Waiting
Login processing...

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

Engineering

الأشعة السينية شعاع القياسات الحالية المستحثة لمتعدد مشروط الأشعة السينية المجهرية للخلايا الشمسية

Published: August 20, 2019 doi: 10.3791/60001
Automatic Translation
1,3, 2, 2, 2, 1, 1,3, 1
1Deutsches Elektronen-Synchrotron, 2School of Electrical, Computer and Energy Engineering, Arizona State University, 3Department Physik, Universität Hamburg

ERRATUM NOTICE

Summary

ويرد وصف لإعداد شعاع الأشعة السينية الذي يسبب قياسات حالية في خطوط الحزمة المتزامنة. وهو يكشف عن الأداء النانوي للخلايا الشمسية ويوسع مجموعة من التقنيات لمتعدد الوسائط الأشعة السينية المجهرية. من الأسلاك إلى تحسين الإشارة إلى الضوضاء، يظهر كيفية إجراء أحدث قياسات XBIC في مسبار ميكروبوبي الأشعة السينية الثابت.

Abstract

تسمح قياسات شعاع الأشعة السينية الحالية (XBIC) برسم خرائط لأداء الأجهزة الإلكترونية على نطاق نانوي مثل الخلايا الشمسية. من الناحية المثالية، يتم استخدام XBIC في وقت واحد مع تقنيات أخرى ضمن نهج مجهري الأشعة السينية متعددة الوسائط. ويرد في هذه الوثيقة مثال يجمع بين XBIC والأشعة السينية الفلورية لتمكين الارتباطات نقطة بنقطة من الأداء الكهربائي مع التركيب الكيميائي. بالنسبة لأعلى نسبة إشارة إلى ضوضاء في قياسات XBIC، يلعب تضخيم القفل دورًا حاسمًا. وبهذا النهج، يتم تعديل شعاع الأشعة السينية بواسطة مروحية بصرية في أعلى العينة. يتم تضخيم شعاع الأشعة السينية المُعدَّل الذي يسبب الإشارة الكهربائية وتخفيضه إلى تردد المروحية باستخدام مضخم قفل. من خلال تحسين إعدادات التصفية المنخفضة المرور، وتردد التشكيل، وسعة التضخيم، يمكن قمع الضوضاء بكفاءة لاستخراج إشارة XBIC واضحة. ويمكن استخدام إعداد مماثل لقياس الجهد الناتج عن الأشعة السينية (XBIV). وإلى جانب قياسات XBIC/XBIV القياسية، يمكن قياس XBIC بضوء التحيز أو الجهد المتحيز المطبق بحيث يمكن إعادة إنتاج ظروف العمل في الهواء الطلق للخلايا الشمسية أثناء القياسات في الموقع وقياسات العمل. وفي نهاية المطاف، فإن التقييم المتعدد الوسائط ومتعدد الأبعاد للأجهزة الإلكترونية على نطاق النانو يتيح رؤى جديدة في التبعيات المعقدة بين التكوين والهيكل والأداء، وهي خطوة هامة نحو حل المواد' نموذج.

Introduction

وفي عالم يتزايد فيه الطلب على الطاقة الكهربائية باستمرار، يتزايد الحاجة إلى وجود مصدر للطاقة النظيفة والمستدامة. واحدة إمكانية لمعالجة هذه المطالب هيالضوئية (PV) نظم 1،2،3. لطريقة موجهة وفعالة لتطوير الجيل القادم من الخلايا الشمسية، فمن الضروري أن نفهم كيف يؤثر تكوين وهيكل الخلايا الشمسية على أدائها4. وتشمل الأسئلة النموذجية في تطوير الخلايا الشمسية: أي أنواع العيوب هي الأكثر ضررا، وأين تقع5،6؟ هل هناك أوجه عدم تجانس في التوزيع الأولي،وما هو تأثيرها 7،8،9؟ كيف تتغير الخلايا الشمسية عند تجميع الوحدة النمطية والشيخوخة10،11؟

