Login processing...

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

Engineering

Atom Probe Tomography Studies på Cu (In, Ga) Se- doi: 10.3791/50376 Published: April 22, 2013

Summary

I detta arbete, beskriver vi användningen av atomen-sonden tomography teknik för att studera korngränserna i absorbentskiktet i en CIGS solcell. En ny metod för att framställa de tips atom prob innehållande den önskade korngränsen med en känd struktur presenteras också här.

Abstract

Jämfört med de existerande teknikerna, är atom sond tomografi en unik teknik kunna kemiskt karakterisera de interna gränssnitten i nanoskala och i tre dimensioner. I själva verket besitter APT hög känslighet (i storleksordningen ppm) och hög rumslig upplösning (under nm).

Avsevärda ansträngningar gjordes här för att förbereda en APT spets som innehåller den önskade korngränsen med en känd struktur. Sannerligen, kombinerat fokuserad-jon-stråle, elektron backscatter diffraktion, och transmissionselektronmikroskopi platsspecifik provberedning användning presenteras i detta arbete. Denna metod tillåter utvalda korngränser med känd struktur och lokalisering i Cu (In, Ga) Se 2 tunn-filmer som ska studeras av atom sond tomografi.

Slutligen diskuterar vi för-och nackdelar med att använda atomen sonden tomografi teknik för att studera korngränserna i Cu (In, Ga) Se-2 thin-film solceller.

Introduction

Thin-film solceller baserade på kopparkis-strukturerade halvledarföreningen Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) som absorbermaterialet har varit under utveckling i mer än två decennier på grund av sin höga effektivitet, strålning hårdhet, långsiktigt stabil prestanda och låga produktionskostnader 1-3. Dessa solceller kan tillverkas med endast liten materiell konsumtion på grund av de gynnsamma optiska egenskaper CIGS absorbatorn skiktet, nämligen ett direkt bandgap och en hög absorptionskoefficienten 1,2. Absorbentfilmer av endast några få mikrometer i tjocklek är tillräckliga för att generera en hög fotoström. Eftersom diffusionsvägarna av fotogenererade laddningsbärare på elektroderna är relativt korta, kan CIGS absorbenter framställas i polykristallin formulär. Den maximala verkningsgraden för en Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) solcell som hittills uppnåtts är 20,4% 4, vilket är det högsta värdet bland alla tunnfilm solceller.

ove_content "> För att ytterligare etablera CIGS tunn film solceller teknik, både minskningen av produktionskostnaderna och förbättringen av solcell effektivitet är viktigt. Det senare är starkt beroende av mikrostruktur och kemisk sammansättning av CIGS absorberskiktet. Interna gränssnitt, särskilt korngränser (GBS) i absorbatorn, spelar en central roll, eftersom de kan påverka transporten av fotogenererade laddningsbärare.

En av de viktigaste olösta frågorna med avseende på CIGS-solceller är den godartade natur CIGS GBs, dvs polykristallina CIGS absorbentfilmer ger enastående cell effektivitetsvinster trots en hög täthet av GBs och gitter defekter.

Flera författare studerade GBs i sol-grade CIGS filmer med avseende på deras elektriska egenskaper 5,6, karaktär och misorientation 7-9 samt förorening segregation 10-13. Men ingen tydlig koppling mellan dessa properties kunde fastställas hittills. I synnerhet finns det en stor brist på information om den lokala kemiska sammansättningen och halten föroreningar i GBS.

Under de senaste två decennierna, har Atom Probe Tomography (APT) dykt upp som en av de lovande nano-analysteknik 14-17. Tills nyligen APT studier av solceller har till stor del begränsas av svårigheter i provberedning processen och begränsad förmåga att analysera halvledarmaterial med användning av konventionella pulsad spänning atom sonder. Dessa restriktioner har till stor del övervinnas genom utveckling av "lift-ut-metoden" bygger på fokuserade jonstrålar (FIB) fräsning 18 och införandet av pulsad laser APT 16. Flera artiklar om APT karakterisering av CIGS-solceller har publicerats 19-23, som är starkt uppmuntrande för fortsatta undersökningar.

