Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ذرة دقق دراسات التصوير المقطعي على النحاس (IN، جا) سي 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

في هذا العمل، ونحن تصف استخدام تقنية التصوير المقطعي ذرة مسبار لدراسة حدود الحبوب من طبقة امتصاص في الخلايا الشمسية CIGS. يتم تقديم وسيلة جديدة لإعداد التحقيق نصائح ذرة تحتوي على حدود الحبوب المطلوب مع هيكل المعروف أيضا هنا.

Abstract

مقارنة مع التقنيات موجودة، ذرة مسبار التصوير المقطعي هو تقنية فريدة من نوعها قادرة على تميز كيميائيا الواجهات الداخلية في المقياس النانوي وفي ثلاثة أبعاد. في الواقع، APT تمتلك حساسية عالية (في حدود جزء من المليون) وقرار مكانية عالية (نانومتر الفرعية).

وقد أجريت الجهود الكبيرة هنا أن يعد غيض APT الذي يحتوي على الحدود الحبوب المطلوب مع هيكل معروف. في الواقع، وإعداد العينات الخاصة بكل موقع باستخدام مجتمعة تركز أيون شعاع، والإلكترون حيود تشتت ارتدادي، وانتقال المجهر الإلكتروني ويرد في هذا العمل. هذا الأسلوب يسمح حدود الحبوب اختيارها مع هيكل معروف وموقعه في النحاس (IN، جا) سي 2 رقيقة الأفلام ليتم دراستها من قبل ذرة مسبار التصوير المقطعي.

وأخيرا، نحن مناقشة مزايا وعيوب باستخدام ذرة مسبار التصوير المقطعي تقنية لدراسة حدود الحبوب في النحاس (IN، جا) سي 2 الخلايا الشمسية الرقيقة.

Introduction

وكانت خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية على أساس أشباه الموصلات المجمع كالكوبايرايت التنظيم النحاس (IN، جا) سي 2 (CIGS) كمادة امتصاص قيد التطوير لأكثر من عقدين من الزمن بسبب الكفاءة العالية وصلابة إشعاع ومستقرة على المدى الطويل تكاليف الأداء، وانخفاض الإنتاج 1-3. يمكن أن تكون ملفقة هذه الخلايا الشمسية مع استهلاك المواد فقط قليلا بسبب خصائص مواتية البصري للطبقة امتصاص CIGS، وهي فجوة نطاقها المباشر وامتصاص عالية 1،2 معامل. الأفلام امتصاص قليلة فقط ميكرومتر في السمك كافية لتوليد photocurrent عالية. منذ مسارات انتشار حاملات الشحنة photogenerated إلى الأقطاب هي قصيرة نسبيا، وامتصاص CIGS يمكن أن تنتج في شكل الكريستالات. كفاءة الحد الأقصى لالنحاس (IN، جا) سي 2 (CIGS) الخلايا الشمسية التي تحققت حتى الآن هو 20.4٪ 4، والذي هو أعلى قيمة بين جميع خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية.

ove_content "> إلى إنشاء المزيد من الأغشية الرقيقة التكنولوجيا الضوئية CIGS، على حد سواء في الحد من تكاليف الإنتاج وتحسين كفاءة الخلايا الشمسية ضرورية. هذا الأخير هو تعتمد بشدة على البنية المجهرية والكيميائية تكوين طبقة امتصاص CIGS. اجهات الداخلية، في حدود الحبوب خاصة (باريه) ضمن امتصاص، ولعب دورا محوريا، لأنها يمكن أن تؤثر على النقل من حاملات الشحنة photogenerated.

واحدة من القضايا التي لم تحل الرئيسية فيما يتعلق الخلايا الشمسية CIGS هي طبيعة حميدة من CIGS باريه، أي الكريستالات CIGS الأفلام امتصاص تسفر كفاءة الخلايا العالقة على الرغم من كثافة عالية من باريه وشعرية العيوب.

