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Engineering

Atom Probe Studi tomografia sul Cu (In, Ga) se 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

In questo lavoro, si descrive l'uso della tecnica tomografia atomo-sonda per studiare i bordi grano dello strato assorbitore in una cella solare CIGS. Un nuovo approccio per preparare le punte della sonda atomo contenenti il ​​bordo di grano desiderata con una struttura nota è anche presentato qui.

Abstract

Rispetto alle tecniche esistenti, atomo sonda tomografia è una tecnica unica in grado di caratterizzare chimicamente le interfacce interne alla nanoscala e in tre dimensioni. Anzi, APT possiede elevata sensibilità (dell'ordine di ppm) e ad alta risoluzione spaziale (sub nm).

Notevoli sforzi sono stati fatti qui per preparare una punta APT che contiene il bordo di grano desiderato con una struttura nota. Infatti, site-specific di preparazione del campione utilizzando in combinazione concentrata di litio-beam, electron backscatter diffrazione, e microscopia elettronica a trasmissione viene presentato in questo lavoro. Questo metodo permette di bordi di grano selezionate con una struttura nota e la posizione in Cu (In, Ga) Se due film sottili per essere studiati da tomografia atomo sonda.

Infine, discuteremo i vantaggi e gli svantaggi di usare la sonda tecnica di tomografia atomo di studiare i bordi di grano in Cu (In, Ga) Se 2 celle solari a film sottile.

Introduction

Celle solari a film sottile basati sulla calcopirite strutturato semiconduttori composti di Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) come il materiale assorbitore sono in fase di sviluppo per più di due decenni a causa della loro elevata efficienza, resistenza alla radiazione, stabile a lungo termine prestazioni e bassi costi di produzione 1-3. Queste celle solari possono essere fabbricate con solo poco consumo di materiale a causa delle proprietà favorevoli ottiche dello strato assorbitore CIGS, ovvero un bandgap diretto e un elevato coefficiente di assorbimento 1,2. Film assorbitore di pochi micrometri di spessore sono sufficienti a generare un elevato fotocorrente. Poiché i percorsi di diffusione dei portatori di carica fotogenerati agli elettrodi sono relativamente brevi, assorbitori CIGS possono essere prodotti in forma policristallina. L'efficienza massima di un Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) cella solare realizzato finora è 20,4% 4, che è il valore più alto tra tutte le celle solari a film sottile.

ove_content "> Per stabilire ulteriormente la tecnologia fotovoltaica a film sottile CIGS, sia la riduzione dei costi di produzione e il miglioramento dell'efficienza delle celle solari sono essenziali. Quest'ultimo è fortemente dipendente dalla microstruttura e la composizione chimica dello strato di assorbitore CIGS. Interfacce interne, in particolare i bordi di grano (GBS) entro l'assorbitore, gioca un ruolo fondamentale, in quanto possono influenzare il trasporto di portatori di carica fotogenerati.

Uno dei principali problemi irrisolti per quanto riguarda le celle solari CIGS è la natura benigna di CIGS GB, cioè policristallino CIGS film assorbitore producono efficienze delle celle in sospeso, nonostante una elevata densità di GBS e reticolo difetti.

Diversi autori hanno studiato GB in CIGS film solar-grade rispetto alle loro proprietà elettriche 5,6, carattere e misorientation 7-9 così come impurità segregazione 10-13. Tuttavia, un chiaro legame tra questi Propertieses potrebbe essere stabilito fino ad ora. In particolare, vi è una sostanziale mancanza di informazioni circa la composizione chimica locale e contenuto di impurità del GB.

Negli ultimi due decenni, Atom Probe Tomography (APT) è emerso come uno dei più promettenti tecniche di nano-analitiche 14-17. Fino a tempi recenti studi APT di celle solari sono state in gran parte limitato da difficoltà nel processo di preparazione del campione e la limitata capacità di analizzare materiali semiconduttori che utilizzano sonde atomo pulsata tensione convenzionali. Queste restrizioni sono state in gran parte superato dallo sviluppo del 'metodo lift-out' sulla base di un fascio ionico (FIB) fresatura mirata 18 e l'introduzione del laser pulsato APT 16. Diversi articoli sulla caratterizzazione APT di celle solari CIGS sono state pubblicate 19-23, che sono fortemente incoraggiante per ulteriori indagini.