كما الخلية الشمسية ليست سوى جيدة مثل أضعف جزء لها، فمن المهم بشكل خاص لفهم تأثير التباين التركيبي والهيكلي على الأداء في الخلايا الشمسية متعددة البلورات التي تعاني بطبيعتها من عدم التجانس7، 8.وهذا ينطبق بشكل خاص على الخلايا الشمسية رقيقة فيلم (TF)، والتي تحتوي على طبقات امتصاص مع أحجام crystallite في نطاق ميكرومتر. هنا، تأثير حدود الحبوب على الأداء هو من أعلى الفائدة، ولكن حجمها الصغير وحقيقة أنها مدفونة في كومة طبقة كاملة تشكل تحديات توصيف فريدة من نوعها. وعلاوة على ذلك، فإن الكيمياء المعقدة لطبقات الممتصات المتعددة المكونات مع المراحل المشتركة والتدرجات الداخلية تتطلب أساليب توصيف متطورة12.

مجاهر الأشعة السينية الصلبة المستندة إلى Synchrotron قادرة على مواجهة تحديات توصيف الخلايا الشمسية TF: أنها توفر أحجام بقعة الأشعة السينية وصولا الى مقياس نانومتر13،14،15،16 و عمق اختراق الأشعة السينية الصلبة يسمح للتحقيق في طبقات الجهاز المختلفة17،بما في ذلك طبقات امتصاص مدفونة. مع ثروة من تقنيات القياس المختلفة في المجهر الأشعة السينية المسح الضوئي، يصبح من الممكن لدراسة في وقت واحد ليس فقط، ولكن العديد من الجوانب المختلفة للخلايا الشمسية داخل قياسات متعددة الوسائط وربط الخصائص الملاحظة. على سبيل المثال، تم دمج قياسات الأشعة السينية الناتجة عن التيار (XBIC) بنجاحمع الفلورة بالأشعة السينية (XRF) 7،18،19،الأشعة السينية الإنارة البصرية متحمس (XEOL)20، 21،والأشعة السينية الانعراج (XRD)22 لربط الأداء الكهربائي مع التكوين والأداء البصري، والهيكل، على التوالي23.

خلال قياسات XBIC للخلايا الشمسية أو غيرها من الأجهزة تحت الاختبار (DUT)24،25،الحادث الفوتونات الأشعة السينية انطلقت دش الجسيمات تتكون من الإلكترونات والفوتونات، مما أدى إلى العديد من أزواج ثقب الإلكترون متحمس لكل الفوتون الأشعة السينية الحادث في المواد امتصاص شبه موصل. وأخيرا، أزواج ثقب الإلكترون الحرارية إلى حواف الفرقة من امتصاص الخلايا الشمسية. لذلك، يمكن التعامل مع هذه الناقلين تهمة الأشعة السينية متحمس مثل الناقلين تهمة التي يتم إنشاؤها بواسطة امتصاص الفوتونات مع الطاقات فقط فوق النطاق خلال عملية الخلايا الشمسية العادية، ويمكن قياس التيار الناتج أو الجهد كما الأشعة السينية شعاع المستحثة الحالية23،26،27 أو الجهد (XBIV)28،29 مماثلة لقياسات أكثر شيوعا مثل شعاع الإلكترون الناجمة عن التيار (EBIC) أو الليزر شعاع الناجمة عن التيار (LBIC). وبالتالي، فإن إشارة XBIC/XBIV لا تعتمد فقط على سمك طبقة الامتصاص، ولكن أيضا على الأداء الكهربائي لـ DUT، سواء على المستوى المجهري والمجهري، بما في ذلك الفجوة المحلية، وتقسيم مستوى فيرمي، وإعادة التركيب. وهكذا، نحن قادرون على رسم الاختلافات المحلية لكفاءة جمع المسؤول الناقل التي تعرف على أنها احتمال أن يتم جمع زوج ثقب الإلكترون متحمس خارجيا في طبقة امتصاص في الاتصالات الكهربائية من DUT.

