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Engineering

घन पर जांच एटम टोमोग्राफी स्टडीज (में, गा) से Published: April 22, 2013 doi: 10.3791/50376
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Department of Microstructure Physics and Alloy Design, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 2Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ( ZSW )

Summary

इस काम में, हम एक CIGS सौर सेल में अवशोषक परत की सीमाओं को अनाज का अध्ययन करने के लिए परमाणु जांच टोमोग्राफी तकनीक के उपयोग का वर्णन. एक ज्ञात संरचना के साथ वांछित सीमा अनाज युक्त परमाणु सुझाव जांच को तैयार करने के लिए एक उपन्यास दृष्टिकोण भी यहां प्रस्तुत किया है.

Abstract

विद्यमान तकनीकों के साथ तुलना में, परमाणु जांच टोमोग्राफी रासायनिक nanoscale पर और तीन आयामों में आंतरिक इंटरफेस विशेषताएँ करने में सक्षम एक अनोखी तकनीक है. दरअसल, एपीटी उच्च संवेदनशीलता (पीपीएम के क्रम में) और उच्च स्थानिक संकल्प (उप एनएम) के पास.

काफी प्रयास एक ज्ञात संरचना के साथ वांछित सीमा अनाज होता है जो एक एपीटी टिप तैयार करने के लिए यहाँ किया गया. दरअसल, साइट विशेष नमूना तैयार करने का उपयोग करते हुए ध्यान केंद्रित आयन बीम, इलेक्ट्रॉन backscatter विवर्तन, और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी संयुक्त इस काम में प्रस्तुत किया है. इस विधि घन में जाना जाता संरचना और स्थान (में, गा) से परमाणु जांच टोमोग्राफी द्वारा अध्ययन किया जा करने के लिए 2 पतली फिल्मों के साथ चयनित अनाज सीमाओं की अनुमति देता है.

अंत में, हम घन में अनाज की सीमाओं (गा, में) से 2 पतली फिल्म सौर कोशिकाओं का अध्ययन करने के लिए परमाणु जांच टोमोग्राफी तकनीक का उपयोग करने के फायदे और कमियों पर चर्चा की.

Introduction

अवशोषक सामग्री के रूप में chalcopyrite संरचित मिश्रित अर्धचालक घन (में, गा) से 2 (CIGS) पर आधारित पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की वजह से उनके उच्च दक्षता, विकिरण कठोरता, लंबे समय तक स्थिर से अधिक दो दशकों के लिए विकास के तहत किया गया है प्रदर्शन, और कम उत्पादन 1-3 खर्च होती है. ये सौर कोशिकाओं अर्थात् CIGS अवशोषक परत के अनुकूल ऑप्टिकल गुण, एक प्रत्यक्ष bandgap और एक उच्च अवशोषण गुणांक 1,2 के कारण ही छोटे माल की खपत के साथ निर्मित किया जा सकता है. मोटाई में केवल कुछ micrometers के अवशोषक फिल्मों के एक उच्च photocurrent उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त हैं. इलेक्ट्रोड को photogenerated चार्ज वाहक प्रसार रास्तों अपेक्षाकृत कम हैं, CIGS अवशोषक polycrystalline रूप में उत्पादन किया जा सकता है. एक घन मीटर की अधिकतम क्षमता (गा, में) से 2 अब तक हासिल की (CIGS) सौर सेल सभी पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के बीच उच्चतम मूल्य है जो 20.4% 4, है.

ove_content "> आगे दोनों के उत्पादन लागत में कमी और सौर सेल दक्षता में वृद्धि जरूरी है. उत्तरार्द्ध CIGS अवशोषक परत के microstructure और रासायनिक संरचना पर निर्भर है. आंतरिक इंटरफेस, CIGS पतली फिल्म फोटोवोल्टिक प्रौद्योगिकी की स्थापना करने के लिए, अवशोषक के भीतर विशेष रूप से अनाज की सीमाओं (जीबीएस) में, वे photogenerated चार्ज वाहक परिवहन प्रभावित कर सकते हैं, के रूप में एक निर्णायक भूमिका निभाते हैं.

CIGS सौर कोशिकाओं के संबंध में मुख्य अनसुलझे मुद्दों में से एक CIGS जीबीएस के सौम्य स्वभाव है, यानी polycrystalline CIGS अवशोषक फिल्मों जीबीएस और जाली दोष के एक उच्च घनत्व के बावजूद बकाया सेल क्षमता उपज.