درس العديد من الكتاب باريه في CIGS الأفلام الصف الشمسية مع الاحترام لخصائصها الكهربائية 5،6، حرف وmisorientation 7-9 وكذلك فصل الشوائب 10-13. ومع ذلك، لا صلة واضحة بين هذه propertiويمكن إنشاء ES حتى الآن. على وجه الخصوص، هناك نقص كبير في المعلومات المتعلقة التركيب الكيميائي المحلية ومحتوى الشوائب من باريه.

في العقدين الماضيين، برزت اتوم دقق التصوير المقطعي (APT) باعتبارها واحدة من التقنيات الواعدة النانو التحليلية 14-17. حتى وقت قريب الدراسات APT من الخلايا الشمسية وقيدت إلى حد كبير من الصعوبات في عملية إعداد العينات وقدرة محدودة على تحليل مواد أشباه الموصلات باستخدام مجسات ذرة نابض الجهد التقليدية. وقد تم التغلب على هذه القيود إلى حد كبير في تطوير 'طريقة الرفع التدريجي' على أساس مركزة شعاع أيون (FIB) صفائح 18 وإدخال ليزر نابض APT 16. وقد نشرت العديد من الصحف حول توصيف APT من الخلايا الشمسية CIGS 19-23، والتي تشجع بقوة لمزيد من التحقيقات.

ويعطي هذا الورق توجيهي لكيفية دراسة داخلية أناnterfaces في CIGS الأغشية الرقيقة الخلايا الشمسية من قبل ذرة مسبار التصوير المقطعي تقنية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. CIGS طبقة ترسب

  1. تفل امانات 500 نيوتن متر من الموليبدينوم (طبقة الاتصال مرة أخرى) في الصعود إلى 3 مم الصودا الجير الركيزة الزجاج (SLG).
  2. شارك في تتبخر 2 ميكرون من CIGS في CIGS متعدد المراحل مضمنة عملية 24. وCIGS الحصول أودعت طبقة على مو الاتصال مرة أخرى هو مبين في الشكل 1.
  3. قياس تركيبة لا يتجزأ من طبقة CIGS بواسطة الأشعة السينية مضان الطيفي (XRF). ويرد تكوين CIGS تم الحصول عليها في الجدول رقم 1.