Questo documento fornisce una linea guida su come studiare interna interfaces in CIGS a film sottile celle solari da parte della sonda tecnica di tomografia atomo.

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Protocol

1. CIGS Layer Deposition

  1. Polverizzazione catodica-deposito 500 nm di molibdeno (back strato di contatto) su una soda lime substrato di vetro di spessore di 3 mm (SLG).
  2. Co-evaporare 2 micron di CIGS in CIGS inline processo multistadio 24. Le CIGS ottenuti strato depositato sul Mo contatto retro è mostrato in Figura 1.
  3. Misurare la composizione integrale di strato CIGS per fluorescenza a raggi X spettrometria (XRF). La composizione CIGS ottenuto è mostrato in Tabella 1.

2. Site-specific Campioni Fabrication per analisi APT

  1. Tagliare una griglia TEM Mo in due metà per ottenere una fila di perni diversi, essendo il supporto per i campioni successivi. Montare la metà griglia TEM su un supporto conico e le estremità dei perni di elettrolucidatura in peso 5. % NaOH fino a un diametro di punta <2 micron. Il processo può essere ragionevole controllato utilizzando uno stereoscopio. Poi montare la griglia elettrolitica su un altro supporto di tcappello è ottimizzato per sequenziale FIB, TEM, EBSD, e la caratterizzazione APT.
  2. Mill due trincee nella CIGS a film sottile utilizzando FIB per ottenere uno scarico (Figura 2a). Fare un primo libero-taglio sul lato sinistro del pezzo.
  3. Fissare il micromanipolatore per il pezzo depositando un Pt saldatura da fascio ionico indotto deposizione di vapore chimico. Poi, fare la finale di libero taglio sul lato opposto e lift-out il pezzo free-standing (Figura 2b).
  4. Tagliate ora i perni taglienti della TEM Mo mezza griglia per un cuneo (2-3 micron di diametro) con un buon misto per il pezzo estratto. Montare il pezzo sui perni utilizzando Pt deposizione (Figura 2c). Rendono un free-cut per ottenere infine, solo una piccola parte dello spezzone (circa 2 micron) sulla parte superiore del perno Mo. Successivamente montare il supporto griglia a testa in giù e colmare il divario tra il perno di Mo e il pezzo montato con Pt. Perseguire la stessa procedura con il pezzo rimanente. Per maggiori dettagli su l'ascensore-outprocedura, il lettore può consultare i seguenti riferimenti 18,25.
  5. Posizionare la griglia verticale e pulire la sezione trasversale dello spezzone (scegliere il sito con diluente Pt saldatura) con una tensione di accelerazione e bassa corrente di fascio (5 kV e <50 pA) nel FIB. Così si ottiene una superficie liscia e meno contaminazione dovuta Ga + impianto, che è richiesto per misurazioni EBSD.
  6. Dalla misura EBSD effettuata sulla sezione trasversale scegliere un GB di interesse. L'orientamento della GB è preferibile essere perpendicolare rispetto alla direzione di analisi nella sonda atomo (asse z) per ridurre l'effetto di ingrandimento locale 26, che è descritta più in dettaglio nella parte discussione. Uno spazio adeguato con un GB è evidenziato in Figura 2d.
  7. Eseguire una fresatura anulare nella zona del GB selezionata al punto 2.6) per formare una punta acuminata. Il raggio di curvatura deve essere abbastanza piccolo (<100 nm) per ulteriori TEM investigationi. Per raggiungere questo obiettivo, ridurre il diametro interno della fresatura anulare schema passo passo (figura 2e) e contemporaneamente visualizzarne la punta sagomatura da elettroni secondari (SE). Così si può correggere spostamenti del fascio o regolare la dima di fresatura per rimuovere le irregolarità sulla punta come ripple o rideposizione di materiali derivanti da diverso polverizzazione dei rendimenti, shadowing effetti ecc.
  8. Localizzare la posizione precisa della GB rispetto al vertice della punta utilizzando lo strumento TEM (vedi figura 2f), sapendo che rispetto ad altri materiali (come superleghe) la CIGS GBS non sono visibili in SEM.
  9. Sapere esattamente dove la GB si trova all'interno della punta APT, trasferire il campione di nuovo al FIB e continuare a fresare il campione di situare la GB al massimo di 200 nm sotto l'apice della punta. In questa fase, la macinazione avviene a bassissima kV (5 kV) e bassa corrente (<50 pA). Infatti, l'obiettivo è non solo di localizzare il più vicino GB to l'apice della punta, ma anche per ridurre il danno Ga + della punta APT durante questa procedura. Concomitanza alla fresatura basso kV, visualizzare la forma della punta APT in SEM e controllare la quantità di materiale che deve essere rimosso dal vertice della punta (Figura 2g).
  10. Trasferire nuovamente il campione alla TEM e controllare la posizione del GB rispetto al vertice della punta. Fai una foto panoramica del campione (Figura 2h) per ottenere una conoscenza precisa circa la posizione GB, l'evoluzione del diametro di campione e la metà gambo angolo. Ciò è necessario per conseguire una ricostruzione ottimale dei dati APT. Inoltre, utilizzare bassi ingrandimenti e tempi di esposizione ridotti di minimizzare fascio di elettroni indotti danni e contaminazioni C che può portare ad un tasso di fallimento superiore nelle misure APT.