कई लेखकों को अपने बिजली के गुणों 5,6, चरित्र और misorientation 7-9 के साथ ही अशुद्धता अलगाव 10-13 के लिए सम्मान के साथ सौर ग्रेड CIGS फिल्मों में जीबीएस का अध्ययन किया. इन properti के बीच हालांकि, कोई स्पष्ट लिंकतों अब तक स्थापित किया जा सकता है. विशेष रूप से, स्थानीय रासायनिक संरचना और जीबीएस की अशुद्धता सामग्री के बारे में जानकारी का एक बड़ा कमी है.

पिछले दो दशकों में, जांच एटम टोमोग्राफी (एपीटी) होनहार नैनो विश्लेषणात्मक तकनीकों 14-17 में से एक के रूप में उभरा है. अभी हाल तक सौर कोशिकाओं की एपीटी पढ़ाई काफी हद तक नमूना तैयार करने की प्रक्रिया में कठिनाइयों और पारंपरिक स्पंदित वोल्टेज परमाणु जांच का उपयोग अर्धचालक सामग्री का विश्लेषण करने की सीमित क्षमता से प्रतिबंधित कर दिया गया है. इन प्रतिबंधों को काफी हद तक के विकास से दूर किया गया है 'लिफ्ट से बाहर विधि' केंद्रित आयन बीम (मिथ्या) मिलिंग 18 और 16 एपीटी स्पंदित लेजर की शुरूआत पर आधारित है. CIGS सौर कोशिकाओं की एपीटी लक्षण वर्णन के बारे में कई पत्र दृढ़ता से आगे की जांच के लिए प्रोत्साहित कर रहे हैं, जो 19-23 प्रकाशित किया गया है.

इस पत्र मैं आंतरिक अध्ययन करने के लिए एक दिशानिर्देश देता हैपरमाणु जांच टोमोग्राफी तकनीक द्वारा CIGS में nterfaces पतली फिल्म सौर कोशिकाओं.

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Protocol

1. CIGS परत बयान

  1. एक 3 मिमी मोटी सोडा नींबू ग्लास सब्सट्रेट (SLG) पर मोलिब्डेनम की धूम, जमा 500 एनएम (वापस संपर्क परत).
  2. एक इनलाइन multistage CIGS प्रक्रिया 24 में CIGS के 2 माइक्रोन सह लुप्त हो जाना. परत मो वापस संपर्क जमा पर प्राप्त CIGS के चित्र 1 में दिखाया गया है.
  3. एक्स - रे प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोमेट्री (एक्सआरएफ) द्वारा CIGS परत का अभिन्न रचना उपाय. प्राप्त CIGS रचना तालिका 1 में दिखाया गया है.