2. موقع المحدد عينات تلفيق للتحليل APT

  1. قطع مو شبكة TEM إلى نصفين من أجل الحصول على صف واحد من عدة دبابيس، كونها الدعم للعينات في وقت لاحق. تحميل نصف الشبكة TEM على حامل وتفتق نهايات المسامير التي كتبها بالكهرباء في 5 بالوزن. ٪ هيدروكسيد الصوديوم وصولا الى قطر الحافة <2 ميكرون. العملية يمكن أن تكون معقولة السيطرة عليها باستخدام المجسام. ثم تحميل شبكة electropolished على ر مالك آخرهو الأمثل قبعة لFIB متتابعة، TEM، EBSD، وتوصيف APT.
  2. طاحونة اثنين من الخنادق في الأغشية الرقيقة CIGS باستخدام FIB للحصول على تقويض (الشكل 2A). جعل أول خالية من قطع على الجانب الأيسر من قطعة.
  3. إرفاق مياداة مجهرية لشريحة عن طريق إيداع لحام PT بواسطة ايون شعاع يسببها ترسيب الأبخرة الكيميائية. ثم، وجعل قطع النهائي مجانا على موقع المعاكس ورفع خارجا قطعة قائمة بذاتها (الشكل 2B).
  4. قطع الآن دبابيس حادة من TEM مو نصف الشبكة إلى إسفين (2-3 ميكرون في القطر) وجود مشترك جيدة لاستخراج قطعة. تركيب قطعة على دبابيس باستخدام حزب العمال ترسب (الشكل 2C). جعل خفض تتردد في الحصول أخيرا سوى جزء صغير من قطعة (حوالي 2 ميكرومتر) على رأس دبوس مو. تحميل بعد ذلك صاحب الشبكة رأسا على عقب وملء الفجوة بين دبوس مو وقطعة شنت مع حزب العمال. متابعة نفس الإجراء مع قطعة المتبقية. لمزيد من التفاصيل حول رفع المغادرةالإجراء، يمكن للقارئ أن التشاور مع المراجع التالية 18،25.
  5. وضع الشبكة في وضع مستقيم وتنظيف المقطع العرضي للقطعة (اختيار الموقع مع أرق حزب العمال لحام) باستخدام الجهد المنخفض وشعاع المتسارع الحالي (5 كيلو فولت و<50 PA) في FIB. وهكذا واحد يحصل على سطح أملس وتلوث أقل نظرا لجا + غرس، وهو مطلوب لقياسات EBSD.
  6. من قياس EBSD أجريت على المقطع العرضي اختيار غيغابايت من الفائدة. اتجاه GB يفضل أن تكون متعامدة مع الاحترام لاتجاه التحليل في تحقيق ذرة (Z-محور) للحد من تأثير التكبير المحلية 26، والذي يوصف أكثر بالتفصيل في جزء المناقشة. يتم تمييز منطقة مناسبة مع GB في الشكل 2D.
  7. إجراء الطحن الحلقي في منطقة GB اختيارها في الخطوة 2.6) لتشكيل طرف حاد. دائرة نصف قطرها من انحناء ينبغي أن يكون كافيا الصغيرة (<100 نانومتر) لمزيد من TEM investigatالأيونات. للوصول إلى هذا الهدف، والحد من القطر الداخلي للنمط طحن الحلقي خطوة خطوة (2E الشكل) وتصور بصورة متزامنة غيض تشكيل بواسطة الإلكترون الثانوية (SE). وهكذا يمكن للمرء أن تصحيح التحولات شعاع أو ضبط نمط الطحن لإزالة المخالفات على الطرف مثل تموج أو إعادة الترسب من المواد القادمة من مختلف تفل المحاصيل، والتظليل الآثار وغيرها.
  8. توطين الموقف الدقيق للباريه فيما يتعلق قمة غيض باستخدام أداة TEM (انظر الشكل 2F)، مع العلم أنه بالمقارنة مع غيرها من المواد (مثل السبائك الفائقة) في CIGS باريه تكون غير مرئية في SEM.
  9. معرفة على وجه التحديد حيث يقع GB داخل غيض APT، نقل العينة إلى FIB والاستمرار في طاحونة العينة إلى وضعه غيغابايت كحد أقصى 200 نانومتر أدناه قمة الحافة. في هذه المرحلة، ويتم الطحن في كيلو فولت منخفض جدا (5 كيلو فولت) والتيار المنخفض (<50 باسكال). في الواقع، والهدف هو ليس فقط لتوطين GB أقرب ريا قمة من غيض، ولكن أيضا للحد من الضرر عليه + من طرف APT خلال هذا الإجراء. وفي نفس الوقت لطحن كيلوفولت منخفض، تصور شكل غيض APT في SEM والسيطرة على كمية من المواد التي يجب إزالتها من على قمة الطرف (الشكل 2G).
  10. نقل العينة مرة أخرى إلى TEM والتحقق من موقف GB فيما يتعلق قمة الحافة. جعل صورة عامة عن العينة (الشكل 2H) للحصول على معرفة دقيقة عن موقف GB، تطور قطر العينات والنصف عرقوب الزاوية. وهذا أمر ضروري لتحقيق إعادة البناء الأمثل للبيانات APT. وعلاوة على ذلك، استخدم تكبير منخفضة وانخفاض مرات التعرض للتقليل من شعاع الإلكترون الأضرار التي يسببها التلوث وC والتي يمكن أن تؤدي إلى أعلى معدل الفشل في قياسات APT.