3. Analisi APT in un salto 3000X Sistema HR CAMECA

  1. Montare il campione nella stiva APTER. Poi caricare il disco preparato in uno dei quattro caroselli disponibili.
  2. Inserire la giostra contenente il puck campione all'interno della serratura carico e iniziare a pompare la serratura carico. Quando il vuoto all'interno della serratura carico è ~ 10 -7 Torr, inserire il carosello all'interno della camera buffer.
  3. Dopo aver atteso ca. 1 hr per ripristinare il vuoto nella camera di transito (~ 7x10 -9 Torr), trasferire il campione dalla camera tampone alla principale camera di analisi. Questo è fatto con un asta trasferimento orizzontale, che è un dispositivo ad azionamento manuale.
  4. Prima dell'avvio della misura all'interno della APT, raffreddare la temperatura a 60 K. Le basse temperature evitare la diffusione degli atomi sulla superficie del campione durante l'analisi. Notiamo che 60 K è la temperatura impostata e non la reale temperatura misurata sulla punta APT, che dovrebbe essere più elevato a causa del calore laser del provino. Come proposto da Kellog et al. 27, questa temperatura può essere stimata tenendo conto del grado di-stato-rapporto di carica. Purtroppo, in questo lavoro la reale temperatura delle punte potrebbe non essere calcolato soprattutto perché il campo evaporazione del materiale CIGS è sconosciuto.
  5. Esperimenti di APT sono svolte in modalità laser utilizzando un laser verde con una lunghezza d'onda di circa 532 nm e 12 di lunghezza impulsi psec.

4. Ricostruzione di dati APT

  1. Aprire il file RHIT (dati grezzi ottenuti direttamente dopo misurazioni di APT), con visualizzazione integrata di CAMECA e software di analisi (IVAS 3.6.2) 28 generalmente utilizzato per ricostruire la mappa 3D.
  2. Eseguire la ricostruzione della mappa 3D utilizzando le seguenti otto passaggi 28:
    1. Fase 1 - Impostazione che è di sola lettura riquadro dando tutti i dettagli circa la natura e il contenuto dello studio selezionato.
    2. Fase 2 - Seleziona Gamma sequenza di ioni. Questo passaggio definisce la gamma ionico sequenza rispetto al provino-Tensione da selezionare nei dati ricostruendo.
    3. Fase 3 - Scegliere il rilevatore di ROI. Questo passaggio dà la possibilità di rimuovere gli ioni situati esternamente alla rilevatore ROI (nero ellisse sul istogramma evento rivelatore).
    4. Passo 4 - TOF correzioni. Questo passaggio elabora la tensione, il tempo di volo (TOF), e la planarità del rivelatore ('ciotola correzione') correzioni per l'analisi.
    5. Fase 5 - Calibrazione di massa. La posizione del picco misurata nello spettro di massa analizzato è calibrato con noti isotopi / carica stati.
    6. Fase 6 - Intervallo di assegnazione di ioni. In questa fase i picchi nello spettro di massa sono assegnati ai campi di isotopi di elementi.
    7. Fase 7 - Ricostruzione. Questo passaggio si applica uno dei tre metodi di ricostruzione per i dati acquisiti: Metodo di tensione, il metodo di attacco ad angolo o il metodo punta-profilo. L'ultimo è usato in studio per ricostruire il nostro 3D-mappa. Questo metodo richiede una immagine SEM o TEM della TIp, come mostrato nella figura 2g e 2h Figura. Il raggio della punta in qualsiasi punto nella ricostruzione è definito da una interpolazione lineare tra una serie di punti definiti nell'immagine SEM.
    8. Fase 8 - Conferma. In questa fase, l'anteprima create nella scheda ricostruzione viene convertito un'analisi salvata.