2. एपीटी विश्लेषण के लिए साइट विशेष नमूने निर्माण

  1. बाद में नमूनों के लिए समर्थन किया जा रहा है, कई पिनों की एक पंक्ति प्राप्त करने के लिए दो हिस्सों में एक मंदिर मो ग्रिड काटें. 5 भार में Electropolishing द्वारा पिनों के सिरों एक धारक और घटना पर आधा ग्रिड मंदिर माउंट. नीचे एक टिप व्यास <2 माइक्रोन% NaOH के. प्रक्रिया एक त्रिविमेक्ष का उपयोग कर नियंत्रित उचित हो सकता है. फिर एक और धारक टी पर electropolished ग्रिड माउंटटोपी अनुक्रमिक मिथ्या, मंदिर, EBSD, और एपीटी लक्षण वर्णन के लिए अनुकूलित है.
  2. मिल CIGS पतली फिल्म में दो खाइयों पाने के लिए एक काटकर (चित्रा 2). मिथ्या का उपयोग कर हिस्सा के बाईं ओर एक पहला मुक्त कटौती करें.
  3. आयन बीम प्रेरित रासायनिक वाष्प जमाव से एक पं. वेल्ड जमा कर हिस्सा micromanipulator देते हैं. फिर, कर अंतिम विपरीत साइट और लिफ्ट से बाहर मुक्त खड़े हिस्सा (चित्रा 2b) पर मुक्त काटा.
  4. निकाले हिस्सा के लिए एक अच्छा संयुक्त वाले एक कील (व्यास में 2-3 सुक्ष्ममापी) के लिए अब मंदिर मो आधा ग्रिड के तेज पिंस काटें. पं. बयान (चित्रा 2c) का उपयोग पिंस पर हिस्सा माउंट. एक नि: शुल्क में कटौती के अंत में मो पिन के शीर्ष पर हिस्सा का केवल एक छोटा सा हिस्सा (2 माइक्रोन के आसपास) प्राप्त करने के लिए करें. बाद में उल्टा ग्रिड धारक माउंट और मो पिन और पंडित के साथ बढ़ टुकड़ा के बीच की खाई को भरने. शेष हिस्सा के साथ एक ही प्रक्रिया को आगे बढ़ाना है. लिफ्ट से बाहर के बारे में अधिक जानकारी के लिएप्रक्रिया, पाठक निम्न संदर्भ 18,25 परामर्श कर सकते हैं.
  5. ईमानदार ग्रिड प्लेस और मिथ्या में एक कम गति तेज वोल्टेज और मौजूदा किरण (5 केवी और <50 पीए) का उपयोग करके टुकड़ा के पार अनुभाग (पतले पं. वेल्ड साथ साइट का चयन) साफ. इस प्रकार एक एक चिकनी सतह और माप EBSD के लिए आवश्यक है जो गा + आरोपण, के कारण कम संदूषण हो जाता है.
  6. पार अनुभाग पर प्रदर्शन EBSD माप से ब्याज की एक जीबी का चयन करें. जीबी के उन्मुखीकरण चर्चा भाग में और अधिक विस्तार से वर्णन किया गया है जो स्थानीय बढ़ाई प्रभाव 26, कम करने के लिए परमाणु जांच (z-अक्ष) में विश्लेषण दिशा के लिए सम्मान के साथ खड़ा होना बेहतर है. एक जीबी के साथ एक उपयुक्त क्षेत्र चित्रा 2 में प्रकाश डाला है.
  7. एक तेज टिप फार्म करने के लिए कदम 2.6) में चयनित जीबी के क्षेत्र में एक कुंडलाकार मिलिंग कार्य करें. वक्रता त्रिज्या आगे मंदिर जांच के लिए काफी छोटा (<100 एनएम) होना चाहिएआयनों. इस लक्ष्य तक पहुंचने के लिए कदम (चित्रा 2 ई) द्वारा कुंडलाकार मिलिंग पद्धति कदम का भीतरी व्यास को कम करने और समन्वित रूप से माध्यमिक इलेक्ट्रॉन (एसई) द्वारा आकार देने टिप कल्पना. इस प्रकार एक किरण पारियों सही या अलग अलग प्रभाव आदि ग्रहण, पैदावार धूम से होने वाले सामग्री की लहर या पुनर्निक्षेपण तरह नोक पर अनियमितताओं को दूर करने के लिए मिलिंग पद्धति समायोजित कर सकते हैं.
  8. CIGS जीबीएस SEM में दिखाई नहीं कर रहे अन्य सामग्री (superalloys की तरह) के साथ तुलना में, यह जानकर कि मंदिर उपकरण (चित्रा 2 एफ देखें) का उपयोग करके टिप के शीर्ष करने के लिए सम्मान के साथ जीबीएस की सटीक स्थिति स्थानीय बनाना.
  9. जीबी एपीटी टिप के भीतर स्थित है, जहां ठीक जानने के बाद, मिथ्या को वापस नमूना हस्तांतरण और टिप के शीर्ष से नीचे अधिकतम 200 एनएम पर जीबी बैठा मिल नमूना जारी है. इस स्तर पर, मिलिंग बहुत कम केवी (5 केवी) और कम मौजूदा (<50 पीए) पर किया जाता है. दरअसल, लक्ष्य के करीब टी जीबी स्थानीय बनाना ही नहीं हैटिप के शीर्ष ओ, लेकिन यह भी गा + इस प्रक्रिया के दौरान एपीटी टिप के नुकसान को कम करने के लिए. समन्वित रूप से कम केवी मिलिंग के लिए, SEM में एपीटी टिप के आकार की कल्पना और टिप के शीर्ष (चित्रा 2 जी) से हटा दिया जाना चाहिए जो सामग्री की मात्रा को नियंत्रित करते हैं.
  10. मंदिर को फिर से नमूना स्थानांतरण और टिप के शीर्ष करने के लिए सम्मान के साथ जीबी की स्थिति की जाँच करें. जीबी स्थिति, नमूना व्यास के विकास और आधा टांग कोण के बारे में सटीक ज्ञान प्राप्त करने के लिए नमूना के एक सिंहावलोकन छवि (चित्रा 2) बनाओ. इस एपीटी डेटा की एक इष्टतम पुनर्निर्माण प्राप्त करने के लिए आवश्यक है. इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित हर्जाना और एपीटी माप में एक उच्च असफलता की दर को जन्म दे सकता है, जो सी प्रदूषण को कम करने के लिए कम आवर्धन और कम जोखिम बार का उपयोग करें.