3. تحليل APT في CAMECA LEAP 3000X نظام HR

  1. تحميل عينة في عنبر APTإيه. ثم، تحميل عفريت العينة في واحدة من أربعة دوارات المتاحة.
  2. إدراج دائري يحتوي على عفريت عينة داخل قفل تحميل وبدء ضخ القفل الحمل. عندما الفراغ داخل قفل الحمل هو ~ 10 -7 عربة، إدراج دائري داخل غرفة عازلة.
  3. بعد انتظار كاليفورنيا. 1 ساعة لاستعادة فراغ في غرفة عازلة (~ 7x10 -9 عربة)، ونقل عينة من غرفة المخزن المؤقت إلى غرفة التحليل الرئيسي. يتم ذلك مع قضيب نقل الأفقي، الذي هو جهاز تشغيلها يدويا.
  4. قبل البدء في قياس داخل APT، يبرد في درجة الحرارة إلى 60 درجة حرارة منخفضة K. هذا سوف تجنب انتشار الذرات على سطح العينة أثناء التحليل. ونلاحظ هنا أن 60 K هي درجة الحرارة مجموعة وليس قياس درجة الحرارة الحقيقية على الطرف APT، الذي ينبغي أن يكون أعلى نظرا لحرارة الليزر للعينة. على النحو الذي اقترحه كيلوج وآخرون. 27، هذا درجات الحرارةويمكن تقدير تلح من قبل مع مراعاة النسبية المسؤول عن دولة النسبة. لسوء الحظ، في هذا العمل درجة الحرارة الحقيقية للنصائح ولا يمكن حساب ذلك أساسا بسبب تبخر مجال المواد CIGS غير معروف.
  5. وتجرى التجارب APT في وضع ليزر باستخدام الليزر الأخضر مع طول موجة من حوالي 532 نانومتر و 12 psec طول النبض.

4. إعادة بناء البيانات APT

  1. فتح ملف RHIT (البيانات الأولية التي تم الحصول عليها مباشرة بعد القياسات APT) مع التصور CAMECA والمتكاملة وبرامج التحليل (IVAS 3.6.2) 28 تستخدم عادة لإعادة بناء الخريطة 3D.
  2. تنفيذ إعادة بناء الخريطة 3D باستخدام الخطوات الثمانية التالية 28:
    1. الخطوة 1 - الإعداد الذي هو جزء للقراءة فقط إعطاء كل التفاصيل حول طبيعة ومحتوى الدراسة المحددة.
    2. الخطوة 2 - حدد نطاق تسلسل أيون. وتعرف هذه الخطوة على نطاق ايون تسلسل النسبي لعينةالجهد التي سيتم اختيارها في البيانات إعادة بناء.
    3. الخطوة 3 - اختر كاشف ROI. هذه الخطوة تعطي الفرصة لإزالة أيونات تقع خارج كاشف العائد على الاستثمار (أسود القطع الناقص على الرسم البياني حدث كاشف).
    4. الخطوة 4 - التصويبات TOF. هذه الخطوة يحسب الجهد، والوقت من الطيران (TOF)، وبلاناريتي من كاشف ('عاء تصحيح') تصويبات للتحليل.
    5. الخطوة 5 - معايرة الكتلة. يتم معايرة الموقف الذروة قياس الطيف الكتلي في تحليلها مع النظائر المعروف / تهمة الدول.
    6. الخطوة 6 - أحداث مهمة أيون. في هذه الخطوة يتم تعيين قمم في الطيف الشامل لنطاقات النظائر عنصر.
    7. الخطوة 7 - إعادة الإعمار. هذه الخطوة ينطبق احدة من ثلاث طرق إعادة الإعمار إلى البيانات التي حصل عليها: طريقة الجهد، وطريقة عرقوب الزاوية أو الطريقة طرف رفيعة. يتم استخدام آخر واحدة في الدراسة الحالية لإعادة بناء لدينا خارطة 3D. يتطلب هذا الأسلوب لSEM أو TEM صورة من منظمة الشفافية الدوليةع، كما هو مبين في الشكل 2G و 2H الشكل. يتم تعريف دائرة نصف قطرها طرف في أي نقطة في إعادة الإعمار من قبل الخطية بين سلسلة من النقاط المحددة في الصورة SEM.
    8. الخطوة 8 - تأكيد. في هذه الخطوة، يتم تحويل المعاينة التي تم إنشاؤها في علامة التبويب إعادة الإعمار إلى تحليل المحفوظة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 3 وجهة نظر الجانب (شريحة XZ) خريطة عنصري من عشوائية عالية زاوية GB (HAGB) 28.5 ° - <511> الشبل اختيارها في الشكل 2 بواسطة طريقة إعداد مواقع محددة. شارك في فصل الصوديوم، البوتاسيوم، وO في HAGB CIGS تم تعيينها مباشرة باستخدام APT. هذه الشوائب تنتشر على الأرجح من الركيزة SLG في طبقة امتصاص خلال ترسب طبقة CIGS في ~ 600 درجة مئوية.