Detta dokument ger en riktlinje för hur man studerar inre jagnterfaces i CIGS tunnfilms-solceller av atomen sonden tomografi teknik.

Protocol

Ett. CIGS Layer Deposition

  1. Sputter-insättning 500 nm av molybden (back kontakt skikt) på en 3 mm tjock sodaglas substrat (SLG).
  2. Co-avdunsta 2 pm av CIGS i en inline flerstegs CIGS-processen 24. De erhållna CIGS-skikt avsatta på Mo tillbaka kontakt visas i figur 1.
  3. Mät integrerad sammansättningen av CIGS-skikt med röntgen fluorescens spektrometri (XRF). Den erhållna CIGS sammansättning visas i tabell 1.

2. Platsspecifika prover Fabrication för APT analys

  1. Skär en TEM Mo rutnät i två halvor för att erhålla en rad av flera stift, som är stöd för de senare proven. Montera TEM halva gallret på en hållare och avsmalnande ändarna av stiften genom elektropolering i 5 vikt. % NaOH ner till en spetsdiameter <2 | im. Processen kan vara rimligt styras med en stereoskopet. Montera sedan elektropolerade gallret på annan innehavare thatten är optimerad för sekventiell FIB, TEM, EBSD och APT karakterisering.
  2. Mill två diken in i CIGS tunn-film med användning av FIB att få en underskärning (figur 2a). Gör en första fri-cut på vänster sida av en stor bit.
  3. Fäst mikromanipulator till bit genom avsättning av en Pt svets genom jon-stråle inducerad kemisk ångavsättning. Sedan gör den slutliga fri-klipp på motsatt sida och lyft ut den fristående bit (figur 2b).
  4. Skär nu de vassa stiften i TEM Mo halv-nätet till en kil (2-3 mikrometer i diameter) med en bra gemensam för extraherade bit. Montera bit på stiften med Pt deposition (Figur 2c). Gör en fri skuren för att slutligen erhålla endast en liten del av en stor bit (ca 2 ^ m) på toppen av Mo pin. Efteråt montera gallret hållaren upp och ner och fylla gapet mellan Mo stift och monterade pjäs med Pt. Fortsätta med samma procedur med den återstående bit. För mer information om lift-outförfarande, kan läsaren konsultera följande referenser 18,25.
  5. Placera gallret upprätt och rengör tvärsnitt av en stor bit (välj plats med tunnare Pt svets) med en låg accelererande spänning och strålström (5 kV och <50 Pa) i FIB. Sålunda man får en slät yta och mindre förorening på grund av Ga + implantering, vilket krävs för EBSD mätningar.
  6. Från EBSD mätningen utförd på tvärsnittet välja en GB av intresse. Orienteringen av GB är att föredra att vara vinkelrät i förhållande till analysen riktning i atomen sonden (z-axel) för att minska den lokala förstoring effekt 26, som beskrivs mer i detalj i diskussionen delen. Ett lämpligt område med en GB är markerat i figur 2d.
  7. Utför en ringformig fräsning i det område av GB valts i steg 2,6) för att bilda en vass spets. Krökningsradien bör vara tillräckligt liten (<100 nm) för ytterligare TEM utrederjoner. För att nå detta mål, minska den inre diametern hos den ringformiga fräsning mönstret steg för steg (fig 2e) och samtidigt visualisera spetsen formning genom sekundär elektron (SE). Således kan man korrigera balk skift eller justera fräsning mönstret för att ta bort ojämnheter på spetsen som krusning eller återavsättning av material från olika sputter avkastning, skuggeffekter osv.
  8. Lokalisera den exakta positionen för GBs med avseende på spetsen av spetsen med hjälp av TEM verktyget (se fig 2f) i vetskap om att jämfört med andra material (som superlegeringar) CIGS GBs är inte synliga i SEM.
  9. Att veta exakt var GB är belägen inom APT spets, överföra provet tillbaka till FIB och fortsätta att mala den provet att placera den GB vid maximala 200 nm under spetsen av spetsen. I detta skede, är fräsning sker vid mycket låg kV (5 kV) och låg ström (<50 pA). I själva verket är målet inte bara att lokalisera GB närmare to spetsen av spetsen, men också för att minska Ga + skador på APT spetsen under denna procedur. Åtföljande den låga kV-fräsning, visualisera formen på APT spetsen i SEM och kontrollera mängden av det material som skall avlägsnas från spetsen av spetsen (fig 2g).
  10. Överför igen preparatet till den TEM och kontrollera positionen för GB med avseende på spetsen av spetsen. Gör en översikt bild av provet (figur 2h) för att få exakt kunskap om GB ställning, utvecklingen av provet diameter och halva skaftet-vinkel. Detta är nödvändigt för att uppnå en optimal rekonstruktion av APT-data. Dessutom använder låga förstoringar och minskade exponeringstider för att minimera elektronstrålebehandlade inducerade skador och C kontaminering som kan leda till en högre felfrekvens i apt mätningarna.

