Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Атомного зонда томографии Исследования по Cu (In, Ga) Se

12.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50376

⸱

22 апреля 2013 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Microstructure Physics and Alloy Design, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 2Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ( ZSW )

В этой статье

Краткое содержание

В этой работе мы описываем использование атома-зонда томографии аппарат для изучения границ зерен поглощающий слой в CIGS солнечной батареи. Новый подход к подготовке атом зонды, содержащие желаемый границ зерен с известной структурой, также представлены здесь.

Аннотация

По сравнению с существующими методами, атомного зонда томографии уникальный метод состоянии химически характеризуют внутренние интерфейсы на наноуровне и в трех измерениях. Действительно, APT обладает высокой чувствительностью (в порядке т) и высокое пространственное разрешение (суб нм).

Значительные усилия были сделаны здесь, чтобы подготовить APT наконечник, который содержит нужную границу зерна с известной структурой. Действительно, сайт-специфической подготовки образца с использованием технологии комбинированных сфокусированного ионного пучка, дифракции электронов обратного рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии представлена ​​в этой работе. Этот метод позволяет отбирать границ зерен с известной структурой и расположением в Cu (In, Ga) Se 2 тонких пленок должен быть изучен томографии атомного зонда.

Наконец, мы обсудим преимущества и недостатки использования атомного зонда томографии методика исследования границ зерен в Cu (In, Ga) Se 2 тонкопленочных солнечных элементов.

Введение

Тонкопленочных солнечных элементов на основе халькопирит-структурированных полупроводниковых соединений Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) в качестве поглотителя материала имеют разрабатывалась в течение более чем двух десятилетий из-за их высокой эффективности, радиационной стойкостью, высокой долговременной стабильностью высокая производительность и низкая себестоимость продукции 1-3. Такие солнечные элементы могут быть изготовлены только с небольшой расход материала за счет благоприятных оптических свойств поглощающего слоя CIGS, а именно прямой запрещенной зоны и высокий коэффициент поглощения 1,2. Амортизатор фильмов всего несколько микрон в толщину достаточно, чтобы генерировать высокий фототока. Поскольку пути диффузии фотогенерированных носителей заряда к электродам относительно короткие, CIGS поглотители могут быть произведены в поликристаллической форме. Максимальная эффективность Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) солнечных элементов достигнутые на сегодняшний день составляет 20,4% 4, что является самым высоким значением среди всех тонкопленочных солнечных элементов.

ove_content "> Для дальнейшего установить CIGS тонкопленочных фотоэлектрических технологий, как снижение издержек производства и повышение эффективности солнечных клетки имеют важное значение. Последний является сильно зависит от микроструктуры и химического состава поглощающего слоя CIGS. Внутренние интерфейсы в частности, границ зерен (ГЗ) в абсорбер, играют ключевую роль, так как они могут повлиять на транспорте фотогенерированных носителей заряда.

Одним из основных нерешенных вопросов в отношении CIGS солнечных батарей доброкачественной природы CIGS ГЗ, т.е. поликристаллических пленок CIGS поглотителя получения выдающихся эффективности ячейки, несмотря на высокую плотность ГЗ и дефектах решетки.

Ряд авторов изучали гигабайт солнечного качества CIGS фильмы с точки зрения их электрические свойства 5,6, характер и разориентации 7-9, а также сегрегации примесей 10-13. Однако, не четкая связь между этими ПропертиES может быть установлено до сих пор. В частности, существует значительный недостаток информации о местном химический состав и содержание примесей ГБ.

В последние два десятилетия атомного зонда томография (APT) стала одним из перспективных нано-аналитические методы 14-17. До недавнего времени APT исследования солнечных батарей не были в значительной степени ограничены трудности в процессе подготовки образцов и ограниченные возможности анализа полупроводниковых материалов с использованием обычных импульсного напряжения зондов атома. Эти ограничения в основном преодолены путем разработки "старт из метода» на основе сфокусированного ионного пучка (FIB) фрезерного 18 и введение импульсный лазер APT 16. Несколько работ о меткую характеристику CIGS солнечных батарей были опубликованы 19-23, сильно обнадеживающими для дальнейших исследований.

Эта статья дает ориентир того, как изучать внутреннее яnterfaces в CIGS тонкопленочных солнечных элементов по методике атомного зонда томографии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Слоевого осаждения CIGS

  1. Sputter для хранения 500 нм молибдена (обратно контактный слой) на толщину 3 мм натрий-кальций-стеклянную подложку (SLG).
  2. Co-испаряются 2 мкм CIGS в инлайн-многоступенчатая CIGS процесса 24. Полученные CIGS слоя, нанесенного на контакт обратно Mo показано на рисунке 1.
  3. Измерение интегральной состав слоя CIGS методом рентгеновской флуоресцентной спектрометрии (XRF). Полученные CIGS состав приведен в таблице 1.

2. Сайт-специфическая Изготовление Образцы для анализа APT

  1. Cut TEM Mo сетки на две половины, чтобы получить ряд из нескольких контактов, будучи поддержку позже образцов. Установите TEM половину сетки на держатель и конус концы штифтов по электрополирование в 5 мас. % NaOH до кончика диаметром <2 мкм. Этот процесс может быть разумным управлять с помощью стереоскоп. Затем установите электрополированной сетки на другой держатель тшляпа оптимизирована для последовательного FIB, ТЭМ, ЭИ, и меткую характеристику.
  2. Mill две траншеи в CIGS тонкопленочных использованием FIB, чтобы получить канавки (рис. 2а). Сделать первого свободного разрез на левой стороне блока.
  3. Прикрепить микроманипулятор на этот блок, путем нанесения Pt сварки методом ионно-лучевого индуцированного химического осаждения из паровой фазы. Затем сделать окончательный свободной сократить на противоположной сайте и лифт выезда свободно стоящие кусок (рис. 2б).
  4. Вырезать теперь острые колья ТЕМ Mo половину сетки, чтобы клин (2-3 мкм в диаметре), имеющих хорошее соединение для извлеченных кусок. Установите блок на контактах с использованием платиновых осаждения (рис. 2в). Сделать свободного разрез окончательно получить лишь небольшую часть фрагмента (около 2 мкм) в верхней части штифта Мо. Затем установите сетки держатель вверх ногами и заполнить пробел между штифтом Мо и смонтированный кусок с Pt. Преследуют ту же процедуру с оставшимся куском. Для получения дополнительной информации о лифте выездаПроцедура, читатель может найти в следующих источниках 18,25.
  5. Поместите сетки в вертикальном положении и очистить поперечное сечение фрагмента (выбирать место с более тонкими сварки Pt) с использованием низких ускоряющего напряжения и тока пучка (5 кВ и <50 мкА) в FIB. Таким образом получается гладкая поверхность и меньше загрязнения в результате Ga + имплантация, которая требуется для измерения ЭИ.
  6. Из ЭИ измерение выполняется на поперечное сечение выбрать Гб интерес. Ориентацию GB предпочтительнее быть перпендикулярным по отношению к анализу направление в атомным зондом (оси), чтобы уменьшить локальный эффект увеличения 26, которое описано более подробно в обсуждении части. Соответствующей области с ГБ будет выделена на рисунке 2d.
  7. Выполнить фрезерование в кольцевой области ГБ выбранного на шаге 2.6) с образованием острым кончиком. Радиус кривизны должен быть достаточно небольшим (<100 нм) для дальнейшего TEM ИССЛЕДОВАНИЕионами. Для достижения этой цели, уменьшить внутренний диаметр кольцевой ступенчатый рисунок фрезерной за шагом (рис. 2е) и одновременно визуализировать наконечник формообразование вторичных электронов (SE). Таким образом, можно исправить луч смен или настроить фрезерный шаблон для удаления неровностей на кончик, как пульсация или переотложения материала, происходящих из различных распыления урожайности, затенение и т.д..
  8. Локализация точное положение границ зерен по отношению к кончик зонда с помощью ТЭМ инструмент (см. рис 2f), зная, что по сравнению с другими материалами (например, жаропрочные сплавы) CIGS ГЗ не видны на SEM.
  9. Зная, именно там, где GB находится в APT наконечник, передавать образец в FIB и продолжают мельница образца, чтобы расположить их в GB максимум 200 нм ниже кончик зонда. На данном этапе, фрезерные делается при очень низких кВ (5 кВ) и низкого тока (<50 Па). В самом деле, цель не только локализовать ГБ ближе тO кончик зонда, а также свести к минимуму Ga + повреждение APT наконечника во время этой процедуры. Одновременно с низким уровнем кВ фрезерования, визуализировать форму APT наконечник в СЭМ и контролировать количество материала, которое должно быть удалено из кончик зонда (рис. 2 г).
  10. Передача снова образца ТЕА и проверить положение GB по отношению к кончик зонда. Сделать обзор изображение образца (рис. 2 ч), чтобы получить точное знание о позиции ГБ, эволюция образца диаметром хвостовика половина угла. Это необходимо для достижения оптимального реконструкции APT данных. Кроме того, использование низкого увеличения и уменьшения времени экспозиции, чтобы минимизировать электронно-лучевой индуцированных повреждений и C загрязнений, которые могут привести к более высокую интенсивность отказов в APT измерений.

3. APT анализ в високосный CAMECA системы 3000X HR

  1. Установите образца в APT удержаниеER. Затем смонтировать образца шайбу в одном из четырех каруселей доступны.
  2. Вставьте карусели с образцом шайбу внутри грузового замка и начать откачку нагрузку замок. Когда вакуум внутри нагрузки блокировка ~ 10 -7 Торр, вставьте карусели в буферной камере.
  3. После ожидания прибл. 1 час, чтобы восстановить вакуум в буферной камере (~ 7x10 -9 Торр), перенос образца из буферной камеры в главную камеру анализа. Это делается с горизонтальным стержнем передачи, который представляет собой устройство с ручным управлением.
  4. Перед началом измерений внутри APT, охладить до температуры 60 К. Это низкая температура позволяет избежать диффузии атомов на поверхности образца в процессе анализа. Отметим здесь, что 60 К заданной температуры и не реальная температура измеряется на APT наконечник, который должен быть выше в связи с лазерным тепло образца. По предложению Келлога и соавт. 27, это темперойтуры может быть оценена с учетом относительного заряда государственных соотношении. К сожалению, в этой работе реальную температуру из советов не может быть рассчитан в основном потому, поля испарения материала CIGS неизвестно.
  5. APT эксперименты проводятся в лазерном режиме с использованием зеленого лазера с длиной волны около 532 нм и 12 мкс длительность импульса.

4. Реконструкция данных APT

  1. Откройте файл RHIT (исходные данные получены непосредственно после измерений APT) с интегрированным CAMECA Визуализация и анализ программного обеспечения (IVAS 3.6.2) 28 обычно используется для реконструкции 3D-карты.
  2. Выполнение работ по реконструкции 3D-карты с помощью следующих восьми шагов 28:
    1. Шаг 1 - установка, которая является только для чтения панель дает все подробности о характере и содержание выбранного исследования.
    2. Шаг 2 - выбор диапазона последовательности иона. На этом шаге определяется ионно-последовательность диапазоне относительно образцаНапряжения должен быть выбран в реконструкции данных.
    3. Шаг 3 - Выберите ROI детектора. Этот шаг дает возможность удалить ионы находятся за пределами детектор ROI (черный эллипс на гистограмме событие детектор).
    4. Шаг 4 - TOF исправления. Этот шаг вычисляет напряжение, время-пролетной (TOF) и плоскостности детектор («Чаша коррекция ') корректировки анализа.
    5. Шаг 5 - измерение массы. Измеренные положение пика в анализируемом спектре масс калибруется с известным изотопом / зарядки государств.
    6. Шаг 6 - дальнего боя ионный назначение. На этом этапе пики в масс-спектре назначаются диапазоны элемента изотопом.
    7. Шаг 7 - Реконструкция. Этот шаг применяется один из трех методов реконструкции на данных, полученных: метод напряжения, хвостовых угла методом или Tip-профиля методом. Последний используется в данном исследовании для восстановления нашей 3D-карте. Этот метод требует SEM или с помощью ТЭМ изображения тир, как показано на рисунке 2g и 2h рис. Радиус закругления в любой момент в процессе восстановления определяется линейной интерполяцией между ряд точек, определенных в изображение SEM.
    8. Шаг 8 - подтверждение. На этом этапе предварительного просмотра созданного в реконструкции вкладку преобразуется в сохраненной анализа.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На фиг.3 показан вид сбоку (хг срез) элементарный карта случайной большим углом Гб (HAGB) 28,5 ° - <511> детеныша выбран на фиг.2, путем сайт-специфического способа получения. Co-сегрегации Na, K, O и на CIGS HAGB непосредственно на карту, используя APT. Эти примеси, скорее всего, диффундирует из SLG субстрата в поглощающий слой в процессе осаждения слоя CIGS при температуре ~ 600 ° С.

На рисунке 4а показаны Cu, In, Ga, Se и...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В данной работе мы представили APT результаты на случайных HAGB в CIGS, материал полупроводникового соединения используются для фотоэлектрических приложений. Кроме того, мы также показали, что APT в сочетании с дополнительными методами, такими как EBSD и ПЭМ, является мощным инструментом, чтобы выяснить структуру-композиция свойств знакомства для CIGS солнечных батарей. К сожалению, корреляция между АСТ и EDX / угрей в TEM не было возможности, потому что во-первых, EDX / EELS не имеет достаточного разрешения для обнаруж...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Эта работа основана Немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG) (Договор CH 943/2-1). Авторы хотели бы поблагодарить Вольфганга Dittus, и Стефан Paetel от Zentrum für Sonnenenergie-Und-Wasserstoff Forschung Баден-Вюртемберг за подготовку слоя CIGS поглотителя для этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Ссылки

  1. Stanbery, B. J. Copper indium selenides and related materials for photovoltaic devices. Crit. Rev. Solid State. 27, 73-117 (2002).
  2. Kemell, M., Ritala, M., Leskelä, M. Thin film deposition methods for CuInSe2 solar cells. Crit. Rev. Solid State. 30, 1-31 (2005).
  3. Kazmerski, L. L. Solar photovoltaics R&D at the tipping point: a 2005 technology overview. J. Electron Spectrosc. 150 (2-3), 105-135 (2006).
  4. Empa - MM-CIGS-Weltrekord [Internet]. , Empa. Available from: http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/131438/---/l=2 (2013).
  5. Sadewasser, S., Glatzel, T., Schuler, S., Nishiwaki, S., Kaigawa, R., Lux-Steiner, M. C. Kelvin probe force microscopy for the nano scale characterization of chalcopyrite solar cell materials and devices. Thin Solid Films. 431-432, 257-261 (2003).
  6. Jiang, C. S., Noufi, R., AbuShama, J. A., Ramanathan, K., Moutinho, H. R., Pankow, J., Al-Jassim, M. M. Local built-in potential on grain boundary of Cu(In,Ga)Se2 thin-films. Appl. Phys. Lett. 84, 3477-1-3477-3 (2004).
  7. Abou-Ras, D., Koch, C. T., Küstner, V., van Aken, P. A., Jahn, U., Contreras, M. A., Caballero, R., Kaufmann, C. A., Scheer, R., Unold, T., Schock, H. W. Grain-boundary types in chalcopyrite-type thin films and their correlations with film texture and electrical properties. Thin Solid Films. 517, 2545-2549 (2009).
  8. Nichterwitz, M., Abou-Ras, D., Sakurai, K., Bundesmann, J., Unold, T., Scheer, R., Schock, H. W. Influence of grain boundaries on current collection in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Thin Solid Films. 517, 2554-2557 (2009).
  9. Abou-Ras, D., Schorr, S., Schock, H. W. Grain sizes and grain boundaries in chalcopyrite-type thin films. J. Appl. Cryst. 40, 841-848 (2007).
  10. Niles, D. W., Al-Jassim, M., Ramanathan, K. Direct observation of Na and O impurities at grain surfaces of CuInSe2 thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 17, 291-296 (1998).
  11. Rockett, A., Granath, K., Asher, S., Al Jassim, M. M., Hasoon, F., Matson, R., Basol, B., Kapur, V., Britt, J. S., Gillespie, T., Marshall, C. Na incorporation in Mo and CuInSe2 from production processes. Sol. Energy. 59, 255-264 (1999).
  12. Heske, C., Eich, D., Fink, R., Umbach, E., Kakar, S., van Buuren, T., Bostedt, C., Terminello, L. J., Grush, M. M., Callcott, T. A., Himpsel, F. J., Ederer, D. L., Perera, R. C. C., Riedl, W., Karg, F. Localization of Na impurities at the buried CdS/Cu(In, Ga)Se2 heterojunction. Appl. Phys. Lett. 75, 2082-2084 (1999).
  13. Braunger, D., Hariskos, D., Bilger, G., Rau, U., Schock, H. W. Influence of Na on the growth of polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 thin films. Thin Solid Films. 361, 161-166 (2000).
  14. Cerezo, A., Godfrey, T. J., Sijbrandij, S. J., Smith, G. D. W., Warren, P. J. Performance of an energy-compensated three-dimensional atom probe. Rev. Sci. Instrum. 69, 49-58 Forthcoming.
  15. Blavette, D., Bostel, A., Sarrau, J. M., Deconihout, B., Menand, A. An atom-probe for three dimensional tomography. Nature. 363, 432-435 (1993).