الشكل 4A يظهر النحاس، في، GA، وملامح تركيز سه عبر GB هو موضح في الشكل 3. والنحاس، في، GA، وتركيزات سي في GB تختلف عن تلك الموجودة في الداخل الحبوب (GIS). ويمكن بوضوح أن ينظر إلى أن النحاس والجا تنضب في هذا GB، في حين أنه في غير المخصب. هذا هو في الاتفاق على ما كان يفترض من قبل بيرسون وآخرون. 29 على أساس الكثافة الوظيفية نظرية (تجهيز الدوائر) الحسابات AB-منذ البداية، وهو أن النحاس الصفوف شغورإعادة تفضيلي شكلت في CIGS باريه. لفي تخصيب اليورانيوم واستنزاف النحاس يمكن تفسيره من خلال انخفاض الطاقة تشكيل تهمة محايد عيب الزوج 2V النحاس - + في النحاس 2 + 30. وتجدر الإشارة إلى أن الحسابات DFT بواسطة بيرسون وآخرون. تم القيام به ل29 GB متناظرة (3 Σ (112) TB)، في حين تم الحصول على البيانات APT في الشكل (3) لHAGB عشوائي. وعلاوة على ذلك، لوحظت النحاس والمخصب والمنضب داخل HAGBs أيضا لنفس المادة على النحو المذكور في عملنا السابق 21.

ويبين الشكل 4B تركيزات الصوديوم، البوتاسيوم، وO الشوائب في هذا HAGB، والتي هي 1.7 في٪، 0.035٪ في، و 0.4 في المائة على التوالي (انظر الجدول 2). تجاوزات بينية المقابلة (Γ) قيم نا (Γ نا)، K (Γ K)، وO (Γ O) محسوبمن البيانات APT ترد أيضا في الجدول 2. تم حساب هذه التجاوزات بينية باستخدام نهج كاهن 31.

متوسط ​​التراكيب من GI 1 و 2 GI (GI: الداخلية الحبوب، انظر الجدول رقم 2) إظهار اختلاف طفيف من النحاس، في، سي، وتركيزات جا من ذرة واحدة إلى أخرى. هذه القيم هي تركيز في اتفاق جيد مع لمحات تركيز في الشكل 4A. وعلاوة على ذلك، فإن تركيز O يختلف عن ذرة واحدة إلى أخرى (170 جزء في المليون لGI 1 و 0 جزء في المليون لGI 2) في حين، وتكوين نا هو ثابت تقريبا (50 جزء في المليون لGI 1 و 60 جزء في المليون لGI 2، انظر الجدول رقم 1) . تركيز K داخل الحبوب هو دون مستوى الضجيج من هذا القياس APT (مستوى الضوضاء = 45 ± 5 جزء في المليون / اتحاد المغرب العربي)، وبالتالي أقل من حد الكشف.