3. एक CAMECA छलांग 3000X एचआर प्रणाली में एपीटी विश्लेषण

  1. एपीटी पकड़ में नमूना माउंटएर. फिर, उपलब्ध चार carousels में से एक में नमूना पक माउंट.
  2. लोड ताला अंदर नमूना पक युक्त हिंडोला डालें और लोड ताला पम्पिंग शुरू. लोड ताला अंदर वैक्यूम ~ 10 -7 Torr है, जब बफर कक्ष के अंदर हिंडोला डालें.
  3. सीए प्रतीक्षा के बाद. बफर चैम्बर (~ 7x10 -9 Torr) में वैक्यूम बहाल करने के लिए 1 घंटा, बफर चैम्बर से मुख्य विश्लेषण चैम्बर के लिए नमूना हस्तांतरण. यह एक मैन्युअल रूप से संचालित डिवाइस है जो एक क्षैतिज हस्तांतरण छड़ी, के साथ किया जाता है.
  4. 60 लालकृष्ण तापमान नीचे एपीटी, शांत अंदर माप शुरू करने से पहले यह कम तापमान विश्लेषण के दौरान नमूना की सतह पर परमाणुओं के प्रसार से बचना होगा. हम 60 कश्मीर सेट तापमान और नहीं नमूना के लेजर गर्मी को उच्च कारण होना चाहिए जो एपीटी नोक पर मापा असली तापमान है कि यहाँ ध्यान दें. जैसा Kellog एट अल द्वारा प्रस्तावित. 27, इस तापमानऊपरी खाते में रिश्तेदार आरोप राज्य के अनुपात लेने से अनुमान लगाया जा सकता है. CIGS सामग्री के क्षेत्र वाष्पीकरण अज्ञात है क्योंकि दुर्भाग्य से, इस काम में सुझावों का असली तापमान मुख्य रूप से गणना नहीं हो सकती.
  5. एपीटी प्रयोगों 532 एनएम के बारे में और 12 psec पल्स लंबाई की तरंग दैर्ध्य के साथ एक हरे रंग की लेजर का उपयोग कर लेजर मोड में किया जाता है.

4. एपीटी डेटा के पुनर्निर्माण

  1. CAMECA की एकीकृत दृश्य और विश्लेषण सॉफ्टवेयर (IVAs 3.6.2) आम तौर पर 3 डी मानचित्र के पुनर्निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है 28. साथ RHIT फ़ाइल (कच्चे डेटा सीधे एपीटी माप के बाद प्राप्त) खोलें
  2. निम्नलिखित आठ कदम 28 का उपयोग करते हुए 3 डी मानचित्र के पुनर्निर्माण कार्य करें:
    1. चरण 1 - सब प्रकृति के बारे में जानकारी और चयनित अध्ययन की सामग्री देने के केवल पढ़ने के लिए फलक है जो सेटअप.
    2. चरण 2 - चुनें आयन अनुक्रम रेंज. यह कदम नमूना के सापेक्ष आयन अनुक्रम सीमा को परिभाषित करता हैवोल्टेज के पुनर्निर्माण डेटा में चयनित किया जाना है.
    3. चरण 3 - चुनें डिटेक्टर रॉय. यह कदम डिटेक्टर रॉय (डिटेक्टर घटना हिस्टोग्राम पर काले अंडाकार) के बाहर स्थित आयनों को दूर करने का अवसर देता है.
    4. चरण 4 - TOF सुधार. यह कदम समय की उड़ान (TOF), वोल्टेज की गणना, और विश्लेषण के लिए डिटेक्टर के planarity ('कटोरा सुधार') सुधार.
    5. चरण 5 - मास अंशांकन. विश्लेषण जन स्पेक्ट्रम में मापा शिखर स्थिति में जाना आइसोटोप / प्रभारी राज्यों के साथ calibrated है.
    6. चरण 6 - आयन असाइनमेंट लेकर. इस चरण में जन स्पेक्ट्रम में चोटियों तत्व आइसोटोप पर्वतमाला को सौंपा है.
    7. चरण 7 - पुनर्निर्माण. वोल्टेज विधि, टांग कोण विधि या टिप प्रोफ़ाइल विधि: इस कदम का अधिग्रहण डेटा को तीन पुनर्निर्माण के तरीकों में से एक पर लागू होता है. पिछले एक हमारे 3 डी नक्शे को फिर से संगठित करने के लिए वर्तमान अध्ययन में प्रयोग किया जाता है. इस विधि ती की एक SEM या मंदिर छवि की आवश्यकतापी, के रूप में चित्रा 2 जी और चित्रा 2 में दिखाया गया है. पुनर्निर्माण में किसी भी बिंदु पर टिप त्रिज्या SEM छवि में परिभाषित अंक की एक श्रृंखला के बीच एक रैखिक प्रक्षेप द्वारा परिभाषित किया गया है.
    8. चरण 8 - पुष्टि. इस चरण में, पुनर्निर्माण टैब में बनाया पूर्वावलोकन एक बचाया विश्लेषण में बदल जाती है.