Tre. APT Analys i en Cameca LEAP 3000X HR-system

  1. Montera provet i APT lastrummeter. Sedan monterar provet pucken i ett av de fyra karuseller tillgängliga.
  2. Sätt i karusellen med provexemplaret pucken inne lasten låset och börja pumpa lasten låset. När vakuumet inuti lasten låset är ~ 10 -7 Torr, sätter karusellen inuti bufferten kammaren.
  3. Efter att ha väntat ca. 1 timme för att återställa vakuum i uppsamlingskammaren (~ 7x10 -9 Torr), överföra provet från buffertkammaren till den huvudsakliga analyskammaren. Detta görs med en horisontell överföring stång, som är en manuell anordning.
  4. Innan mätningen påbörjas inne i APT, kyla ner temperaturen till 60 K. Denna låga temperatur kommer att undvika spridning av atomerna på ytan av provet under analysen. Vi noterar här att 60 K är den inställda temperaturen och inte det verkliga temperatur som uppmäts på APT spetsen, som bör vara högre på grund av lasern värme av provet. Som föreslagits av Kellog et al. 27, denna temperaturen kan uppskattas genom att ta hänsyn till den relativa laddningen-state-förhållande. Tyvärr, i detta arbete den verkliga temperaturen av tipsen inte kunde beräknas främst eftersom fältet avdunstning av CIGS materialet är okänd.
  5. APT experimenten utförs i lasermod med en grön laser med en våglängd på ca 532 nm och 12 ps pulslängd.

4. Rekonstruktion av APT Data

  1. Öppna RHIT filen (rådata direkt erhålls efter APT mätningar) med Cameca s integrerade visualisering och analys (IVAS 3.6.2) 28 används i allmänhet för att rekonstruera 3D-kartan.
  2. Utför rekonstruktion av 3D-karta med hjälp av följande åtta steg 28:
    1. Steg 1 - installation som är en skrivskyddad rutan med alla uppgifter om arten och innehållet i den valda studien.
    2. Steg 2 - välj jon sekvens sortiment. Detta steg definierar jon-sekvensen intervall i förhållande till provet-Spänning som skall väljas i de rekonstruera data.
    3. Steg 3 - Välj detektor ROI. Detta steg ger möjlighet att avlägsna joner utanför detektorn ROI (svart ellips på detektorn händelsen histogram).
    4. Steg 4 - TOF korrigeringar. Detta steg beräknar spänningen, tid-of-flight (TOF), och planhet detektorn ('skål korrektion') korrektioner för analys.
    5. Steg 5 - Mass kalibrering. Den uppmätta topp position i det analyserade masspektrum kalibreras med kända isotop / laddning stater.
    6. Steg 6 - Varierade ion uppdrag. I detta steg topparna i masspektrum är tilldelade intervall elementet isotopen.
    7. Steg 7 - återuppbyggnad. Det här steget gäller en av tre Rekonstruktionsmetoderna till de förvärvade data: spänning metod, skaft-vinkel metoden eller tip-profil metoden. Den sista används i föreliggande studie att rekonstruera vår 3D-karta. Denna metod kräver en SEM eller TEM bild av tip, såsom visas i figur 2g och 2h Figur. Spetsen radie vid vilken punkt som helst i återuppbyggnaden definieras av en linjär interpolation mellan en serie punkter som definieras i SEM-bilden.
    8. Steg 8 - Bekräftelse. I detta steg är förhandsvisningen skapas i återuppbyggnaden fliken konverteras till en sparad analys.