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Representative Results

La figura 3 mostra una vista laterale (xz slice) mappa elementare del casuale ad alto angolo GB (HAGB) 28.5 ° - <511> cucciolo selezionato nella figura 2 con il metodo di preparazione del sito-specifica. Co-segregazione di Na, K e O in una CIGS HAGB viene mappato direttamente usando APT. Queste impurità più probabile diffusi del substrato SLG nello strato assorbitore durante la deposizione dello strato di CIGS a ~ 600 ° C.

La Figura 4a mostra il Cu, Al, Ga, e profili di concentrazione attraverso il selenio GB mostrato in Figura 3. Il Cu, Al, Ga, e le concentrazioni di selenio al GB sono diverse da quelle nell'interno grani (IG). Si può chiaramente vedere che il Cu e Ga sono esaurite in questo GB, mentre in si arricchisce. Questo è in accordo con quanto postulato da Persson et al. 29, sulla base di ab-initio densità teoria calcoli funzionali (DFT), vale a dire che le righe di posti vacanti Cu unri preferenzialmente formato alla CIGS GB. L'Nel arricchimento e il depauperamento Cu potrebbe essere spiegata dalla bassa energia formazione della carica neutra difetto coppia 2V Cu - Cu 2 + In + 30. Va notato che i calcoli DFT da Persson et al. 29 sono stati fatti per una simmetrica GB (Σ 3 (112) TB), mentre i dati di APT in figura 3 è stata ottenuta una HAGB casuale. Inoltre, Cu-In-arricchito e impoverito HAGBs stati osservati anche per lo stesso materiale come menzionato nel nostro precedente lavoro 21.

La Figura 4b mostra le concentrazioni di Na, K e O impurità in questo HAGB, che sono al 1,7%, a 0.035%, e 0,4% a, rispettivamente (vedi Tabella 2). I corrispondenti eccessi interfacciali (Γ) i valori di Na (Γ Na), K (K Γ) e O (Γ O) calcolatida dati APT sono anche indicati in Tabella 2. Questi eccessi interfacciali sono stati calcolati utilizzando Cahn approccio 31.

Le composizioni medie di GI 1 e il GI 2 (GI: interno grano, vedi Tabella 2) mostrano una leggera variazione di Cu, Al, Se, e le concentrazioni Ga da un grano all'altro. Questi valori di concentrazione sono in buon accordo con i profili di concentrazione nella figura 4a. Inoltre, la concentrazione di O è diverso da un grano all'altro (170 ppm per il GI 1 e 0 ppm per GI 2) considerando che la composizione Na è quasi costante (50 ppm per il GI 1 e 60 ppm per il GI 2, vedi Tabella 1) . La concentrazione di K all'interno dei grani è sotto il livello di rumore di questa misura APT (livello di rumore = 45 ± 5 ppm / amu) e quindi inferiore al limite di rilevazione.

Figura 1 tenda-width = "4in" fo: src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" />
Figura 1. Immagine SEM di uno strato di CIGS su Mo rivestito calcico substrato di vetro.

Figura 2
Figura 2. a) fresatura di un blocco per sollevare-out, b) allegando di un micromanipolatore da Pt deposizione, c) montaggio di un pezzo pezzo su un TEM Mo mezza griglia, d) misurazione EBSD su una sezione trasversale disinfettati, e) anulare fresatura di una punta pre-affilata, f) immagine TEM di un GB g) def fresatura a basso kV, h) Immagine TEM di un GB nella punta APT dopo la fresatura a basso kV. Clicca qui per ingrandire la figura .

Figura 3 "fo: contenuti-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/>
Figura 3. Mappe 3D APT di Cu (blu), IN (rosa), GA (giallo), SE (rosso), Na (verde), O e OH (luce blu) e K (kaki). Queste mappe 3D mostrano direttamente Na, K e O segregazione in un HAGB (28 ° - <511> CUB), che è stato analizzato mediante EBSD e TEM prima dell'analisi APT.