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Representative Results

चित्रा 3 एक पक्ष दृश्य (xz टुकड़ा) यादृच्छिक उच्च कोण जीबी (HAGB) 28.5 की मौलिक नक्शे से पता चलता ° - <511> शावक साइट विशेष तैयारी विधि द्वारा चित्रा 2 में चयन किया. एक CIGS HAGB में ना, कश्मीर, और हे की सह अलगाव सीधे एपीटी का उपयोग कर मैप किया जाता है. इन अशुद्धियों को सबसे अधिक संभावना ~ 600 डिग्री सेल्सियस पर CIGS परत के बयान के दौरान अवशोषक परत में SLG सब्सट्रेट के बाहर दूर तक फैला

चित्रा -4 ए 3 चित्र में दिखाया जीबी भर में घन, गा, और से एकाग्रता प्रोफाइल का पता चलता है. गा, में कॉपर,, और जीबी में से सांद्रता अनाज इंटीरियर (जीआईएस) में उन लोगों के लिए अलग अलग हैं. यह स्पष्ट रूप में समृद्ध है, जबकि कॉपर और गा, इस जीबी में समाप्त हो रहे हैं कि देखा जा सकता है. यह एक है कि घन रिक्ति पंक्तियाँ अर्थात्, अब-प्रभाव के तहत घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) गणना के आधार पर पेरसन एट अल. 29 से माने था क्या करने के समझौते में हैफिर अधिमान्यतया CIGS जीबीएस में गठन किया था. + घन 2 + 30 - संवर्धन और घन रिक्तीकरण में आरोप तटस्थ दोष जोड़ी 2V घन कम गठन ऊर्जा से समझाया जा सकता है. यह 3 चित्र में एपीटी डेटा एक यादृच्छिक HAGB के लिए प्राप्त हुई थी जबकि पेरसन एट अल द्वारा DFT गणना. 29, एक सममित जीबी (Σ 3 (112) टीबी) के लिए किया गया है कि ध्यान दिया जाना चाहिए. हमारे पिछले काम के 21 में उल्लेख किया है के रूप में इसके अलावा, घन समृद्ध और में समाप्त HAGBs भी एक ही सामग्री के लिए मनाया गया.

चित्रा 4b% पर 1.7 कर रहे हैं जो इस HAGB में ना, कश्मीर, और हे अशुद्धियों की सांद्रता, क्रमशः% पर% पर 0.035, और 0.4, (2 टेबल देखें) से पता चलता है. ना (Γ ना), कश्मीर (Γ कश्मीर), और हे (Γ हे) के लिए इसी इंटरफेसियल ज्यादतियों (Γ) मान की गणनाएपीटी डेटा से भी 2 तालिका में दिखाए जाते हैं. ये इंटरफेसियल ज्यादतियों Cahn दृष्टिकोण 31 का उपयोग कर की गणना की गई.

सैनिक 1 और सैनिक 2 की औसत रचनाओं (सैनिक: अनाज इंटीरियर, 2 टेबल देखें) एक मामूली से, में कॉपर की भिन्नता, और एक अनाज से दूसरे के लिए गा सांद्रता दिखा. ये एकाग्रता मूल्यों चित्रा -4 ए में एकाग्रता प्रोफाइल के साथ अच्छे समझौते में हैं. ना रचना (सैनिक 1 के लिए 50 पीपीएम और सैनिक 2 के लिए 60 पीपीएम, 1 टेबल देखें) लगभग स्थिर है, जबकि इसके अलावा, हे एकाग्रता एक अनाज से एक और (सैनिक 1 और सैनिक 2 के लिए 0 पीपीएम के लिए 170 पीपीएम) के लिए अलग है . अनाज के अंदर कश्मीर एकाग्रता नीचे इस एपीटी माप के शोर का स्तर है और इस तरह का पता लगाने सीमा से नीचे (= 45 ± 5 पीपीएम / एएमयू शोर स्तर) है.