لاحظ أن أزواج ثقب الإلكترون فقط التي يتم إنشاؤها في طبقة امتصاص DUT تساهم في إشارة XBIC/XBIV. شركات الشحن التي يتم إنشاؤها في طبقات أخرى مثل الاتصالات المعدنية أو الركيزة سوف تتضافر على الفور، كما أنها لا تملك إمكانية فصلها عن طريق التقاطع. ولذلك، فإن طبقات أخرى تؤثر فقط على قياسات XBIC/XBIV عن طريق الآثار الثانوية مثل امتصاص الأشعة السينية الطفيلية أو انبعاث الفوتونات الثانوية والإلكترونات التي يمكن إعادة امتصاصها في طبقة الامتصاص. وعلى النقيض من ذلك، من المحتمل أن تساهم جميع الطبقات في إشارة XRF.

وبالنظر إلى أن إشارات XBIC وXBIV يمكن أن تكون صغيرة (في كثير من الأحيان، والاختلافات في نطاق sub-picoampere وnanovolt هي موضع اهتمام)، يتم دفن الإشارات بسهولة في الضوضاء. لذلك، اقترحنا استخدام التضخيم قفل في لاستخراج إشارات XBIC وXBIV30. ولهذا الغرض، يتم تعديل شعاع الأشعة السينية الوارد بواسطة مروحية بصرية على النحو المبين في الشكل 1. هذا التشكيل يحمل أكثر إلى الإشارة التي تنتجها DUT. قبل أن يتم تغذية الإشارة في مكبر للصوت قفل في (ليا)، وعادة ما يستخدم مكبر للصوت قبل (السلطة الفلسطينية) لتتناسب مع كثافة إشارة الخام مع مجموعة من محول التناظرية إلى الرقمية في مدخلات LIA الرقمية. يمزج LIA إشارة القياس التضمينية مع الإشارة المرجعية. من خلال استخدام مرشح تمرير منخفض، يتم تمرير الترددات فقط على مقربة من الإشارة المرجعية من خلال وتضخيم31. وهذا يسمح لاستخراج فعال من إشارة XBIC أو XBIV من خلفية صاخبة.

في البروتوكول، نقدم المتطلبات المسبقة والاقتراحات اللازمة لاتخاذ قياسات XBIC الناجحة بما في ذلك الإشارة الخام (التيار المباشر، DC) والإشارة المغيرة (التيار المتناوب، AC). بالإضافة إلى وصف التفاصيل التقنية، نناقش إعداد XBIC في سياق القياسات متعددة الوسائط في beamline P06 في PETRA III13. يرجى ملاحظة أنه، بالمقارنة مع معظم التجارب المختبرية، فإن بيئة الأكواخ في المسبارات النانوية بالأشعة السينية الصلبة تتطلب تخطيطاً واهتماماً خاصاً. وعلى وجه التحديد، فإن القياسات المتعددة الوسائط ذات الاستبانة على نطاق النانومتر تتحدى التجريبيين الذين يعانون من مجموعة متنوعة من القيود المحددة. فعلى سبيل المثال، غالباً ما يكون الضجيج الإلكتروني موجوداً مع سعة كبيرة من المحركات التي تحركها بيزو وغيرها من المعدات، مثل إمدادات الطاقة من أجهزة الكشف. وعلاوة على ذلك، هناك حاجة إلى ترتيب العديد من الأجهزة وأجهزة الكشف في الهندسة المثلى دون التدخل مع بعضها البعض أو إثارة الاهتزازات. الشكل 1 يصور إعداد نموذجي لقياسات XBIC في تركيبة مع XRF وقياسات تشتت الأشعة السينية الزاوية الصغيرة/الواسعة (SAXS/WAXS).

