg" data-altupdatedat="1761830439000" data-alt="Equation">
to:
<img alt="Trigonometric identity equation: cos(a)cos(b) = 1/2[cos(a+b) + cos(a-b)]." src="/files/ftp_upload/60001/60001eq58v9.png" data-altupdatedat="1761830439000" data-alt="Equation">

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/t/60001/x-ray-beam-induced-current-measurements-for-multi-modal-x-ray">X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells</a>. An equation&#160;was&#160;updated.

Erratum: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells

전기 에너지에 대한 수요가 지속적으로 증가하는 세상에서 깨끗하고 지속 가능한 에너지원이 점점 더 필요합니다. 이러한 요구를 해결할 수있는 한 가지 가능성은 태양광 (PV) 시스템 1,2,3입니다. 차세대 태양 전지를 개발하는 지향적이고 효율적인 방법을 위해서는 태양 전지의 구성과 구조가 성능에 미치는 영향을 이해할 필요가있습니다4. 태양 전지 개발의 일반적인 질문은 다음과 같습니다 : 결함의 유형이 가장 해로운, 그들은 어디에 위치5,6? 원소 분포에 불균일성이 있으며, 그 영향은무엇입니까 7,8,9? 태양 전지는 모듈 조립 및 노화10,11에따라 어떻게 변경합니까?
태양전지는 가장 약한 부분만큼이나 좋기 때문에, 본질적으로 불균일성 7에서 고통받는 다결정 태양전지의 성능에 대한 조성 및구조적 변화의 효과를 이해하는 것이 특히중요하다. 8. 이것은 마이크로 미터 범위의 결정라이트 크기의 흡수기 층을 포함하는 박막 (TF) 태양 전지에 특히 그렇습니다. 여기서 는 그레인 경계가 성능에 미치는 영향이 가장 크지만 크기가 작고 전체 레이어 스택에 묻혀 있다는 사실은 고유한 특성화 문제를 야기합니다. 더욱이, 공존하는 상 및 내부 그라데이션을 가진 다성분 흡수층의 복잡한 화학은 정교한 특성화 방법12를필요로 한다.
싱크로트론 기반 하드 X선 현미경은 TF 태양 전지의 특성화 과제를 충족시킬 수 있습니다 : 그들은 나노 미터 규모13,14,15,16 및 하드 엑스레이의 침투 깊이는 매설 흡수층을 포함하여 다른 장치 층(17)을조사 할 수 있습니다. 스캐닝 X선 현미경에서 다양한 측정 기술을 통해 다중 모달 측정 내에서 태양전지의 여러 측면을 동시에 연구하고 관찰된 특성을 상호 연관시킬 수 있습니다. 예를 들어, X선 유도 전류(XBIC) 측정은 X선 형광(XRF) 7,18,19,X선 흥분 광학 발광(XEOL)20, 도 21,X선 회절(XRD)(22)은 각각23의조성, 광학 성능 및 구조와 전기적 성능을 상관시한다.
테스트 (DUT)24,25에서태양 전지 또는 다른 장치의 XBIC 측정 동안, 사건 X 선 광자는 전자와 광새로 구성된 입자 샤워를 설정, 당 흥분 전자 구멍 쌍의 다수 의 결과 반도체 흡수재에 입사 엑스레이 광자. 마지막으로, 전자 홀 쌍은 태양 전지 흡수기의 밴드 가장자리에 열화. 따라서 이러한 X선 전하 캐리어는 정상적인 태양전지 작동 중 밴드갭 바로 위에 에너지가 있는 광자의 흡수에 의해 생성되는 전하 캐리어처럼 취급될 수 있으며, 생성된 전류 또는 전압은 X선으로 측정할 수 있습니다. 빔 유도 전류23,26,27 또는 전압 (XBIV)28,29 전자 빔 유도 전류 (EBIC) 또는 레이저 빔 유도 전류 (LBIC)와 같은 일반적인 측정과 유사합니다. 따라서 XBIC/XBIV 신호는 흡수기 층의 두께뿐만 아니라 로컬 밴드갭, 페르미 레벨 분할 및 재조합을 포함한 미세한 및 거시적 수준에서 DUT의 전기 성능에 따라 달라집니다. 따라서, 우리는 DUT의 전기 접촉에서 흡수층에서 외부적으로 흥분된 전자홀 쌍이 수집될 확률로 정의된 전하-반송파 수집 효율의 국소 변화를 매핑할 수 있다.
DUT의 흡수층에서 생성되는 전자구멍 쌍만이 XBIC/XBIV 신호에 기여합니다. 금속 접점 이나 기판 과 같은 다른 층에서 생성 된 전하 캐리어는 접합에 의해 분리 될 가능성이 없기 때문에 즉시 재결합됩니다. 따라서 다른 층은 기생 X선 흡수 또는 흡수층에서 재흡수될 수 있는 이차 광자 및 전자의 방출과 같은 이차 효과를 통해 XBIC/XBIV 측정에만 영향을 미칩니다. 반대로 모든 레이어는 잠재적으로 XRF 신호에 기여합니다.
XBIC 및 XBIV 신호가 작을 수 있다는 점을 감안할 때(종종 서브 피코암페어 및 나노볼트 범위의 변동이 관심 있음) 신호는 잡음에 쉽게 묻힐 수 있습니다. 따라서 XBIC 및 XBIV 신호(30)를 추출하기 위해 잠금증폭을 활용하는 것이 좋습니다. 이를 위해 들어오는 X선 빔은 그림 1에 표시된 광학 헬기에 의해 변조됩니다. 이 변조는 DUT에 의해 생성 된 신호로 이월됩니다. 신호가 잠금 증폭기(LIA)로 공급되기 전에, 프리 앰프(PA)는 일반적으로 디지털 LIA의 입력에서 아날로그-디지털 컨버터의 범위와 원시 신호 강도를 일치시키기 위해 사용됩니다. LIA는 변조된 측정 신호를 기준 신호와 혼합합니다. 로우 패스 필터를 채택함으로써, 기준 신호에 가까운 주파수만 통과되고증폭된다(31) 이를 통해 시끄러운 배경에서 XBIC 또는 XBIV 신호를 효과적으로 추출할 수 있습니다.
프로토콜에서는 원시 신호(직류, DC) 및 변조된 신호(교류 전류, AC)를 포함하여 성공적인 XBIC 측정을 하는 데 필요한 전제 조건및 모션을 소개합니다. 기술적 세부 사항을 설명하는 것 외에도 PETRA III13의빔라인 P06에서 멀티 모달 측정의 맥락에서 XBIC 설정에 대해 설명합니다. 대부분의 실험실 실험과 비교하여 하드 X선 나노 프로브의 오두막 환경은 특별한 계획과 고려가 필요합니다. 특히 나노미터 스케일 분해능을 갖춘 다중 모달 측정은 다양한 특정 제약 조건을 가진 실험가에게 도전합니다. 예를 들어, 전자 소음은 종종 압탐지기의 전원 공급 장치와 같은 압전 구동 모터 및 기타 장비의 큰 진폭으로 존재합니다. 또한 서로 간섭하거나 진동을 유발하지 않으면서 최적화된 형상으로 다양한 장치와 검출기를 배치해야 합니다. 그림 1은 XRF 및 소형/광각 X선 산란(SAXS/WAXS) 측정과 함께 XBIC 측정에 대한 일반적인 설정을 설명합니다.

<table><tbody><tr><td>BNC 케이블링 및 커넥터</td><td></td><td></td><td>일반 케이블 공급업체의</td></tr><tr><td>초퍼 블레이드</td><td>Thorlabs</td><td>MC1F10HP</td><td>초퍼 휠과 초퍼 시스템의 기술적 호환성 외에도 초퍼 블레이드가 X선 빔을 충분히 차단하는지 확인해야 합니다.</td></tr><tr><td>전도성 있는 은색 페인트</td><td>Conrad</td><td>530042</td><td>대체 제품은 Pelco 등에서 얻을 수 있습니다</td></tr>. <tr><td>구리 와이어</td><td></td><td></td>는 <td>태양 전지의 접촉을 위한 케이블 공급업체로부터</td></tr> 얻을 수 있습니다. <tr><td>전류 프리앰프</td><td>Standford</td><td>SR570</td><td>대안에는 Keithley 487 또는 6487 Picoammeter가 포함됩니다.</td></tr><tr><td>테스트 대상 장치(DUT)</td><td></td><td></td><td>XBIC 측정에 적합한 디바이스입니다.</td></tr><tr><td>인쇄 회로 기판</td><td></td><td></td>이 있는 홀더 <td>맞춤형 디자인</td></tr><tr><td>Kinematic 샘플 마운트</td><td>Thorlabs</td><td>KB25/M</td><td>옵션으로 샘플을 쉽게 배치하고 변경할 수 있습니다. 대안으로는 Newport</td></tr><tr><td>락인앰플리파이어</td><td>취리히 인스트루</td>먼트 <td>UHFLI 또는 MFLI</td>의 M-BK-1A가 있습니다<td>.MFLI에는 전류 프리앰프가 포함되어 있지만 UHFLI에는 외부 전류 프리앰프가 필요하지만 더 많은 옵션을 제공합니다. 따라서 제시된 실험에는 UHFLI가 사용되었습니다.</td></tr><tr><td>측정 제어/데이터 수집 장치</td><td></td><td></td><td>다양한 싱크로트론에서 사용할 수 있습니다.</td></tr><tr><td>광학 초퍼</td><td>Thorlabs</td><td>MC2000B(-EC)</td> <td>대안으로는 Stanford Research Systems의 초퍼 SR540 또는 Newport의 모델 3502가 있습니다.</td></tr><tr>다양한 너비와 두께의 <td>폴리이미드 테이프</td><td></td><td></td><td>롤을 사용할 수 있으며</td></tr><tr><td>다양한 싱크로트론에서 사용할 수</td> 있는<td>X선 소스를</td><td></td><td></td></tr> 사용할 수 있습니다.</tbody></table>