चित्रा 1 तम्बू की चौड़ाई = "4in" के लिए: src = src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" / "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg">
चित्रा 1. मो लेपित सोडा नींबू ग्लास सब्सट्रेट पर एक CIGS परत के SEM छवि.

चित्रा 2
चित्रा 2. पं. बयान, ग से एक micromanipulator के संलग्न लिफ्ट से बाहर के लिए एक टुकड़ा की एक) मिलिंग, ख)) घ कुंडलाकार एक साफ पार अनुभाग, ई) पर, एक मंदिर मो आधा ग्रिड पर एक टुकड़ा टुकड़ा की EBSD माप) बढ़ते च ज कम केवी मिलिंग के बाद एपीटी टिप में,), एक पूर्व तेज टिप के एक जीबी का मंदिर छवि अंतिम कम केवी मिलिंग एक जीबी जी का मंदिर छवि)) मिलिंग. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 3 "के लिए: सामग्री चौड़ाई =" 5in "के लिए: src =" / "src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/ files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg>
चित्रा 3. में घन (नीला) के 3 डी एपीटी नक्शे, (गुलाबी), गा (पीला), एसई (लाल), ना (हरा), ओ और ओह (हल्का नीला), और कश्मीर (खाकी). इन 3 डी नक्शे सीधे ना दिखाने के लिए, पहले एपीटी विश्लेषण करने EBSD और मंदिर से विश्लेषण किया गया था, जो - एक HAGB (<511> शावक 28 °) में कश्मीर और हे अलगाव.

चित्रा 4
4 चित्रा. (क) घन, एसई, गा, में और (ख) ना, कश्मीर, 3 चित्र में दिखाया जीबी के माध्यम से हे एकाग्रता गहराई प्रोफाइल. इन प्रोफाइल का निर्माण किया जाता नमूना बॉक्स 32 x 32 x 0.3 एनएम 3 है. बार्स सांख्यिकीय त्रुटि (2σ) दे.= "_blank"> बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें मिलता है.

तत्व घन में गा से
सान्द्र. (% में) 22.3 18.6 7.2 51.9

तालिका 1. एक्सआरएफ द्वारा मापा CIGS परत का अभिन्न रचना.

तत्व सैनिक 1 (at.%) सैनिक 2 (at.%) जीबी (at.%) Γ जीबी (पर / 2 मीटर)
घन 21.5 ± 0.12 22.8 ± 0.12 18.2 ± 0.4 -
में 19.6 ± 0.12 19.4 ± 0.12 21.8 ± 0.4 -
गा 9.0 ± 0.09 9.6 ± 0.09 8 ± 0.3 -
से 49.7 ± 0.1 48.1 ± 0.15 49 ± 0.5 -
ना 0.005 ± 0.002 0.006 ± 0.002 1.7 ± 0.1 2.9 एक्स 10 18
कश्मीर - - 0.035 ± 0.01 7.5 एक्स 10 16
हे 0.017 ± 0.004 - 0.4 ± 0.07 8.4 एक्स 10 17

तालिका 2. घन में, गा, एसई, ना, कश्मीर, और हेअनाज इंटीरियर (सैनिक) में और जन चोटियों अतिव्यापी के deconvolution के बाद, एपीटी बड़े पैमाने पर करने के लिए प्रभारी स्पेक्ट्रा से प्राप्त CIGS के अनाज सीमा (जीबी) में रचना मूल्यों. Γ जीबी जीबी में इंटरफेसियल ज्यादतियों (Γ) का प्रतिनिधित्व करता है.

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Discussion

वर्तमान काम में, हम CIGS, फोटोवोल्टिक आवेदन के लिए इस्तेमाल एक मिश्रित अर्धचालक सामग्री में एक यादृच्छिक HAGB पर एपीटी परिणाम प्रस्तुत किया है. इसके अलावा, हम भी इस तरह के EBSD और मंदिर के रूप में पूरक तकनीकों, के साथ संयोजन के रूप में एपीटी CIGS सौर कोशिकाओं के लिए संरचना रचना गुण रिश्ते को स्पष्ट करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है कि पता चला है. सबसे पहले, EDX / मछली अनाज सीमा पर कम ना और हे सांद्रता का पता लगाने और दूसरी बात, EDX / मछली, विशेष रूप से सभी तत्वों के प्रति संवेदनशील नहीं है नहीं करने के लिए पर्याप्त संकल्प किया है क्योंकि दुर्भाग्य से, एपीटी और EDX / मंदिर में मछली के बीच संबंध संभव नहीं था ना और ओ के लिए

एपीटी रासायनिक nanoscale पर इंटरफेस चिह्नित करने के लिए और तीन आयामों 14-17 में उन्हें कल्पना करने में सक्षम एक अनोखी तकनीक है. पीपीएम के दसियों में अत्यधिक पतला अशुद्धता सांद्रता क्योंकि जन स्पेक्ट्रा में उच्च संकेत करने वाली शोर अनुपात का पता लगाया जा सकता है. का एक अन्य लाभएपीटी तकनीक उचित माप मानकों का चयन कर रहे हैं पता लगाने संवेदनशीलता तत्व विशेष के नहीं है.