Representative Results

Figur 3 visar en sidovy (xz skiva) elementärt karta över den slumpmässiga hög vinkel GB (HAGB) 28,5 ° - <511> cub valts i fig. 2 genom platsspecifik beredningsmetod. Co-segregering av Na, K och O vid en CIGS HAGB avbildas direkt använder APT. Dessa föroreningar sannolikt diffunderat ut ur SLG substratet in i absorbentskiktet under avsättningen av CIGS skiktet vid ~ 600 ° C.

Figur 4a visar Cu, In, Ga, och Se profiler koncentration över GB visas i figur 3. Den Cu, In, Ga, och Se koncentrationer på GB är olika dem i korn inre (GIS). Det kan tydligt ses att Cu och Ga är utarmade på detta GB, medan I berikas. Detta är i överensstämmelse med vad som postulerade av Persson et al. 29 på grundval av ab-initio täthetsfunktionalteori (DFT) beräkningar, nämligen att Cu vakans rader enre företrädesvis bildad vid CIGS GBS. Den I anrikning och Cu utarmning skulle kunna förklaras av den låga bildningen energi av avgiften neutral defekt par 2V Cu - + I Cu 2 + 30. Det bör noteras att de DFT-beräkningar av Persson et al. Var 29 gjort för ett symmetriskt GB (Σ 3 (112) TB), medan de APT Data i figur 3 erhölls för en slumpmässig HAGB. Vidare har Cu-anrikade och In-utarmade HAGBs observerades också för samma material som nämns i vårt tidigare arbete 21.

Figur 4b visar koncentrationerna av Na, K, och O föroreningar vid denna HAGB, som är 1,7 atom-%, 0,035 at%, och 0,4 at%, respektive (se tabell 2). Motsvarande gränsyt överdrifter (Γ) värden för Na Na), K K) och O O) beräknatfrån APT uppgifter visas även i tabell 2. Dessa gränsytmedel överdrifter beräknades med Cahn tillvägagångssätt 31.

De genomsnittliga sammansättning GI 1 och GI 2 (GI: grain inredning, se tabell 2) visar en liten variation av Cu, I, Se, och GA koncentrationer från ett korn till ett annat. Dessa koncentrationsvärden är i god överensstämmelse med koncentrationen profilerna i figur 4a. Dessutom är O koncentrationen skiljer sig från ett korn till ett annat (170 ppm för GI 1 och 0 ppm för GI 2) medan Na kompositionen är nästan konstant (50 ppm för GI 1 och 60 ppm för GI 2, se tabell 1) . K koncentrationen inuti kornen är under brusnivån på denna APT mätning (ljudnivå = 45 ± 5 ppm / amu) och därmed under detektionsgränsen.

Figur 1 tält-width = "4in" fo: src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" />
Figur 1. SEM-bild av ett CIGS-skikt på Mo belagt sodaglas substrat.

Figur 2
Figur 2. a) Fräsning av en bit för lyft-ut, b) är förenade av en mikromanipulator av PT deposition, c) montering av en bit bit på en TEM Mo halv-grid,) d EBSD mätning på en rengjord tvärsnitt, e) ringformig fräsning av en pre-vass spets,) f TEM bild av en GB g) slutlig låg kV fräsning, h) TEM bild av en GB i APT tips efter låg-kV fräsning. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 3 "fo: innehåll-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/>
Figur 3. 3D APT kartor över Cu (blå), IN (rosa), Ga (gul), SE (red), Na (grön), O och OH (ljusblå), och K (khaki). Dessa 3D-kartor visar direkt Na, K och O segregation vid en HAGB (28 ° - <511> unge), som analyserades genom EBSD och TEM före APT analysen.

Figur 4
Figur 4. (A) Cu, Se, Ga, In och (b) Na, K, O koncentration djupprofiler genom GB visas i figur 3. Provtagningen rutan används för att bygga dessa profiler är 32 x 32 x 0,3 nm 3. Bars ger de statistiska felen (2σ).få = "_blank"> Klicka här för att visa en större bild.

Element Cu I Ga Se
Konc. (Vid%) 22,3 18,6 7,2 51,9

Tabell 1. Integral sammansättningen av CIGS-skikt mätt med XRF.

Element GI 1 (at.%) GI 2 (at.%) GB (at.%) Γ GB (på / m 2)
Cu 21,5 ± 0,12 22,8 ± 0,12 18,2 ± 0,4 -
I 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

Tabell 2. Cu, In, Ga, Se, Na, K, och Osammansättning värden i säden interiör (GI) och vid korngränsen (GB) av CIGS erhållits från APT mass-till-laddning spektra, efter deconvolution av överlappande masstoppar. Γ GB representerar mellanytresistansen excesser (Γ) vid GB.

Discussion

I det pågående arbetet har vi presenterat APT resultat på en slumpmässig HAGB i CIGS, ett sammansatt halvledarmaterial som används för solceller applikation. Vidare har vi också visat att APT i samband med kompletterande tekniker, såsom EBSD och TEM, är ett kraftfullt verktyg för att klarlägga strukturen-kompositionen egenskaper relation för CIGS-solceller. Tyvärr var korrelationen mellan APT och EDX / ålar i TEM inte möjligt eftersom det första, har EDX / EELS inte tillräcklig upplösning för att detektera låga Na och O koncentrationer vid korngränsen och andra är EDX / EELS inte känslig för alla element, speciellt för Na och O.

APT är en unik teknik som kan kemiskt karakterisera gränssnitten på nanonivå och att visualisera dem i tre dimensioner 14-17. Mycket utspädda föroreningskoncentrationerna i tiotals ppm kan detekteras på grund av den höga signal-till-brus-förhållandet i masspektra. En annan fördel medAPT teknik är att detektionskänsligheten är inte del-specifikt om lämpliga mätparametrar väljs.

Man måste nämna att mäta exakt sammansättning värden vid CIGS GBs och spannmål interiörer, är det viktigt att välja de optimala förutsättningarna för APT analys (temperatur, laser energi, puls, etc). Om inte, kan artefakter såsom företräde avdunstning och kvarhållande 32 av element förekomma under pulserande fält avdunstning av provet. Dessa artefakter kan dyka upp när det finns en stor skillnad i fält avdunstning av elementen. Sålunda bör fältet avdunstningshastigheten, spänningen, och laserenergin ställas in på ett sådant sätt att alla element kommer att tas bort med lika sannolikhet. Som visas här, genom att välja motsvarande lämpliga parametrar för APT analys fann vi nära CIGS sammansättning jämfört med den som erhålls genom XRF (se tabell 1 och 2). Vi noterar här att than överskattning av SE-koncentrationen i CIGS från XRF beror på Mose 2 skiktet närvarande vid CIGS / Mo-gränssnittet. En andra anledning till den lägre selen koncentrationen mäts med APT (under det nominella värdet på 50%) kan vara att föredra avdunstning av selen mellan laserpulser som SE är det mest flyktiga ämnen i CIGS. Vidare är skillnaden i Cu, In och Ga koncentrationer mellan APT och XRF grund av det faktum att APT åtgärder CIGS kompositionen lokalt, medan XRF åtgärder en genomsnittlig sammansättning CIGS filmen. I själva verket är det väl känt att Cu / I koncentration varierar från ett korn till ett annat och Ga koncentrationen är högre i den övre delen av filmen (där vår APT spets framställdes) på grund av Ga gradienten observerades i flerstegs odlas filmen 33. Vi noterar här att inga Ga joner kommer från FIB källan observerades i masspektrum (Ga från FIB förekommer endast som isotopen 69 amu) och detta beror främst på den låga kV fräsning av APT tips.

En viktig nackdel som observeras när man studerar gränssnitten mot APT teknik är att i allmänhet är bredden av GBS, antingen förstoras eller minskas jämfört med den strukturella bredd beräknas ur TEM-bilder (lägre än 1 nm). Detta beror på den lokala förstoring effekt 26. Denna effekt uppstår när GB har en avdunstning fält skiljer sig från bulkmaterialet. En GB med en högre avdunstning fält (E) leder till en utbuktning vid spetsytan (E ~ V / R, V är den pålagda spänningen och R krökningsradien). I detta fall är de joner som härrör från GB avleda utåt, vilket orsakar en skenbar minskning i densitet av joner. Omvänt, när GB har en lägre avdunstning fält ytan av spetsen i den region i GB kommer att plattas som avleder jon banor inåt. I detta fall kommer den lokala densitet i GB regionen vara högre. Dessutom överlappar de banor som orsakas av lokala förstoringen effekts kommer också försämras den laterala rymdupplösning vid gränsytan, men koncentrationerna i det närmaste oförändrad, såsom visas av De Geuser et al. 34.

I den aktuella studien, är bredden av den detekterade slumpmässiga HAGB segringszon (≈ 3 nm) större än 1 nm, den typiska strukturella bredd av en GB. Vidare är den atomära-densitet mätt genom APT högre vid GB än i CIGS matrisen som indikerar att den lokala förstoring effekt hade inträffat under förångningen. Den högre densiteten vid GB förklaras av det undre fältet avdunstning av denna särskilda CIGS GB jämfört med CIGS korn. För enstaka laddade joner, fältet avdunstningen värdena F Cu = 30 V / nm, F I = 12 V / nm, F Ga = 15 V / nm, och F K = 60 V / nm 35. SE, Na, och O fältvärden avdunstning ges inte i litteraturen. Vi noterar här att dessa värden är giltiga för pure element. I sammansatta halvledare, såsom CIGS kan avdunstning av vart och ett av dessa element vara olika. Icke desto mindre, i figur 4a fann vi att GB innehåller en lägre Cu koncentration än närvarande i säd interiörer. I själva verket kan denna lägre Cu koncentration minskar avdunstningen fältet på GB. Dessutom rapporterade Letellier et al. 36 för nickel-baserade superlegeringar att den lokala förstoring effekten ökar kontinuerligt när GB närmar sig en orientering som är parallell till spetsen axel (z-axeln). Detta kan förklara varför bredden på GB är endast något förstorad jämfört med andra studier 37.

Sammanfattningsvis APT studier ger inte bara en 3D omfördelning karta över elementen, men även den kemiska sammansättningen av gränssnitten på nanonivå. Så många verktyg som utför studier på nanonivå, bör särskild uppmärksamhet ägnas åt analys kvalitet och tolkning av data. I själva verket,APT besitter vissa begränsningar också och därför är det viktigt att förstå hur dessa begränsningar påverkar de uppmätta data för att säkerställa en korrekt tolkning av data.

Acknowledgments

Detta arbete är grundat av den tyska Research Foundation (DFG) (Contract CH 943/2-1). Författarna vill tacka Wolfgang Dittus, och Stefan Paetel från Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg för framställning av CIGS absorberskiktet för detta arbete.

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).
Atom Probe Tomography Studies på Cu (In, Ga) Se-<sub&gt; 2</sub&gt; Korngränser
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

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).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