الشكل 1 خيمة العرض = "4IN" FO: SRC = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg" SRC = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" />
الشكل 1. SEM صورة طبقة CIGS على مو الصودا الجير المغلفة الركيزة الزجاج.

الشكل 2
الشكل 2. أ) الطحن وقسما للرفع التدريجي، ب) ربط لمياداة مجهرية من جانب حزب العمال الترسيب، ج) تركيب قطعة قطعة على TEM مو نصف الشبكة، د) قياس EBSD على المقطع العرضي تنظيفها، ه) الحلقي طحن تلميح قبل شحذ، و) صورة TEM من G GB) النهائي طحن كيلوفولت منخفضة، ح) صورة TEM من GB في الطرف APT بعد الطحن كيلوفولت منخفضة. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

الشكل (3) "FO: محتوى العرض =" 5IN "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/>
الشكل (3). خرائط 3D APT من النحاس (الأزرق)، وفي (وردي)، جا (الصفراء)، SE (الحمراء)، نا (الأخضر)، وO OH (الضوء الأزرق)، وK (الكاكي). هذه الخرائط 3D تظهر مباشرة نا، K وO الفصل في HAGB (28 ° - <511> الشبل)، الذي تم تحليلها من قبل EBSD وTEM قبل التحليل APT.

الشكل 4
الشكل 4. (أ) النحاس، SE، GA، وفي (ب) الصوديوم، البوتاسيوم، O تركيز ملامح العمق من خلال GB هو موضح في الشكل 3. مربع أخذ العينات المستخدمة لبناء هذه التشكيلات هي 32 × 32 × 0.3 نانومتر 3. قضبان تعطي الأخطاء الإحصائية (2σ).احصل = "_blank"> اضغط هنا لعرض أكبر شخصية.

عنصر CU في GA SE
اضرب. (في٪) 22.3 18.6 7.2 51.9

الجدول 1. تكوين متكاملة من طبقة CIGS تقاس XRF.

العناصر GI 1 (at.٪) GI 2 (at.٪) GB (at.٪) Γ GB (AT / م 2)
CU 21.5 ± 0.12 22.8 ± 0.12 18.2 ± 0.4 -
في 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 × 10 18
K - - 0.035 ± 0.01 7.5 × 10 16
O 0.017 ± 0.004 - 0.4 ± 0.07 8.4 × 10 17

الجدول 2. CU، في، GA، سي، الصوديوم، البوتاسيوم، وOقيم التكوين في المناطق الداخلية الحبوب (GI) وعلى الحدود الحبوب (GB) من CIGS تم الحصول عليها من APT أطياف الشامل إلى تهمة، بعد deconvolution من تداخل القمم الشامل. Γ GB يمثل تجاوزات بينية (Γ) في GB.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في العمل الحالي، قدمنا ​​نتائج APT على HAGB عشوائية في CIGS، وهو مادة أشباه الموصلات مركب يستخدم لتطبيق الضوئية. وعلاوة على ذلك، لقد أظهرنا أيضا أن APT بالتزامن مع التقنيات التكميلية، مثل EBSD وTEM، هو أداة قوية لتوضيح خصائص العلاقة بين الهيكل والتكوين للخلايا الشمسية CIGS. للأسف، كان الارتباط بين APT وEDX / ثعابين في TEM غير ممكن لأن أولا، EDX / ثعابين لديه لا يكفي قرار للكشف عن تركيزات منخفضة الصوديوم وO في حدود الحبوب وثانيا، EDX / ثعابين ليست حساسة لجميع العناصر، خصوصا بالنسبة للصوديوم وO.