एक CIGS जीबीएस में सही compositional मूल्यों को मापने के लिए और अनाज के अंदरूनी हिस्सों में, यह एपीटी विश्लेषण के लिए इष्टतम स्थितियों (तापमान, लेजर ऊर्जा, नाड़ी दर, आदि) का चयन करने के लिए महत्वपूर्ण है कि यहाँ उल्लेख करने की जरूरत है. यदि नहीं, तो इस तरह के तरजीही वाष्पीकरण और तत्वों की अवधारण के रूप में 32 कलाकृतियों नमूना की स्पंदित क्षेत्र वाष्पीकरण के दौरान हो सकता है. तत्वों के क्षेत्र वाष्पीकरण में एक बड़ा अंतर नहीं है जब इन कलाकृतियों में दिखा सकते हैं. इस प्रकार, क्षेत्र वाष्पीकरण दर, वोल्टेज, और लेजर ऊर्जा सभी तत्वों के बराबर संभावना के साथ हटा दिया जाएगा कि इस तरह से सेट किया जाना चाहिए. एपीटी विश्लेषण के लिए तदनुसार उपयुक्त मानकों का चयन करके, यहाँ दिखाया गया है, हम एक्सआरएफ (टेबल्स 1 और 2 देखें) से प्राप्त की एक की तुलना में करीब CIGS रचना पाया. हम यहाँ ध्यान दें कि टीवह एक्सआरएफ द्वारा CIGS में से एकाग्रता की overestimation CIGS / मो इंटरफेस में मौजूद मोसे 2 परत की वजह से है. एसई CIGS में सबसे अस्थिर प्रजाति के रूप में एपीटी (50% की अंकित मूल्य से नीचे) द्वारा मापा कम से एकाग्रता के लिए एक दूसरा कारण यह है कि लेजर दालों के बीच से की पसंदीदा वाष्पीकरण हो सकता है. इसके अलावा, में घन, और एपीटी और एक्सआरएफ के बीच गा सांद्रता में अंतर की वजह से है कि एक्सआरएफ उपायों CIGS फिल्म के एक औसत रचना जबकि स्थानीय स्तर पर एपीटी उपायों CIGS रचना,. दरअसल, यह अच्छी तरह से एकाग्रता में घन / एक अनाज से दूसरे को बदलता है और गा एकाग्रता उगाया फिल्म multistage में मनाया गा ढाल के कारण फिल्म (हमारे एपीटी टिप तैयार किया गया था जहां) के ऊपरी भाग में अधिक है कि जाना जाता है 33. हम मिथ्या स्रोत से आ रही कोई गा आयनों जन स्पेक्ट्रम में मनाया (गा मिथ्या से ही आइसोटोप 69 एएमयू के रूप में पाया जाता है) और यह एक से कम केवी मिलिंग के लिए मुख्य कारण है गया है कि यहाँ ध्यान देंपीटी सुझाव दिए.

एपीटी तकनीक के साथ इंटरफेस का अध्ययन करते समय मनाया जाता है जो एक मुख्य दोष यह है कि सामान्य रूप में जीबीएस की चौड़ाई, तो मंदिर छवियों (कम से कम 1 एनएम) से गणना की संरचनात्मक चौड़ाई के साथ तुलना में बढ़े या कम कर रहे हैं. यह स्थानीय बढ़ाई प्रभाव 26 की वजह से है. जीबी थोक सामग्री से अलग वाष्पीकरण क्षेत्र है जब यह प्रभाव होता है. एक उच्च वाष्पीकरण क्षेत्र (ई) के साथ एक जीबी टिप सतह पर एक उभार (ई ~ वी / आर, वी वक्रता त्रिज्या लागू वोल्टेज और आर) की ओर जाता है. इस मामले में जीबी से होने वाले आयनों आयनों के घनत्व में एक स्पष्ट कमी का कारण बनता है, जो बाहर की तरफ मोड़ना. इसके विपरीत, जीबी एक कम वाष्पीकरण क्षेत्र है जब जीबी के क्षेत्र में टिप की सतह आयन trajectories के अंदर की ओर मोड़ना जो चपटा किया जाएगा. इस मामले में, जीबी क्षेत्र में स्थानीय घनत्व अधिक हो जाएगा. इसके अलावा, प्रक्षेप पथ स्थानीय बढ़ाई प्रभाव की वजह से ओवरलैपडी Geuser एट अल द्वारा दिखाए गए के रूप में सांद्रता लगभग अपरिवर्तित रहते हैं, हालांकि यह भी, इंटरफेस में पार्श्व स्थानिक संकल्प खराब हो जाएगा. 34.