Figura 4
Figura 4. (A) Cu, Se, Ga, In e (b) Na, K, O concentrazione profili di profondità attraverso il GB mostrato in Figura 3. La scatola di campionamento utilizzato per costruire questi profili è 32 x 32 x 0,3 nm 3. Barre danno gli errori statistici (2σ).ottenere = "_blank"> Clicca qui per ingrandire la figura.

Elemento Cu In Ga Se
Conc. (In%) 22.3 18.6 7.2 51.9

Tabella 1. Composizione integrale di strato di CIGS misurata dal XRF.

Elementi GI 1 (At.%) GI 2 (At.%) GB (At.%) Γ GB (a / m 2)
Cu 21,5 ± 0,12 22,8 ± 0,12 18.2 ± 0.4 -
In 19,6 ± 0,12 19,4 ± 0,12 21.8 ± 0.4 -
Ga 9.0 ± 0.09 9.6 ± 0.09 8 ± 0.3 -
Se 49.7 ± 0.1 48,1 ± 0,15 49 ± 0.5 -
Na 0,005 ± 0,002 0.006 ± 0.002 1.7 ± 0.1 2,9 x 10 18
K - - 0.035 ± 0.01 7,5 x 10 16
O 0,017 ± 0,004 - 0,4 ± 0,07 8.4 x 10 17

Tabella 2. Cu, Al, Ga, Se, Na, K e Ovalori di composizione nell'interno grano (GI) e al bordo di grano (GB) di CIGS ottenuti da APT spettri di massa e carica, dopo deconvoluzione di sovrapposizione picchi di massa. Γ GB rappresenta gli eccessi interfacciali (Γ) al GB.

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Discussion

Nel presente lavoro, abbiamo presentato i risultati APT su un HAGB casuale in CIGS, un materiale semiconduttore composto utilizzato per applicazioni fotovoltaiche. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che l'APT in combinazione con tecniche complementari, come EBSD e TEM, è un potente strumento per chiarire le proprietà di struttura-composizione relazione per le celle solari CIGS. Purtroppo, la correlazione tra APT e EDX / EELS in TEM non era possibile perché in primo luogo, EDX / EELS non ha una risoluzione sufficiente per rilevare basse concentrazioni di Na e O al bordo di grano e in secondo luogo, EDX / EELS non è sensibile a tutti gli elementi, in particolare per Na e O.

APT è una tecnica unica in grado di caratterizzare chimicamente le interfacce su scala nanometrica e visualizzarli in tre dimensioni 14-17. Concentrazioni di impurità altamente diluite in decine di ppm possono essere rilevati a causa dell'elevato rapporto segnale-rumore negli spettri di massa. Un altro vantaggio diAPT tecnica è che la sensibilità di rilevamento non è specifico per l'elemento se sono selezionati opportuni parametri di misura.

Bisogna qui ricordare che per misurare con precisione i valori compositivi in CIGS GB e negli interni di grano, è importante scegliere le condizioni ottimali per l'analisi APT (temperatura, energia laser, frequenza cardiaca, ecc). Se non, manufatti come evaporazione preferenziale e ritenzione di 32 elementi possono verificarsi durante il campo pulsato evaporazione del campione. Questi manufatti possono presentarsi quando vi è una grande differenza di campo evaporazione degli elementi. Pertanto, il tasso di evaporazione campo, la tensione, e l'energia laser devono essere impostati in modo tale che tutti gli elementi vengono rimossi con la stessa probabilità. Come mostrato qui, scegliendo i parametri appropriati per l'analisi corrispondentemente APT, abbiamo trovato vicino CIGS composizione rispetto a quello ottenuto con XRF (vedi Tabelle 1 e 2). Notiamo qui che tegli sovrastima della concentrazione di selenio in CIGS per XRF è dovuto al 2 strato presente all'interfaccia CIGS / Mo Mose. Una seconda ragione per la concentrazione più bassa misurata Se da APT (inferiore al valore nominale del 50%) potrebbe essere l'evaporazione preferita di Se tra gli impulsi laser come Se è la specie più volatili in CIGS. Inoltre, la differenza di Cu, Al, Ga e concentrazioni tra APT e XRF è dovuto al fatto che le misure del APT composizione CIGS localmente, mentre misure XRF una composizione medio della pellicola CIGS. Infatti, è ben noto che il Cu / In concentrazione varia da un grano all'altro e la concentrazione Ga è più alta nella parte superiore del film (in cui è stata preparata la punta APT) a causa del gradiente Ga osservato nel multistadio pellicola cresciuta 33. Notiamo che nessuna ioni Ga provenienti dalla sorgente FIB state osservate nello spettro di massa (Ga dal FIB si trova solo come isotopo 69 amu) e questo è dovuto principalmente alla fresatura basso kV della APunte PT.