태양 전지의 다중 모달 엑스레이 현미경 검사법에 대한 x 선 빔 유도 전류 측정

X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells

X선 빔 유도 전류(XBIC) 측정을 통해 태양전지와 같은 전자 장치의 나노 스케일 성능을 매핑할 수 있습니다. 이상적으로, XBIC는 다중 모달 엑스레이 현미경 접근법 내의 그밖 기술과 동시에 이용됩니다. 여기서 XBIC와 X선 형광을 결합하여 전기적 성능과 화학 적 조성의 점별 상관 관계를 가능하게 하는 예가 제공됩니다. XBIC 측정에서 가장 높은 신호 대 잡음 비의 경우 잠금 증폭이 중요한 역할을 합니다. 이러한 접근법에 의해, X선 빔은 샘플의 상류에 광학 초퍼에 의해 변조된다. 변조된 X선 빔 유도 전기 신호는 잠금 증폭기를 사용하여 헬기 주파수로 증폭 및 복습됩니다. 로우 패스 필터 설정, 변조 주파수 및 증폭 진폭을 최적화하여 선명한 XBIC 신호를 추출하기 위해 노이즈를 효율적으로 억제할 수 있습니다. 유사한 설정을 사용하여 X선 빔 유도 전압(XBIV)을 측정할 수 있습니다. XBIC/XBIV 표준 측정 을 넘어, XBIC는 태양전지의 실외 작업 조건을 인시던트 및 오페라도 측정 중에 재현할 수 있도록 바이어스 라이트 또는 바이어스 전압으로 측정할 수 있습니다. 궁극적으로, 나노 스케일의 전자 장치의 다중 모달 및 다차원 평가를 통해 구성, 구조 및 성능 간의 복잡한 종속성에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있으며, 이는 재료 해결을 향한 중요한 단계입니다. 패러다임.

싱크로트론 빔라인에서 X선 빔 유도 전류 측정에 대한 설정이 설명되어 있습니다. 그것은 태양 전지의 나노 스케일 성능을 발표하고 멀티 모달 X 선 현미경 검사법에 대한 기술의 제품군을 확장합니다. 배선에서 신호-잡음 최적화에 이르기까지 하드 X선 마이크로프로브에서 최첨단 XBIC 측정을 수행하는 방법을 보여 주실 수 있습니다.

태양 전지의 다중 모달 엑스레이 현미경 검사법에 대한 X 선 빔 유도 전류 측정

X-ray beam induced current (XBIC) measurements allow mapping of&#160;the nanoscale performance of electronic devices such as solar cells. Ideally, XBIC is ...

엑스레이는 많은 전자 장치에서 전류를 유도한다. 태양 광 태양 전지에서 눈에 보이는 광자처럼 매우. 신호는 X선 빔 유도 전류라고 합니다.즉, 테스트 장치는 엑스레이 검출기로 작동하며 XBIC는 로컬 장치 성능을 산출합니다. XBIC는 전자 빔 유도 전류의 높은 특수 해상도와 레이저 빔 유도 전류의 높은 침투 깊이를 결합합니다. 이 조합은 고해상도의 캡슐화된 태양전지와 같은 다양한 구조에서도 현지 성능을 산출합니다.XBIC 신호에서, 우리는 반도체 장치의 전기 성능에 중요한 공간적으로 해결 된 충전 수집 효율을 결정할 수 있습니다. 따라서 원칙적으로 XBIC 측정은 반도체의 나노 와이어에서 태양 전지, x-ray 검출기와 같은 공간에 전기 반응을 보이는 모든 시스템에서 수행 될 수 있습니다. 장치에서 앰프 및 데이터 수집에 이르는 신호 경로를 따르는 경우 XBIC 측정을 하는 것은 실제로 매우 간단합니다.먼저 샘플 홀더를 설계하여 가까운 거리에 다양한 검출기를 배치할 수 있는 최대 자유를 제공합니다. 마이크로미터 위치가 있는 시료를 쉽게 재배치할 수 있도록 샘플 홀더를 운동베이스에 설정합니다. XBIC 측정을 위한 전자 장치의 마운트로 사용할 수 있도록 설계된 인쇄 회로 기판을 사용합니다.다음으로, 전자 장치를 인쇄 회로 기판에 접착한다. 폴리이미드 테이프를 사용하여 단락을 피하기 위해주의를 기울이라. 또한 테이프로 접촉 와이어를 고정합니다.인시던트 X-ray 빔을 마주보고 있는 업스트림 접점을 동축 케이블의 쉴드와 연결합니다. 그런 다음 다운스트림 접선을 동축 케이블의 코어와 연결합니다. 다음으로 인쇄회로 기판을 샘플 홀더에 장착합니다.그런 다음 샘플 스테이지에 샘플 홀더를 장착합니다. 샘플 마운트의 BNC 커넥터를 통해 샘플을 연결합니다. 장착 부품이나 배선이 사고 X선 빔 또는 검출기를 차단하지 않는 배선을 배치합니다.샘플 배선이 변형되어 샘플 움직임을 제한하지 않도록 합니다. 샘플이 잘 접지되어 있는지 확인합니다. 이제 관심 있는 평면이 인시던트 빔에 수직이 될 수 있도록 스테이지를 회전합니다.이렇게 하면 빔 발자국을 최소화하고 공간 해상도를 최대화합니다. 다중 모달 측정을 수행하는 경우 X선 형광 측정과 같은 샘플 주위에 검출기를 배치합니다. 다음으로, 테스트 장치의 신호 진폭을 측정하여 서로 다른 조건에서 신호 범위를 테스트합니다.샘플의 근접에 사전 증폭기를 놓고 허치 외부의 제어 장치에 연결합니다. 이렇게 하면 허치에 다시 입력할 필요 없이 원격 설정을 수정할 수 있으며 증폭 설정을 자동으로 절약할 수 있습니다. 사전 앰프를 깨끗한 전원 회로에 연결하고 전원을 켜보도록 합니다.테스트 장치의 신호 진폭이 사전 증폭기의 입력 범위와 일치하는지 확인합니다. 포화를 통해 우발적인 것을 피하기 위해 측정이 진행되지 않을 때마다 사전 증폭기의 증폭을 최소 감도로 유지하는 것이 좋습니다. 이제 테스트 장치를 사전 증폭기에 연결합니다.작은 신호 진폭을 감안할 때, 배선을 짧게 유지하고 소음 원으로부터 멀리 떨어져 있는 것이 중요합니다. 다음으로 미리 증폭된 신호를 세 개의 병렬 신호 분기로 분할합니다. 이는 변조된 AC 구성 요소와 함께 양수 및 음수 DC 값을 별도로 기록하는 데 사용됩니다.잠금 증폭기를 허치 외부의 제어 장치에 연결합니다. 깨끗한 전원 회로에서 전원을 공급합니다. 사전 증폭기의 출력이 모든 조건에서 잠금 증폭기의 입력과 일치하는지 확인합니다.여기서 사전 증폭기의 최대 출력은 10볼트이지만 잠금 증폭기의 최대 입력 범위는 1.5볼트입니다. 따라서 사전 증폭기 후 신호 진폭을 테스트하고 잠금 증폭기의 입력 범위가 최대인지 확인합니다. 다음은 사전 증폭기의 출력을 잠금 증폭기의 입력에 연결합니다.엑스레이 헬기를 전동 스테이지에 장착하여 엑스레이 빔을 출입하고 헬기 컨트롤러를 통해 전원을 공급합니다. 이 경우 잠금 증폭기를 통해 헬기를 제어 장치에 연결합니다. 그런 다음 잠금 증폭기의 강등 주파수로 광학 헬기를 구동합니다.다음으로 잠금 증폭기의 출력을 전압-주파수 컨버터에 연결합니다. 그런 다음 장치의 아날로그 AC 신호로서 잠금 증폭 신호의 루트 평균 제곱 증폭R을 출력합니다. 테스트 중인 장치가 허치의 모든 조명으로부터 보호되는지 확인합니다.오두막을 검색합니다. 해당 지역을 떠나십시오. 주의, 제발, 주의 스위치.그리고 X 선 빔을 켭니다. 모든 것이 올바르게 설정되고 X선 빔이 시료에 도달하면 변조된 XBIC 신호가 표시됩니다. 사전 증폭기의 증폭과 잠금 증폭기의 입력 범위를 조정하여 일치되도록 합니다.사전 앰프의 응답이 선택한 헬기 주파수에 충분히 빠르다는 것을 확인합니다. 직사각형 XBIC 신호를 관찰해야 합니다. 강력한 지연이 보이는 경우 헬기 주파수를 줄이거나 사전 증폭기의 필터 상승 시간을 조정해야 합니다.잠금 증폭기의 로우 패스 필터 주파수를 스캐닝 속도와 호환되는 최소값으로 설정합니다. 이어서, 신호 대 노이즈 비율에 대하여, 빔오프및 빔에 대하여 증폭된 신호를 최대화한다. 이제 XBIC 측정을 위한 설정이 준비되었습니다.샘플의 깨끗한 지점으로 이동하여 측정을 시작합니다. XBIC 측정에 잠금 증폭을 사용하는 주요 장점은 표준 증폭을 사용한 측정과 비교하여 신호 대 잡음 비율이 급격히 증가한다는 것입니다. 여기서, 시험 응답 하에서 미리 증폭된 장치는 바이어스 라이트가 켜지 않고 계측되는 범위에 의해 측정된 것으로 나타난다.바이어스 라이트 또는 전압에 의해 유도된 강력한 잡음 또는 기만 성분의 존재에도 불구하고, 크기가 작아도 배경 신호로부터 유도된 변조된 X선 빔 유도 전류 신호를 추출할 수 있다. 이 두 이미지를 비교하면 형광관에서 바이어스 라이트를 켜서 마이너스 65 밀리볼트로 이동하는 8 밀리볼트의 순서에 대한 오프셋 신호를 기록합니다. 또한, 짧은 시간 스케일의 신호 변화는 바이어스 라이트에 의해 크게 향상됩니다.적절한 설정을 사용하면 오프셋과 고주파 변조를 모두 완화할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 주변 조명 및 전자기 노이즈와 같은 의도하지 않은 편향의 모든 소스는 가장 높은 신호 대 노이즈 비율을 제거해야 합니다. 이 그래프는 잠금 증폭 RMS 진폭에 바이어스 라이트 및 다른 로우 패스 필터 설정의 효과를 강조합니다.높은 스캐닝 주파수의 경우, 저주패스 필터 차단 주파수는 가능한 한 높지만 주파수를 줄이면서 얻어진 소음에 대한 신호가 가장 높어야 합니다. 이 경우 10.27 Hertz와 동일한 차단 주파수를 가진 로우 패스 필터는 적당한 두 Hertz에서 스캔하는 데 가장 좋은 타협을 제공했습니다. 여기서, X선 빔 유도 전류 측정에서 신호 대 잡음 비율에 잠금 증폭의 영향을 볼 수 있습니다.직접 신호의 시끄러운 것이 명백하며 잠금 증폭 신호는 미세한 특징을 잘 보여줍니다. 정량적 분석을 위해 변조된 XBIC 신호의 형상은 변조된 X선 강도의 모양을 나타내야 한다. 따라서 헬기 주파수 및 로우 패스 필터를 최적화하는 것이 중요합니다.잠금 증폭을 통해 다양한 조건에서 장치를 측정할 수 있습니다. 예를 들어 바이어스 전압 또는 바이어스 라이트를 적용할 수 있습니다. 궁극적으로, 이것은 우리가 나노 스케이프에서 높은 공간 해상도로 전체 IV 곡선을 측정 할 수 있습니다.XBIC는 다른 기술과 결합할 때 특히 유용합니다. 예를 들어 X선 형광 회절, 타치그래피 또는 X선 흥분 광학 발광을 통해. 이 모든 것을 결합하면 구성 구조와 성능을 해결하고 단조할 수 있습니다.전력및 강렬한 엑스레이를 다룰 때 취해야 할 일반적인 예방 조치 외에도 적어도 시료를 작동시키기 위한 XBIC 측정을 수행하는 데 특별한 위험은 없지만 방사선 손상으로 인해 사망할 수 있습니다. 페트라 4와 같은 회절 이한소스로 나노포커스 X선 플럭스는 진도의 수주에 의해 증가한다. 이를 통해 측정 속도 신호에서 노이즈 비율까지 향상시키고 시투 및 오페라에서 완전히 새로운 실험을 가능하게 합니다.

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연구

JoVE Journal

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공학

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