वर्तमान अध्ययन में पता चला यादृच्छिक HAGB अलगाव क्षेत्र (≈ 3 एनएम) की चौड़ाई 1 एनएम, एक जीबी की विशिष्ट संरचनात्मक चौड़ाई से भी बड़ा है. इसके अलावा, एपीटी द्वारा मापा परमाणु घनत्व स्थानीय बढ़ाई प्रभाव वाष्पीकरण के दौरान हुआ था कि जो इंगित करता है CIGS मैट्रिक्स में से जीबी से अधिक है. जीबी में उच्च घनत्व CIGS के अनाज के साथ तुलना में इस विशेष CIGS जीबी के निचले क्षेत्र के वाष्पीकरण से समझाया है. एकल आरोप लगाया आयनों के लिए, क्षेत्र वाष्पीकरण मान रहे एफ घन = 30 वी / एनएम, एफ = 12 वी / एनएम, एफ गा = 15 वी / एनएम में, एफ और कश्मीर = 60 वी / एनएम 35. एसई, ना, और ओ क्षेत्र वाष्पीकरण मूल्यों साहित्य में नहीं दिया जाता है. हम इन मूल्यों पी के लिए मान्य हैं कि यहाँ ध्यान देंतत्वों ure. ऐसे CIGS के रूप में मिश्रित अर्धचालक, में, इन तत्वों में से प्रत्येक के वाष्पीकरण अलग हो सकता है. फिर भी, चित्रा -4 ए में हम जीबी अनाज अंदरूनी हिस्सों में वर्तमान की तुलना में कम घन एकाग्रता जिसमें पाया. वास्तव में, यह कम घन एकाग्रता जीबी में वाष्पीकरण क्षेत्र कम हो सकती है. इसके अलावा, Letellier एट अल. 36 जीबी टिप अक्ष (z अक्ष) के समानांतर एक अभिविन्यास दृष्टिकोण के रूप में स्थानीय बढ़ाई प्रभाव लगातार बढ़ जाती है कि निकल आधारित superalloys के लिए सूचना दी. जीबी की चौड़ाई अन्य अध्ययनों से 37 की तुलना में केवल थोड़ा बढ़ा है क्यों यह समझा जा सकता है.

अंत में, एपीटी पढ़ाई तत्वों की एक 3 डी पुनर्वितरण नक्शे, लेकिन यह भी nanoscale पर इंटरफेस की रासायनिक संरचना न केवल प्रदान करते हैं. कई उपकरण nanoscale पर पढ़ाई प्रदर्शन के रूप में, एक विशेष ध्यान विश्लेषण गुणवत्ता और डेटा की व्याख्या करने के लिए भुगतान किया जाना चाहिए. दरअसल,एपीटी यह इन सीमाओं को एक सही डेटा व्याख्या सुनिश्चित करने के लिए मापा डेटा को प्रभावित कैसे को समझने के लिए महत्वपूर्ण है के रूप में अच्छी तरह से और इसलिए कुछ सीमाओं के पास.

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Acknowledgments

इस काम में जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (DFG) (अनुबंध सीएच 943/2-1) द्वारा स्थापित किया गया है. लेखकों को इस काम के लिए CIGS अवशोषक परत की तैयारी के लिए ज़ेनट्रूम फर Sonnenenergie-अंड Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg से वोल्फगैंग Dittus, और स्टीफन Paetel धन्यवाद देना चाहूंगा.

References

  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).
घन पर जांच एटम टोमोग्राफी स्टडीज (में, गा) से<sub&gt; 2</sub&gt; अनाज सीमाएँ
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Cojocaru-Mirédin, O., Schwarz, T., Choi, P. P., Herbig, M., Wuerz, R., Raabe, D. Atom Probe Tomography Studies on the Cu(In,Ga)Se2 Grain Boundaries. J. Vis. Exp. (74), e50376, doi:10.3791/50376 (2013).

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