APT هو تقنية فريدة من نوعها قادرة على تميز كيميائيا واجهات في المقياس النانوي، وتصور لهم في ثلاثة أبعاد 14-17. ويمكن الكشف عن تركيزات النجاسة المخففة للغاية في عشرات من جزء في المليون وذلك بسبب ارتفاع نسبة إشارة إلى الضوضاء في أطياف الشامل. ميزة أخرى للتقنية APT هو أن حساسية الكشف هو العنصر غير محددة إذا ويتم اختيار المعلمات قياس مناسبة.

يحتاج المرء أن نذكر هنا أن لقياس القيم التركيبية بدقة في CIGS باريه في مجال الديكورات والحبوب، فمن المهم لاختيار الظروف المثلى لتحليل APT (درجة الحرارة، طاقة الليزر، ومعدل النبض، الخ). إذا لم يكن كذلك، قد التحف مثل تبخر تفضيلية والاحتفاظ 32 من عناصر تحدث أثناء التبخر حقل نابض للعينة. هذه القطع الأثرية قد تظهر عندما يكون هناك فارق كبير في تبخر مجال العناصر. وبالتالي، فإن معدل تبخر الميدان، والجهد، وطاقة الليزر يجب أن يتم تعيين في مثل هذه الطريقة التي ستتم إزالة كافة العناصر مع احتمال متساوية. كما هو موضح هنا، عن طريق اختيار المعلمات المناسبة تبعا للتحليل APT، وجدنا وثيقة تكوين CIGS بالمقارنة مع واحدة حصلت عليها XRF (انظر الجدولين 1 و 2). ونلاحظ هنا أن رانه المبالغة في تقدير تركيز السيلينيوم في CIGS بواسطة XRF ويرجع ذلك إلى موسي 2 طبقة موجودة في واجهة CIGS / مو. والسبب الثاني لتركيز السيلينيوم أقل تقاس APT (أقل من القيمة الاسمية لل50٪) قد يكون تبخر المفضل للسه بين نبضات الليزر كما سه هو النوع الأكثر تقلبا في CIGS. وعلاوة على ذلك، فإن الفرق في نحاس، في، وتركيزات جا بين APT وXRF ويرجع ذلك إلى حقيقة أن التدابير APT تكوين CIGS محليا، في حين أن التدابير XRF تركيبة بلغ متوسط ​​للفيلم CIGS. في الواقع، فمن المعروف جيدا أن نحاس / في تركيز يختلف من ذرة واحدة إلى أخرى، وتركيز جا هو أعلى في الجزء العلوي من الفيلم (حيث أعد لنا نصيحة APT) وذلك بسبب التدرج جا متعدد المراحل لوحظ في فيلم نمت 33. ونلاحظ هنا أن لم يلاحظ أي أيونات جا قادمة من مصدر FIB في الطيف الشامل (جا من FIB تم العثور فقط كما النظائر 69 اتحاد المغرب العربي) وهذا يرجع أساسا إلى طحن كيلوفولت منخفضة من Aنصائح PT.

واحد العيب الرئيسي الذي لوحظ عند دراسة واجهات مع تقنية APT هو أنه في عام العرض من باريه، إما تكبير أو تصغير مقارنة مع العرض الهيكلي المحسوبة من صور TEM (أقل من 1 نانومتر). ويرجع ذلك إلى تأثير التكبير المحلية 26 هذا. هذا التأثير يحدث عندما GB يحتوي على حقل تبخر مختلفة من المواد السائبة. A GB مع حقل التبخر أعلى (E) يؤدي إلى نتوء على سطح طرف (E ~ V / R، V هي الجهد المطبق وR نصف قطر انحناء). في هذه الحالة الأيونات مصدره GB يصرف إلى الخارج، والذي يسبب الانخفاض الواضح في كثافة الأيونات. على العكس، عندما GB يحتوي على حقل التبخر أقل سيتم بالارض سطح تلميح في منطقة GB تحرف مسارات الداخل أيون. في هذه الحالة، فإن كثافة المحلية في المنطقة GB تكون أعلى. وبالإضافة إلى ذلك، تتداخل مسارات الناجمة عن تأثير التكبير المحليةو سوف تتدهور أيضا القرار المكاني الجانبية في واجهة، على الرغم من أن تركيزات دون تغيير تقريبا كما هو موضح من قبل دي Geuser وآخرون 34.