Uno svantaggio principale che si osserva quando si studiano le interfacce con tecnica APT è che in generale la larghezza del GBS sono o ingrandita o ridotta rispetto alla larghezza strutturale calcolato da immagini TEM (inferiori a 1 nm). Ciò è dovuto all'effetto di ingrandimento locale 26. Questo effetto si verifica quando la GB ha un campo evaporazione differente dal materiale sfuso. Una GB con un campo maggiore evaporazione (E) porta ad una protuberanza alla superficie della punta (E ~ V / R, V è la tensione applicata e R il raggio di curvatura). In questo caso gli ioni provenienti dalla GB deviano verso l'esterno, che provoca una diminuzione della densità apparente di ioni. Viceversa, quando la GB ha un campo di evaporazione inferiore la superficie della punta nella regione del GB sarà appiattita che deviano le traiettorie di ioni verso l'interno. In questo caso, la densità locale nella regione GB sarà più alto. Inoltre, le traiettorie sovrappongono causate dall'effetto ingrandimento locales sarà anche peggiorare la risoluzione spaziale laterale all'interfaccia, sebbene le concentrazioni rimangono quasi invariate come dimostrato da De Geuser et al. 34.

Nello studio corrente, la larghezza della zona di segregazione casuale HAGB rilevato (≈ 3 nm) è maggiore di 1 nm, la tipica larghezza strutturale di un GB. Inoltre, la densità atomica misurato da APT è più elevata al GB che nella matrice CIGS che indica che era verificato l'effetto di ingrandimento locale durante l'evaporazione. La densità più elevata al GB si spiega con l'evaporazione campo inferiore di questa particolare CIGS GB rispetto ai grani di CIGS. Per ioni carichi singoli, i valori di evaporazione di campo sono F Cu = 30 V / nm, F In = 12 V / nm, F GA = 15 V / nm, e F K = 60 V / 35 nm. SE, Na e O i valori di evaporazione di campo non sono riportati in letteratura. Notiamo qui che questi valori sono validi per pure elementi. In semiconduttori composti, come CIGS, l'evaporazione di ciascuno di questi elementi può essere diverso. Tuttavia, in figura 4a abbiamo trovato che la GB contiene una concentrazione inferiore rispetto Cu presenti negli interni grano. Infatti, questa concentrazione Cu inferiore può diminuire il campo evaporazione sulla GB. Inoltre, Letellier et al. Riportarono 36 per superleghe a base di nichel che l'effetto di ingrandimento locale aumenta continuamente come GB avvicina un orientamento parallelo all'asse punta (asse z). Ciò può spiegare perché la larghezza della GB è soltanto leggermente ingrandita rispetto ad altri studi 37.

In conclusione, gli studi APT forniscono non solo una mappa 3D ridistribuzione degli elementi, ma anche la composizione chimica delle interfacce su scala nanometrica. Come molti strumenti di esecuzione di studi su scala nanometrica, una particolare attenzione deve essere rivolta alla qualità di analisi e interpretazione dei dati. Anzi,APT possiede alcune limitazioni come bene e quindi è importante capire come queste limitazioni influenzano i dati di misura per assicurare una corretta interpretazione dei dati.

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Acknowledgments

Questo lavoro è fondata dal tedesco Research Foundation (DFG) (Contratto CH 943/2-1). Gli autori desiderano ringraziare Wolfgang Dittus, e Stefan Paetel dal Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg per la preparazione dello strato di assorbitore CIGS per questo lavoro.

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).

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Atom Probe Studi tomografia sul Cu (In, Ga) se<sub&gt; 2</sub&gt; Bordi di grano
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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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