  16. Gault, B., Vurpillot, F., Vella, A., Gilbert, M., Menand, A., Blavette, D., Deconihout, B. Design of a femtosecond laser assisted tomographic atom probe. Rev. Sci. Instrum. 77, 043705-1-043705-8 (2006).
  17. Kelly, T. F., Miller, M. K. Atom probe tomography. Rev. Sci. Instrum. 78, 031101-1-031101-20 (2007).
  18. Thompson, K., Lawrence, D., Larson, D. J., Olson, J. D., Kelly, T. F., Gorman, B. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107 (2-3), 131-139 (2007).
  19. Cadel, E., Barreau, N., Kessler, J., Pareige, P. Atom probe study of sodium distribution in polycristalline Cu(In,Ga)Se2 thin film. Acta Material. 58, 2634-2637 (2010).
  20. Schlesiger, R., Oberdorfer, C., Würz, R., Greiwe, G., Stender, P., Artmeier, M., Pelka, P., Spaleck, F., Schmitz, G. Design of a laser-assisted tomographic atom probe at Münster University. Rev. Sci. Instr. 81, 043703(2010).
  21. Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Abou-Ras, D., Schmidt, S. S., Caballero, R., Raabe, D. Characterization of grain boundaries in Cu(In,Ga)Se2 films using atom-probe tomography. IEEE J. Photovolt. 1 (2), 207-212 (2011).
  22. Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Wuerz, R., Raabe, D. Atomic-scale characterization of the CdS/CuInSe2 interface in thin-film solar cells. Appl. Phys. Lett. 98, 103504-1-103504-3 (2011).
  23. Couzinie-Devy, F., Cadel, E., Barreau, N., Arzel, L., Pareige, P. Atom probe study of Cu-poor to Cu-rich transition during Cu(In,Ga)Se2 growth. Appl. Phys. Lett. 99, 232108-1-232108-3 (2011).
  24. In-line Cu(In,Ga)Se2 co-evaporation process on 30 cm x 30 cm substrates with multiple deposition stages. Voorwinden, G., Jackson, P., Kniese, R., Powalla, M. Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, , 2115-2118 (2007).
  25. Miller, M. K., Russell, K. F., Thompson, K., Alvis, R., Larson, D. J. Review of atom probe FIB-based specimen preparation methods. Microscopy Microanal. 13 (6), 428-436 (2007).
  26. J, D. Modeling image distortions in 3DAP. Microscopy and Microanalysis. 10 (3), 384-390 (2008).
  27. Kellog, G. L. Determining the field emitter temperature during laser irradiation in the pulsed laser atom probe. J. Appl. Phys. 52, 5320(1981).
  28. IVASTM 3.6.2 User Guide 2012. , CAMECA Instruments, Inc. (2012).
  29. Persson, C., Zunger, A. Compositionally induced valence-band offset at the grain boundary of polycrystalline chalcopyrites creates a hole barrier. Appl. Phys. Lett. 87, 211904-1-211904-3 (2005).
  30. Zhang, S. B., Wei, S. -H., Zunger, A., Katayama-Yoshida, H. Defect physics of the CuInSe2 chalcopyrite semiconductor. Phys. Rev. B. 57, 9642-9656 (1998).
  31. Johnson, W. C., Blakely, J. M. Interfacial Segregation. , American Society of Metals. Metals Park, OH. 3-23 (1979).
  32. Miller, M. K., Jayaram, R. Some factors affecting analysis in atom probe. Surf. Sci. 266, 458-462 (1992).
  33. Wuerz, R., Eicke, A., Kessler, F., Paetel, S., Efimenko, S., Schlegel, C. CIGS thin-film solar cells and modules on enamelled steel substrates. Sol. Energy. 100, 132-137 (2012).
  34. De Geuser, F., Lefebvre, W., Danoix, F., Vurpillot, F., Forbord, B., Blavette, D. An improved reconstruction procedure for the correction of local magnification effects in three-dimensional atom-probe. Surf. Interf. Anal. 39, 268-272 (2007).
  35. Kingham, D. R. The post-ionization of field evaporated ions: A theoretical explanation of multiple charge states. Surf. Sci. 116, 273-301 (1982).
  36. Letellier, L. Etude des joints de grains et interphases dans les superalliages Astroloy par microscopie electronique et tomographie atomique [dissertation]. , Rouen Univ., Groupe Physique des Materiaux. Rouen, France. (1994).
  37. Hoummada, I., Mangelinck, K., Chow, D., Lee,, Bernardini, J. Original methods for diffusion measurements in polycrystalline thin-films. Defect and Diffusion Forum. 322, 129-150 (2012).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

CIGS
Атомного зонда томографии Исследования по Cu (In, Ga) Se
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.