وفي الدراسة الحالية، وعرض لعشوائية المنطقة العزل HAGB الكشف عن (≈ 3 نانومتر) أكبر من 1 نانومتر، وعرض الهيكلية النموذجية للGB. وعلاوة على ذلك، فإن الذرية الكثافة تقاس APT أعلى على GB مما كانت عليه في مصفوفة CIGS الذي يشير إلى أن تأثير التكبير المحلية قد وقعت خلال التبخر. ويفسر كثافة أعلى في GB بواسطة تبخر مجال أقل من هذا CIGS GB سيما بالمقارنة مع الحبوب CIGS. لأيونات مشحونة واحدة، القيم تبخر المجال هي F النحاس = 30 V / نانومتر، F = 12 V في / نانومتر، F جا = 15 V / نانومتر، وF K = 60 V / 35 نانومتر. لا تعطى سه، نا، والقيم تبخر مجال O في الأدب. ونلاحظ هنا أن هذه القيم هي صالحة للPلدى عودتهم العناصر. في أشباه الموصلات المجمع، مثل CIGS، قد تبخر كل عنصر من هذه العناصر تكون مختلفة. ومع ذلك، في الشكل 4A وجدنا أن GB يحتوي على تركيز أقل من النحاس موجودة في الداخلية الحبوب. في الواقع، قد يكون هذا تركيز النحاس أدنى تقليل التبخر في مجال GB. وعلاوة على ذلك، ذكرت Letellier وآخرون. 36 لالسبائك الفائقة النيكل القائم أن تأثير التكبير المحلية يزيد باستمرار كما GB تقترب من التوجه موازية للمحور طرف (ض محور). ولعل هذا يفسر لماذا عرض GB يتم تكبير فقط قليلا بالمقارنة مع دراسات أخرى 37.

وفي الختام، تقدم دراسات APT ليس فقط خريطة إعادة توزيع 3D من العناصر، ولكن أيضا التركيب الكيميائي للواجهات في المقياس النانوي. كما العديد من الأدوات إجراء دراسات في المقياس النانوي، وينبغي إيلاء اهتمام خاص لجودة تحليل وتفسير البيانات. في الواقع،APT تمتلك بعض القيود وكذلك وبالتالي فإنه من المهم أن نفهم كيف يمكن لهذه القيود تأثير على البيانات المقاسة لضمان تفسير البيانات الصحيحة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

تأسست هذا العمل من قبل مؤسسة البحوث الألمانية (DFG) (العقد CH 943/2-1). فإن الكتاب أود أن أشكر فولفغانغ Dittus، وستيفان Paetel من ZENTRUM FÜR Sonnenenergie الوطنيون Wasserstoff-Forschung بادن فورتمبيرغ لإعداد طبقة امتصاص CIGS لهذا العمل.

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).

Tags

الفيزياء، العدد 74، الكيمياء، نظرية الحقل (الفيزياء)، البلورات، ومواد أشباه الموصلات والفيزياء الحالة الصلبة، فيزياء المادة المكثفة، الأغشية الرقيقة (النظرية وترسب والنمو)، وعيوب وضوح الشمس، التركيب البلوري (أشباه الموصلات)، الأغشية الرقيقة الخلايا الشمسية ، النحاس (IN، جا) سي
ذرة دقق دراسات التصوير المقطعي على النحاس (IN، جا) سي<sub&gt; 2</sub&gt; حدود الحبوب
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Cojocaru-Mirédin, O., Schwarz,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter