Login processing...

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

Engineering

Cu Atom Probe Tomografi Çalışmaları (In, Ga) Se doi: 10.3791/50376 Published: April 22, 2013

Summary

Bu çalışmada, bir cigs güneş pili en emici tabakanın tane sınırları eğitim için atom-prob tomografi tekniğinin kullanımını tanımlamak. Bilinen bir yapı ile istenilen tane sınırı içeren atomun prob ipuçları hazırlamak için yeni bir tedavi yaklaşımı da burada sunulmuştur.

Abstract

Mevcut tekniklerle karşılaştırıldığında, atom prob tomografi kimyasal nano de ve üç boyutlu iç arayüzleri karakterize etmek mümkün eşsiz bir tekniktir. Gerçekten de, APT yüksek hassasiyet (ppm sırasına göre) ve yüksek uzaysal çözünürlüğü (alt nm) sahip.

Önemli çabalar bilinen bir yapı ile istenilen tane sınırı içeren bir APT ucu hazırlamak için burada yapıldı. Gerçekten de, siteye özgü örnek hazırlama kullanarak odaklı-iyon ışını, elektron geri yansıma kırınımı ve transmisyon elektron mikroskobu birlikte bu çalışma sunulmuştur. Bu yöntem, Cu bilinen bir yapı ve konum (In, Ga) Se atomu prob tomografi için 2 ince-film ile seçilen tane sınırları sağlar.

Son olarak, Cu tane sınırları (Ga, In) Se 2 ince film güneş pilleri incelemek için atom prob tomografi tekniği kullanmanın avantajları ve dezavantajları tartışmak.

Introduction

Emici malzeme olarak kalkopirit-yapılandırılmış bileşik yarı iletken Cu (In, Ga) Se 2 (cigs) dayalı ince film güneş pilleri nedeniyle yüksek verimlilik, radyasyon sertlik, uzun vadeli istikrarlı fazla iki yıl için geliştiriliyor olmuştur performans ve düşük üretim maliyeti 1-3. Bu güneş hücreleri, yani CIGS emici tabaka arasında uygun optik özellikleri, doğrudan bir bant aralığı ve yüksek bir emme katsayısı 1,2 nedeniyle yalnızca çok az malzeme tüketimi ile imal edilebilir. Kalınlığı sadece bir kaç mikrometre Emici filmler, yüksek bir fotoakım oluşturmak için yeterlidir. Elektrotlara photogenerated yük taşıyıcıların difüzyon yolu nispeten kısa olduğu için, CIGS emiciler kristalli formda üretilebilir. Bir Cu maksimum verimlilik (Ga, In) Se 2 şimdiye kadar elde (cigs) güneş pili tüm ince film güneş pilleri arasında en yüksek değeri 20,4% 4 olduğunu.

ove_content "> daha fazla hem de üretim maliyetlerinin azaltılması ve güneş pili verimlilik geliştirme gereklidir. İkinci cigs emici tabakasının mikro ve kimyasal bileşimi sıkı bir şekilde bağlıdır. Dahili arayüzler, cigs ince-film fotovoltaik teknolojisi kurmak için, emici içinde özellikle tane sınırları (GB), onlar photogenerated yük taşıyıcılarının taşıma etkileyebilir gibi, çok önemli bir rol oynamaktadır.

CIGS güneş pilleri ile ilgili olarak ana sorunlardan biri cigs GB selim doğasını, yani polikristal cigs emici film GB ve örgü kusurları bir yüksek yoğunluklu rağmen üstün hücre verimliliği verim.

Bazı yazarlar elektriksel özellikleri 5,6, karakter ve misorientation 7-9 gibi kirlilik ayrımı 10-13 göre güneş dereceli cigs filmlerde GB okudu. Bu properti arasında ise net bir bağlantıes bugüne kadar kurulabilir. Özellikle, lokal kimyasal bileşimi ve GB safsızlık içeriği ile ilgili bilgileri ve önemli bir eksikliği vardır.

Son yirmi yılda, Atom Probe Tomografi (APT) umut verici nano-analitik teknikler 14-17 biri olarak ortaya çıkmıştır. Yakın zamana kadar güneş hücreleri APT çalışmaları büyük ölçüde örnek hazırlama sürecinde zorluklar ve geleneksel darbeli gerilim atom problar kullanılarak yarı iletken malzemelerin analiz sınırlı kapasitesi ile sınırlı olmuştur. Bu kısıtlamalar büyük ölçüde geliştirilmesi ile üstesinden olan 'lift-out yöntemi' odaklı iyon demeti (FIB) freze 18 ve 16 APT darbeli lazer tanıtımı dayalı. Cigs güneş hücreleri APT karakterizasyonu hakkında birçok makale güçlü daha ileri araştırmalar için teşvik edildiği, 19-23 yayınlanmıştır.

Bu kağıt i iç çalışma nasıl bir kılavuz veriratom prob tomografi tekniği ile cigs içinde nterfaces ince film güneş pilleri.

Protocol

1. Cigs Katman Biriktirme

  1. 3 mm kalınlığında soda kireç cam yüzey (SLG) üzerine molibden sıçramasına mevduat 500 nm (geri temas tabakası).
  2. Bir satır içi kademeli cigs sürecinde 24 cigs 2 mikron Co-buharlaşır. Mo katmanı geri temas tevdi edilen CIGS Şekil 1 'de gösterilmiştir.
  3. X-ışını floresans spektrometresi (XRF) tarafından cigs tabakanın ayrılmaz bileşimi ölçün. Elde edilen CIGS bileşimi Tablo 1 'de gösterilmiştir.

2. APT Analiz için sahaya özgü Örnekleri Fabrikasyon

  1. Daha sonra örnekler için destek olan, çok sayıda pim aralıksız elde etmek amacıyla, iki eşit parçaya, bir TEM Mo kılavuz kesin. 5 ağırlık yılında elektro tarafından işaretçilerine ucunda bir tutucu ve konik üzerine yarım ızgara TEM monte edin. Aşağı bir ipucu çapı <2 mikron% NaOH. Bu süreç bir Stereoskop ile kontrol makul olabilir. Sonra başka bir tutucu t üzerine elektro ızgara monteşapka sıralı FIB, TEM, EBSD ve APT karakterizasyonu için optimize edilmiştir.
  2. Mill cigs ince film içine iki açma almak için alttan (Şekil 2a). FIB kullanarak Yığın sol tarafında bir ilk serbest kesim olun.
  3. Iyon-ışın kaynaklı kimyasal buhar biriktirme bir Pt kaynak yatırarak yığın için mikromanipülatör takın. Daha sonra, yapmak son karşı site ve asansör-out serbest yığın (Şekil 2b) ücretsiz kesim.
  4. Ayıklanan parça için iyi bir ortak olan bir kama (çapı 2-3 mikron) şimdi TEM Mo yarım ızgara keskin işaretçilerine kesin. Pt birikimi (Şekil 2c) kullanarak bacağında parça monte edin. Bir serbest kesim nihayet Mo piminin üst parça arasında sadece küçük bir bölümünü (2 mikron civarında) elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Daha sonra baş aşağı ızgara tutucu monte ve Mo pin ve Pt ile monte parçası arasındaki boşluğu doldurmak. Kalan parça ile aynı prosedür takip. Lift-out hakkında daha fazla bilgi içinprosedürü, okuyucu aşağıdaki başvuru 18,25 danışabilir.
  5. Dik ızgara yerleştirin ve FIB düşük bir hızlanan voltaj ve akım ışın (5 kV ve <50 pA) kullanarak yığın kesit (ince Pt kaynak ile site seçin) temizleyin. Böylece tek bir düz yüzey ve EBSD ölçümleri için gereklidir Y + implantasyon nedeniyle, daha az kirlenme alır.
  6. Kesit üzerinde yapılan EBSD ölçümünden ilgi GB seçin. GB yönü Tartışma bölümünde daha ayrıntılı olarak anlatılan, yerel büyütme etkisi 26 azaltmak için atomu probu (z-ekseni) 'de analiz yönüne göre dik olması tercih edilir. Bir GB uygun bir alan Şekil 2d vurgulanır.
  7. Keskin bir uç oluşturmak için adım 2.6) seçilen TR alanında dairesel bir freze yapın. Eğrilik yarıçapı daha TEM araştıran için yeterince küçük (<100 nM) olmalıdıriyonları. Bu hedefe ulaşmak için, adım (Şekil 2e) ile dairesel freze desen adım iç çapı azaltmak ve eş zamanlı ikincil elektron (SE) ile şekillendirme ucu görselleştirmek. Böylece bir ışın vardiya düzeltmek veya farklı efektler vb gölgeleme, verim sıçramasına kaynaklanan malzeme dalga ya da çökelme gibi ucunda düzensizliklerini gidermek için freze desen ayarlayabilirsiniz.
  8. Cigs GB SEM görünür olmayan diğer malzemeler (süper gibi) ile karşılaştırıldığında bilerek, TEM aracı (Şekil 2f bakınız) kullanarak ucunun apeks ile ilgili olarak GB kesin konumunu lokalize.
  9. GB APT ucu içinde bulunduğu tam bilmek, FIB geri örnek aktarmak ve ucunun apeks altında maksimum 200 nm GB yerleştirmek için değirmen örnek devam ediyor. Bu aşamada, freze çok düşük kV (5 kV) ve düşük akım (<50 Pa) yapılır. Gerçekten de, hedef yakın t GB lokalize etmek değil,ucunun apeks o değil, aynı zamanda Ga + bu işlem sırasında APT ucu hasarı en aza indirmek için. Buna bağlı olarak, düşük kV freze, SEM APT ucunun şeklini görselleştirmek ve ucu apekse (Şekil 2G) çıkarılmalıdır malzeme miktarını kontrol eder.
  10. TEM için tekrar numune transferi ve ucunun apeks ile ilgili olarak GB konumunu gösterir. GB konumu, numune çapı evrimi ve yarım sap açı hakkında kesin bilgi elde etmek için örnek bir bakış görüntü (Şekil 2 saat) olun. Bu APT veri optimal yeniden elde etmek için gereklidir. Ayrıca, elektron-ışın kaynaklı zararlar ve APT ölçümlerde daha yüksek bir başarısızlık oranı yol açabilir C kontaminasyonu en aza indirmek için düşük büyütme ve düşük pozlama süreleri kullanın.

3. Bir CAMECA LEAP 3000X İK Sistemde APT Analizi

  1. APT ambarında numune monteer. Daha sonra, mevcut dört bantlarının birinde numune diski monte edin.
  2. Yük kilit içindeki numune disk içeren atlıkarınca takın ve yük kilit pompalama başlar. Yük kilit içinde vakum ~ 10 -7 Torr olduğu zaman, tampon bölmesi içindeki atlıkarınca yerleştirin.
  3. Ca bekledikten sonra. Tampon odasının (~ 7x10 -9 Torr) içinde vakum geri 1 saat, tampon haznesinden ana analiz için numune odasına transfer. Bu bir elle kullanılan bir aygıttır bir yatay geçiş çubuk ile yapılır.
  4. 60 K. sıcaklık aşağı APT, serin içinde ölçüm başlamadan önce bu düşük sıcaklık analizi sırasında numune yüzeyinde atomların difüzyon önlemek olacaktır. Biz, 60 K ayarlanan sıcaklık değildir numunenin lazer ısı nedeniyle daha yüksek olmalıdır APT ucunda ölçülen gerçek sıcaklığı, burada not. Olarak Kellog ve arkadaşları tarafından önerilen. 27, bu sıcaklıkTure dikkate göreli şarj-devlet oranı alarak tahmin edilebilir. Cigs malzeme alanında buharlaşma bilinmemektedir çünkü ne yazık ki, bu çalışmada ipuçları gerçek sıcaklığı esas hesaplanabilir olamazdı.
  5. APT deneyler 532 nm ve 12 İcra Komitesinin darbe uzunlukta bir dalga boyu ile bir yeşil lazer kullanarak lazer modunda yapılmaktadır.

4. APT Veri İmar

  1. CAMECA Entegre Görselleştirme ve Analiz Yazılımı (IVAS 3.6.2) genel olarak 3D harita yeniden kullanılır 28. Ile RHIT dosyası (ham veri doğrudan APT ölçümler sonra elde edilen) açın
  2. Aşağıdaki sekiz adımları 28 kullanarak 3D haritanın yeniden gerçekleştirin:
    1. Adım 1 - tüm doğa ile ilgili detayları ve seçilen çalışmanın içeriğini veren salt okunur bir bölmesi olan kurulum.
    2. Adım 2 - seçin iyon dizisi aralığı. Bu adım, numune göre iyon dizisi aralığı tanımlarGerilim yeniden veri seçilecek.
    3. Adım 3 - seçin dedektörü ROI. Bu adım, dedektör ROI (dedektör olay histogram üzerinde siyah elips) dışında bulunan iyonları kaldırmak için fırsat verir.
    4. Adım 4 - TOF düzeltmeler. Bu adım, zaman-of-flight (TOF), gerilim hesaplar ve analiz için dedektörün düzlemsellik ('kase düzeltme') düzeltmeleri.
    5. Adım 5 - Kütle kalibrasyon. Analiz kütle spektrumunda ölçülen en yüksek konumu bilinen izotop / şarj durumları ile kalibre edilir.
    6. Adım 6 - iyon atama Sıralı. Bu adımda, spektrografi içindeki tepe eleman izotop aralıklarının tahsis edilmiştir.
    7. Adım 7 - Yeniden. Gerilim yöntemi, sap-açı yöntemi veya ipucu profilli yöntemi: Bu adım elde edilen verilere üç yeniden yöntemlerden birini uygular. Sonuncusu bizim 3D haritası yeniden çalışmada kullanılır. Bu yöntem, ti bir SEM veya TEM görüntüsüdür gerektirirp, Şekil 2g ve Şekil 2H'de gösterilmektedir. Yeniden herhangi bir noktada uç yarıçapı SEM görüntüsü tanımlanan bir dizi noktaları arasında lineer interpolasyon ile tanımlanır.
    8. Adım 8 - Onay. Bu adımda, yeniden oluşturulan sekme önizleme kaydedilmiş bir analiz dönüştürülür.

Representative Results

Şekil 3 bir yan görünüm (xz dilim) rasgele yüksek açılı GB (HAGB) 28,5 element haritasını gösterir ° - <511> cub siteye özgü hazırlama yöntemi ile Şekil 2'de seçilen. Bir cigs HAGB Na, K, ve O ortak ayrımı doğrudan APT kullanarak eşleştirilir. Bu yabancı maddeler en olası ~ 600 ° C 'de CIGS tabakanın çökelmesi sırasında emici tabaka içine SLG substrat üzerinden dağınık

Şekil 4a, Şekil 3'te gösterildiği gibi GB arasında Cu, Ga ve Se konsantrasyonu profillerini göstermektedir. Ga, olarak Cu, ve GB Se konsantrasyonları taneleri iç (CBS) bu farklıdır. Açıkça zenginleşmektedir ise, Cu ve Ga, bu GB tükenmiş olduğu görülebilir. Bu bir o Cu boşluk satır yani, ab-initio yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamalar temelinde Persson ve ark. 29 tarafından öne ne için uyum içindediryeniden tercihen cigs GB gerçekleşti. + Cu 2 ve üzeri 30 - zenginleştirme ve Cu tükenmesi olarak şarj nötr kusur çift 2V Cu düşük oluşumu enerji ile açıklanabilir. Bu, Şekil 3'te APT verileri rastgele bir HAGB elde edilmiştir, oysa Persson ve arkadaşları tarafından DFT hesaplamaları. 29 simetrik bir TR (3 Σ (112) TBC) için yapılan olduğu not edilmelidir. Daha önceki çalışmalar 21'de belirtildiği gibi Ayrıca, Cu-In-zenginleştirilmiş ve tüketilmiş HAGBs aynı malzeme için gözlenmiştir.

Şekil 4b,% az 1.7 olan bu HAGB Na, K ve O yabancı maddelerin konsantrasyonları, sırasıyla% az% az 0.035, 0.4, (bakınız Tablo 2) gösterilmiştir. Na Na), K K), ve O O) için karşılık gelen ara-yüz aşırılıkları (Γ) değerleri hesaplandıAPT verileri Tablo 2'de gösterilmiştir. Bu ara yüzey aşırılıkları Cahn yaklaşım 31 kullanılarak hesaplanmıştır.

GI 1 ve GI 2'nin ortalama bileşimleri (GI: tane iç, Tablo 2) hafif Se, olarak Cu değişimi, ve bir tane diğerine Ga konsantrasyonları göstermektedir. Bu konsantrasyon değerleri Şekil 4a konsantrasyon profilleri ile iyi bir uyum içindedir. Na bileşimi (GI 1 50 ppm ve GI 2 için, 60 ppm, bakınız Tablo 1) hemen hemen sabit olduğu, oysa Ayrıca, O konsantrasyonu bir tane başka bir (GI 1 ve 2 GI boyunca 0 ppm 170 ppm) kadar farklıdır . Tahıl içindeki K konsantrasyonu bu APT ölçüm gürültü seviyesi ve böylece tespit sınırının altında (= 45 ± 5 ppm / amu gürültü seviyesi) 'dir.

Şekil 1 çadır-width = "4in" fo: src = src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" / "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg">
Şekil 1. Mo kaplamalı soda kireç cam yüzey üzerinde bir cigs tabakasının SEM görüntüsü.

Şekil 2,
Şekil 2. Pt birikimi, c bir micromanipulator bir bağlama kaldırın aşımını, bir yığın bir) Freze, b)) d halka temizlenmiş bir kesit, e) üzerinde, bir TEM Mo yarım ızgara üzerinde bir parça parça EBSD ölçümü) montaj f h düşük kV freze sonra APT uç,), önceden bilenmiş ucu bir GB TEM görüntü son düşük kV freze bir GB g TEM görüntüsü)) freze. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 3 "fo: içerik-width =" 5in "fo: src =" / "src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/ files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg>
Şekil 3,. Olarak Cu (mavi) 3D APT haritalar, (pembe), Ga (sarı), Se (kırmızı), Na (yeşil), O ve OH (açık mavi) ve K (haki). Bu 3 boyutlu haritalar doğrudan Na göstermek, önce APT analiz EBSD ve TEM ile analiz edildi, - bir HAGB (<511> yavrusu 28 °) de K ve O ayrımı.

Şekil 4,
Şekil 4. (A) Cu, Se, GA, ve (b), Na, K, Şekil 3'te gösterildiği gibi GB aracılığıyla O konsantrasyonu derinliği profilleri. Bu profiller oluşturmak için kullanılan örnekleme kutusu 32 x 32 x 0,3 nm 3'tür. Barlar istatistiksel hataları (2σ) verir.= "_blank"> büyük rakam görmek için tıklayın Büyütmek.

Element Cu Içinde Ga Se
Kons. (% Olarak) 22.3 18.6 7.2 51.9

Tablo 1. XRF ile ölçülen cigs tabakasının İntegral bileşimi.

Elemanları GI 1 (at.%) GI 2 (at.%) GB (at.%) Γ GB (at / m 2)
Cu 21.5 ± 0.12 22.8 ± 0.12 18.2 ± 0.4 -
Içinde 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

Tablo 2'de. Cu, In, Ga, Se, Na, K, ve Otane iç (GI) ve kitle zirveleri örtüşen deconvolution sonra, APT kitle için şarj spektrumları elde cigs en ​​tane sınırı (GB) kompozisyon değerleri. Γ GB GB arayüzey aşırılıkları (Γ) temsil eder.

Discussion

Mevcut çalışmada, cigs, fotovoltaik uygulama için kullanılan bir bileşik yarı iletken malzeme bir rastgele HAGB üzerinde APT sonuçları sunduk. Ayrıca, biz de EBSD ve TEM gibi tamamlayıcı teknikler ile birlikte APT cigs güneş hücreleri için yapı-kompozisyon özellikleri ilişkisi aydınlatmak için güçlü bir araç olduğunu göstermiştir. Öncelikle, EDX / EELS tane sınırı düşük Na ve O konsantrasyonlarının saptanması ve ikinci olarak, EDX / EELS özellikle, tüm unsurları duyarlı değildir değil yeterli çözünürlüğe sahip çünkü ne yazık ki, APT ve EDX / TEM içinde EELS arasındaki ilişki mümkün değildi Na ve O. için

APT kimyasal nano de arayüzleri karakterize etmek ve üç boyutlu 14-17 onları görselleştirmek mümkün eşsiz bir tekniktir. Ppm onlarca derece seyreltik safsızlık konsantrasyon değerleri, kütle spektrumları, yüksek sinyal-gürültü oranı tespit edilebilir. Diğer bir avantajıAPT tekniği uygun ölçüm parametreleri seçilirse algılama hassasiyetini elemanı özgü değildir olmasıdır.

Bir cigs GB de doğru kompozisyon değerleri ölçmek ve tahıl iç, bu APT analiz için en uygun şartları (sıcaklık, lazer enerjisi, nabız sayısı, vb) seçmek önemlidir için burada söz gerekiyor. Değilse, bu tercihli buharlaşma ve elemanlarının tutma 32 olarak eserler numunenin darbeli alanında buharlaşma sırasında oluşabilir. Elemanları alanında buharlaşma büyük bir fark olduğunda bu eserler ortaya çıkabilir. Böylece, alan buharlaşma oranı, gerilim ve lazer enerjisi tüm unsurları eşit olasılıkla kaldırılacak böyle bir şekilde ayarlanmalıdır. APT analizi için buna uygun parametreler seçerek, burada gösterildiği gibi, XRF (Tablo 1 ve 2) ile elde edilen bir oranla yakın CIGS bileşimi fazlası. Burada dikkat edin tO XRF ile CIGS en Se konsantrasyonu fazla tahmin CIGS / Mo yüzlerinde mevcut Mose 2 kat kaynaklanmaktadır. Se cigs en uçucu türler olduğu gibi APT (% 50 nominal değerin altında) ile ölçülen alt Se konsantrasyonu için ikinci bir neden lazer darbeleri arasındaki Se tercih edilen buharlaşma olabilir. Ayrıca, içinde Cu, ve APT ve XRF arasında Ga konsantrasyonlarda fark nedeni olduğunu XRF önlemler cigs filmin bir ortalama kompozisyonu ise yerel APT önlemler cigs kompozisyon,. Gerçekten de, iyi konsantrasyon Cu / bir tane diğerine değişir ve Ga konsantrasyonu yetiştirilen filmin aşamalı gözlenen Ga eğim nedeniyle filmin (APT eden ucu hazırlandı yerde) üst kısmında yüksek olduğu bilinmektedir 33. Biz FIB kaynağından gelen hiçbir Ga iyonlar kütle spektrumu gözlenen (Ga FIB sadece izotop 69 amu olarak bulunur) ve bu A'nın düşük kV freze kaynaklanmaktadır olduğunu burada dikkatPT ipuçları.

APT tekniği ile arayüz okuyan gözlendiğinden bir büyük dezavantajı, genel olarak GB bölgesinin genişliği, TEM görüntüleri ya da (daha düşük 1 mil) ile hesaplanan yapı genişliği ile karşılaştırıldığında büyütülür veya küçültülür olmasıdır. Bu yerel büyütme etkisi 26 kaynaklanmaktadır. TR dökme malzemenin farklı bir buharlaştırma alanı vardır Bu etki ortaya çıkar. Daha yüksek bir buharlaşma alan (E) ile TR ucu yüzeyinde bir çıkıntı (E = V / R, V eğrilik yarıçapı, uygulanan gerilim ve R) yol açar. Bu durumda TR gelen iyonların iyonları yoğunluğunda belirgin bir azalmaya neden olan, dışa doğru saptırır. Tersine, daha düşük bir buharlaşma TR alan sahip olduğunda GB bölgede uç yüzeyinin iyon yörüngelerinin içeriye doğru saptırmak hangi düzleştirilir. Bu durumda, TR bölgede yerel yoğunluğu daha yüksek olacaktır. Buna ek olarak, yörüngeleri yerel büyütme etkisi ile oluşan örtüşmeDe Geuser ve arkadaşları tarafından gösterildiği gibi konsantrasyonları hemen hemen değişmeden kalır rağmen ın da, arayüzü lateral uzaysal çözünürlüğü bozulacaktır. 34.

Bu çalışmada, tespit rastgele HAGB ayrımcılık bölgesi (≈ 3 nm) genişliği 1 nm, bir GB tipik yapısal genişliğinden daha büyüktür. Ayrıca, APT ile ölçülen atom yoğunluğu, yerel büyütme etkisi, buharlaşma sırasında meydana geldiğini belirtmektedir, CIGS matris içinde daha GB yüksektir. GB yüksek yoğunluklu CIGS taneleri ile karşılaştırıldığında, bu özel CIGS GB alt alan buharlaştırma ile açıklanmıştır. Tek yüklü iyonlar için, alanında buharlaşma değerleri F Cu = 30 V / nm, F = 12 V / nm, F Ga = 15 V / nm olarak, ve F K = 60 V / nm 35. Se, Na, ve O alanda buharlaşma değerleri literatürde verilmez. Biz bu değerler p için geçerlidir burada notelemanları ure. Bu cigs gibi bileşik yarı iletkenler,, bu unsurların her birinin buharlaşma farklı olabilir. Bununla birlikte, Şekil 4a'da biz TR tane iç mevcut daha düşük bir Cu konsantrasyonu içerdiğini bulduk. Gerçekten de, bu düşük Cu konsantrasyonu GB buharlaşma alanını azaltabilir. Ayrıca, Letellier ve ark. 36 GB ucu ekseni (z ekseni) paralel bir oryantasyon yaklaşımlar olarak yerel büyütme etkisi sürekli artar nikel bazlı süper alaşımlar için rapor. GB genişliği diğer çalışmalara 37 oranla sadece biraz büyütülür neden açıklayabilir.

Sonuç olarak, APT çalışmalar elemanlarının bir 3B harita yeniden dağıtım, aynı zamanda nano arayüzleri kimyasal kompozisyonu da sağlar. Birçok araç nano de çalışmalar yapmak gibi, bir özel önem analiz kalite ve veri yorumlama dikkat edilmelidir. Gerçekten de,APT bu sınırlamaları doğru veri yorumlama sağlamak için ölçülen verileri nasıl etkilediğini anlamak önemlidir de ve bu nedenle bazı sınırlamalar sahiptir.

Acknowledgments

Bu çalışma Alman Araştırma Vakfı (DFG) (Sözleşme CH 943/2-1) tarafından kurulmuştur. Yazarlar bu iş için cigs emici tabaka hazırlamak için Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg gelen Wolfgang Dittus ve Stefan Paetel teşekkür etmek istiyorum.

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).
Cu Atom Probe Tomografi Çalışmaları (In, Ga) Se<sub&gt; 2</sub&gt; Tahıl Sınırları
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