Protocol

1- إعداد بيئة القياس

  1. متطلبات القفل في قياسات XBIC الموسعة
    1. تأكد من أن يكون ما يلي متاح: نانو- التركيز على الأشعة السينية شعاع؛ مروحية الأشعة السينية التي تمتص بشكل دوري غالبية الأشعة السينية؛ (أ) السلطة الفلسطينية؛ (أ) ليا؛ وحدات للتحكم عن بعد من المروحية، السلطة الفلسطينية، وليا؛ نظام الحصول على البيانات (DAQ)؛ (أ) DUT.
  2. تلفيق حامل العينة
    1. استخدام قاعدة حركية لحامل العينة. وهذا يجعل من الممكن لإعادة وضع العينات ضمن دقة ميكرومتر ويوفر beamtime قيمة. وعلاوة على ذلك، فإنه يسمح لتحديد المواقع من العينات عبر منصات قياس مختلفة مع أنظمة التركيب المختلفة.
    2. تصميم حامل العينة بطريقة توفر أقصى قدر من الحرية لوضع أجهزة الكشف المختلفة على مقربة حول العينة، في حين يجري أيضا متوافقة مع عينات الأشعة السينية شفافة وتقنيات القياس مثل SAXS أو WAXS. عادة، وهذا يترجم إلى الحد الأدنى من حجم حامل العينة، وصلابة وصولا الى مقياس نانومتر ويجري خفيفة الوزن.
    3. تصميم لوحة دوائر مطبوعة (PCB) لاستخدامها كجبل للجهاز الإلكتروني لقياسات XBIC. على الرغم من أن ثنائي الفينيل متعدد الكلور مخصص مع اتصال مباشر إلى كابل محوري ليس من الضروري بالمعنى الدقيق للكلمة، فإنه يمكن أن تلعب دورا كبيرا في الحد من الضوضاء بالمقارنة مع الأسلاك فضفاضة، حيث تعمل الأسلاك كهوائيات.
      ملاحظة: من الناحية المثالية، قفص فاراداي من شأنه أن يحمي العينة من المجالات الكهرومغناطيسية. ومع ذلك، هذا في معظم الحالات غير متوافق مع الجيومتريات القياس.
  3. نموذج الاتصال
    1. الغراء DUT الإلكترونية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. اعتمادا على المواد والمتطلبات لإزالة في وقت لاحق من DUT، فمن المستحسن استخدام طلاء الأظافر، الغراء الفوري، الغراء المركب، أو الغراء السيليكون.
    2. تأكد من عدم وجود جزء تصاعد أو الأسلاك كتل شعاع الأشعة السينية الحادث ولا يعيق خط البصر من أي أجهزة الكشف الأخرى المستخدمة مثل لقياسات XRF.
    3. اتصل بطرفي DUT.
      ملاحظة: هناك طرق مختلفة للاتصال الأجهزة الإلكترونية، وأفضل خيار يعتمد على خصائص عينة معينة، حيث التصاق، المقاومة الكيميائية أو الميكانيكية، والمساحة المتوفرة هي وسيطات لأسلوب اتصال واحد أو آخر.
    4. قم بتوصيل جهة الاتصال الأمامية (جهة الاتصال المنبع التي تواجه شعاع الأشعة السينية الحادث) مع درع الكابل المحوري.
    5. قم بتوصيل جهة الاتصال الخلفية (جهة الاتصال النهائية) بقلب الكبل المحوري.
    6. الأرض الاتصال الأمامي (درع الكابل المحوري).
      ملاحظة: يؤدي الشعاع الوارد إلى طرد الإلكترونات من DUT، مما يؤدي إلى وجود تيار تعويض في دائرة القياس التي يساء تفسيرها بسهولة على أنها XBIC. لذلك، يجب أن يكون الاتصال الأمامي دائما على أساس23. وقد يكون من الضروري اختبار أساليب أسس مختلفة للتقليل إلى أدنى حد من الاختلافات المحتملة.
    7. النظر في الشكل 2 كمثال على حامل عينة تتكون من قاعدة حركية، حامل الألومنيوم، وثنائي الفينيل متعدد الكلور مع خلية شمسية متصلة بأحد الموصلين المحوريين.
  4. ترتيب العينات وأجهزة الكشف
    1. قم بتركيب العينة على الحامل.
    2. قم بتركيب حامل العينة على مرحلة العينة.
    3. ضع مركز دوران المرحلة في بؤرة شعاع الأشعة السينية.
    4. ضع العينة في مركز دوران مرحلة الدوران.
    5. تدوير المرحلة بحيث تكون الطائرة ذات الأهمية متعامدة مع شعاع الحادث لتقليل بصمة الحزمة إلى أقصى حد وتعظيم الدقة المكانية.
    6. في حالة القياسات متعددة الوسائط، ضع الكاشف (الكاشفات) حول العينة.
      ملاحظة: اعتمادا على البصريات الأشعة السينية، هناك مساحة صغيرة لوضع أجهزة الكشف في المنبع من العينة. وبالنسبة للعينات غير الشفافة بالأشعة السينية، ينبغي أن ينظر كاشف الفلورة إلى نقطة التركيز بالأشعة السينية تحت زاوية تتراوح بين 10 و20 درجة إلى مستوى العينة بحيث يتم التقليل إلى أدنى حد من الامتصاص الذاتي لعناصر الاهتمام والأعداد من التشتت.
  5. تركيب المروحية
    1. جبل مرحلة آلية، مع القدرة على التحرك عموديا إلى شعاع الأشعة السينية، المنبع من العينة.
      ملاحظة: في حين أن هذه المرحلة الآلية ليست ضرورية، فإنه يسمح لنقل المروحية من وإلى شعاع الأشعة السينية دون الدخول إلى كوخ، وبالتالي تمكين زيادة الإنتاجية والمزيد من الاستقرار.
    2. تثبيت مروحية بصرية على خشبة المسرح الآلية لتعديل إشارة واردة.
      ملاحظة: من الناحية المثالية، يتم وضع المروحية في أعلى المنبع بكثير من العينة بحيث لا تحفز أي اهتزازات على بصريات الأشعة السينية أو العينة من قبل اضطراب المحرك أو الهواء، على التوالي. ومع ذلك، تم الحصول على نتائج جيدة مع السعة الاهتزاز أقل من 100 نانومتر مع عجلة المروحية يجري أقرب إلى 10 ملم للعينة، في حين تقطيع في > 6 كيلوهرتز.
  6. الحد من ضوء الخلفية
    1. إيقاف مصادر الضوء في كوخ كلما كان ذلك ممكنا ودرع أي الآخرين، بما في ذلك أي أضواء صغيرة على ليا والمروحية تحكم عجلة. في بعض خطوط الحزمة، هناك ضوء يتم تشغيله عند البحث في الكوخ. ومع ذلك، لا ينبغي أن يبقى هذا الضوء على أثناء القياس.

2. إعداد قياسات XBIC

  1. راجع الشكل 1 للحصول على تمثيل تخطيطي لمكونات الأجهزة والأسلاك الضرورية.
  2. إعداد مكبر للصوت قبل
    1. وضع السلطة الفلسطينية على مقربة من العينة.
      ملاحظة: تأتي بعض LIAs مع السلطة الفلسطينية المتكاملة. في هذه الحالة، يتم تطبيق إعدادات السلطة الفلسطينية بطريقة مشابهة لإعدادات LIA.
    2. قم بتوصيل السلطة الفلسطينية بوحدة تحكم خارج الكوخ لتمكين التغيير البعيد لإعدادات التضخيم دون الدخول إلى الكوخ. من الناحية المثالية، يتم توصيل وحدة التحكم بعنصر تحكم خط الحزمة، ويتم تسجيل إعدادات PA تلقائيًا.
    3. قم بتشغيل السلطة الفلسطينية من دائرة طاقة نظيفة.
      ملاحظة: أجهزة مثل مضخات فراغ يمكن أن تلوث دائرة الطاقة، وبالتالي ينبغي أن تكون تعمل بالطاقة بشكل منفصل عن الالكترونيات عالية الدقة مثل السلطة الفلسطينية وليا التي يمكن نقل الاختلافات في إمدادات الطاقة إلى إشارة القياس. ولهذا السبب، عادة ما يكون لخطوط الحزمة دوائر طاقة نظيفة وملوثة. يمكن تشغيل العديد من مكبرات الصوت حتى من البطاريات.
    4. قم بتوصيل العينة من خلال موصل BNC على تحميل العينة.
    5. تأكد من أن الأسلاك عينة هو تخفيف الضغط بحيث أنها لن تقيد حركات العينة.
    6. تطبيق الجهد التحيز عبر السلطة الفلسطينية إذا كان لا يجوز قياس إشارة XBIC في ظروف ماس كهربائى. لا تطبق أي جهد التحيز إذا تم قياس إشارة XBIV في ظروف الدائرة المفتوحة.
    7. قياس سعة إشارة DUT في ظروف القياس (أي عادة في الظلام) وفي ظروف العمل (على سبيل المثال، مع ضوء الغرفة وضوء مجهر خط الحزمة) لاختبار نطاق الإشارة.
    8. تأكد من أن سعة إشارة DUT تطابق نطاق الإدخال للسلطة الفلسطينية، وتتخذ الاحتياطات اللازمة لتجنب التشبع المفرط في ظل ظروف إشارة عالية (على سبيل المثال، تشغيل ضوء الغرفة)، كما التشبع المفرط يمكن أن تدمر السلطة الفلسطينية.
    9. تأكد من أن حساسية السلطة الفلسطينية تطابق نطاق الإخراج الخاص بها ونطاق الإدخال LIA. ومن الممارسات الجيدة الحفاظ على تضخيم السلطة الفلسطينية عند الحد الأدنى من الحساسية كلما لم يكن هناك قياس يجري لتجنب التشبع العرضي.
    10. قم بتوصيل DUT بالسلطة الفلسطينية. وبالنظر إلى سعة إشارة صغيرة، فمن المهم للحفاظ على الأسلاك قصيرة.
      ملاحظة: لا ينبغي أن تتشابك الكابلات التي تحمل إشارة XBIC مع الكابلات الأخرى لأن هذه قد تؤدي إلى الضوضاء. وتشمل مصادر الضوضاء مراحل المسح الضوئي وأجهزة الكشف عن المواد الكاشفة كما تستخدم لXRF. يمكن اختبار مواضع سلكية مختلفة لتقليل الضوضاء. لمزيد من الحد من الضوضاء، يمكن أن تكون ملفوفة السلك في رقائق الألومنيوم المطحونة أو الكابلات ثلاثية المحور يمكن استخدامها.
    11. تقسيم الإشارة قبل تضخيم هادىنز إشارة موازية لتسجيل كل على حدة DC (إيجابية وسلبية) ومكونات AC التضمين.
      ملاحظة: ترد مسارات الإشارات البديلة في الجزء (أ) من قسم المناقشة.
    12. قم بتوصيل فرعين للإشارة بمحولات الجهد إلى التردد (V2F)، أحدهما مع نطاق إشارة الإدخال المقلوب لقبول إشارة DC السالبة.
  3. الإعداد الكهربائي لمضخم قفل في
    1. قم بتوصيل LIA بوحدة تحكم خارج الكوخ لتمكين التغيير البعيد لإعدادات التضخيم دون الدخول إلى الكوخ. من الناحية المثالية، يتم توصيل وحدة التحكم بعنصر تحكم خط الحزمة، ويتم تسجيل إعدادات LIA تلقائيًا.
    2. قم بتشغيل LIA من دائرة طاقة نظيفة وأبقيها على مسافة من الأدوات الصاخبة المحتملة.
    3. تأكد من أن إخراج السلطة الفلسطينية يطابق مدخلات LIA تحت جميع الظروف، كما التشبع المفرط يمكن أن تضر LIA. ومن الممارسات الجيدة الحفاظ على نطاق المدخلات LIA في أقصى حد لها كلما لم يكن هناك قياس يجري لتجنب التشبع العرضي.
    4. تغذية تردد التشكيل من المروحية البصرية كإشارة مرجعية إلى LIA.
      ملاحظة: يمكن توفير التردد المرجعي إما من قبل مذبذب من LIA، قيادة المروحية وبالتالي السماح التحكم عن بعد، أو يجري إدخال من وحدة تحكم المروحية كمرجع إلى LIA. مزيج من كليهما ممكن أيضا.
    5. قم بتوصيل الفرع الثالث من إشارة XBIC التي تم تضخيمها مسبقًا بمدخل LIA.
    6. إخراج الجذر متوسط تربيع (RMS) السعة من قفل في تضخيم إشارة كإشارة AC التناظرية من DUT.
      ملاحظة:  كما هو إيجابي دائماً، تقسيم الإشارة وعكس فرع واحد ليس من الضروري طالما أن إدخال إشارة في محول V2F ليست سلبية. وإذا تم تسجيل معلومات المرحلة أيضاً، يوصى بإخراج المرحلة بالإضافة إلى العنصر أو المكون في المرحلة والمكون الرباعي .
    7. قم بتوصيل إخراج LIA بقناة V2F ثالثة.
    8. قم بتوصيل محولات V2F بوحدات DAQ وبرامج خط الحزمة لتخزين مكونات إشارة XBIC الثلاثة مع معلومات الوقت والبكسل المقابلة.
      ملاحظة: هناك أساليب بديلة لمحولات V2F DAQ XBIC. على سبيل المثال، يمكن رقمنة إخراج الجهد من السلطة الفلسطينية وLIA مباشرة، أو قراءة رقمية من مكبرات الصوت يمكن دمجها في نظام التحكم في خط الحزمة. ومع ذلك، فإن النهج المعروض متوافق مع معظم خطوط الحزمة synchrotron، كما محولات V2F متوفرة بشكل عام.

3. XBIC القياسات

  1. اختيار شروط قياس XBIC مناسبة بشكل جيد
    1. حذار من المفاضلة بين سرعة المسح الضوئي، وتردد المروحية، وإعدادات التصفية المنخفضة المرور كما نوقش تُناقش لاحقًا في المخطوطة.
  2. تحسين معلمات قياس XBIC
    1. تأكد من أن DUT محمية من جميع الأضواء في كوخ.
    2. تعيين جميع التضخيم من السلطة الفلسطينية وLIA إلى الحد الأدنى، ويتراوح الإدخال إلى الحد الأقصى لتجنب التشبع المفرط.
    3. تعيين تردد المروحية، وهو تردد التشكيل للإشارة والتردد المرجعي لإزالة التشكيل.
      ملاحظة: كقاعدة عامة، ينبغي أن يكون التردد المختار أعلى مستوى ممكن في ظل قيود (أ) استجابة سريعة بما فيه الكفاية من DUT، (ب) سريع بما فيه الكفاية سلسلة تضخيم، (ج) مستوى مقبول من الاهتزازات الناجمة عن المروحية. وعلاوة على ذلك، ينبغي تجنب الترددات التي تُمضاعفات ترددات الضوضاء الشائعة مثل 50/60 هرتز أو kHz 45.
    4. تعيين تضخيم السلطة الفلسطينية بحيث (أ) الحد الأقصى لسعة الإخراج هو جيدا ضمن نطاق الإدخال الأقصى من LIA و (ب) استجابة السلطة الفلسطينية سريعة بما فيه الكفاية لتردد المروحية المختارة. لتحسين إعدادات مكبر الصوت في هذه المفاضلة، نشير إلى القسم الفرعي (ب) من قسم المناقشة.
      تحذير: قبل السماح بالمزيد من الفوتونات على DUT (على سبيل المثال، عند إدخال الكوخ)، قم بتعيين مكبرات الصوت مرة أخرى إلى أقصى نطاق للإدخال وإلى الحد الأدنى من التضخيم لتجنب التحميل الزائد. من الناحية المثالية، يتم تطبيق هذا مباشرة في أوامر المسح الضوئي.
    5. تعيين نطاق الإدخال من LIA لتتناسب مع سعة إشارة بعد التضخيم المسبق للمنطقة ذات الأهمية مع أقوى إشارة.
    6. في LIA، تقسيم ومزج إشارة من DUT مع إشارة مرجعية من المروحية وإشارة مرجعية 90 درجة المرحلة تحول كما هو موضح في القسم الفرعي (ج) من النتائج التمثيلية.
    7. تعيين تردد عامل التصفية منخفض التمرير من LIA إلى الحد الأدنى المتوافق مع سرعة المسح الضوئي.
      ملاحظة: كقاعدة عامة، قم بتعيينه على الأقل ترتيب حجم أقل من تردد التقطيع، وترتيب حجم أعلى من معدل أخذ العينات. ومن الناحية المثالية، ينبغي اختيار تردد الفلتر المنخفض التمريرات بحيث لا يتم تمرير ترددات الضوضاء الشائعة، والأهم من ذلك أقل من 50/60 هرتز لقطع تردد الشبكة. وللاطلاع على التفاصيل، نشير إلى القسم الفرعي (هـ) من النتائج التمثيلية.
    8. قم بتعيين مقياس التضخيم للإخراج التناظري للإشارة المكبرة للقفل بحيث يتطابق مع نطاق الإدخال لـ V2F ولا يتجاوزه.
    9. قم بتعيين حدود لينة أو للأجهزة لمخرجات مكبر الصوت وفقًا لنطاق إدخال الأجهزة التالية لمنع التشبع.
  3. أخذ قياسات XBIC
    ملاحظة: مع معلمات التضخيم المناسبة التي تم تعيينها لقياسات XBIC، والتحكم الآلي والقراءة المنفذة، لا يوجد أي إجراء آخر مطلوب لاتخاذ قياسات XBIC بصرف النظر عن بدء المسح الضوئي.
  4. ما بعد تجهيز بيانات XBIC
    1. انتقل على طول سلسلة الإشارات من DUT إلى وحدة الحصول على البيانات، حيث يتم حفظ الإشارة كمعدل حساب (هرتز)، لتحويل معدل العد مرة أخرى إلى تيار.
      1. الحصول على عامل التضخيم (V / A) في السلطة الفلسطينية، حيث يتم تضخيم الإشارة (تقاس في أمبير) وتحويلها إلى الجهد.
      2. الحصول على عامل التضخيم (V / V) في LIA.
      3. الحصول على نطاق قبول الجهد (V) من محول V2F التي يتم إسقاطها على نطاق التردد (هرتز).
      4. النظر في عوامل الموجي إضافية: إشارة الإخراج من LIA هو السعة RMS، ولكن إشارة الاهتمام هي قيمة الذروة إلى الذروة من إشارة الإدخال التضمين.
    2. ضرب معدل عدد كل بكسل مع مصطلح التحويل في المعادلة التالية للحصول على قيم XBIC في أمبير من قيم التردد التي تم فرزها بواسطة DAQ:
      (1) مع،
      حيث هو العامل الذي يعتمد على الموجي من التشكيل32.
      ملاحظة: لموجة جيبية واردة; لموجة مثلثة, ; ولموجة مربعة، . القيم النموذجية لقياس الخلايا الشمسية رقيقة الفيلم في nanoprobes الأشعة السينية الثابت هي: ، ، .
    3. لتصحيح إشارة XBIC الخام في نهاية المطاف للاختلافات الطوبوغرافية، استخدم28:
      (2)
      مع كونه معامل التوهين بالأشعة السينية33 والكثافة الكتلية لعنصر الامتصاص الذي يمكن قياسه من خلال قياسات XRF المتزامنة17.
    4. لتحويل إشارة XBIC في نهاية المطاف إلى كفاءة جمع المسؤول، ، استخدم23:
      (3)
      حيث ويتم توليد وجمع معدل أزواج ثقب الإلكترون، هو معدل الفوتونات الحادث، هو تهمة الابتدائية، وهو ثابت مادي.
    5. لحساب ثابت المواد في نهاية المطاف، استخدم:
      (4)
      حيث هي الطاقة المودعة في طبقة امتصاص DUT لكل حادث الأشعة السينية الفوتون، هو الفجوة من المواد الممتصة، وهو ثابت.
      ملاحظة: يمثل العامل كفاءة الطاقة في توليد زوج ثقب الإلكترون. وغالبا ما يكون تقريبي23 ،34 كما .
    6. لتقدير في نهاية المطاف من مستوى الحقن، ، من إشارة XBIC ، استخدم:
      (5)
      حيث يتم تفسير عدد مكافئات الشمس، هو شعاع الأشعة السينية المقطع العرضي، وهو الكثافة الحالية ماس كهربائى تحت ظروف القياس القياسية35.

Representative Results

والميزة الرئيسية لاستخدام تضخيم القفل لقياسات XBIC هي الزيادة الهائلة في نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنة بالقياسات ذات التضخيم القياسي. سيتم مناقشة إعدادات القياس التي تعتبر بالغة الأهمية لقياسات XBIC الناجحة المكبرة في القفل في الأقسام الخمسة الأولى. وهي: (أ) تعديل الإشارة؛ (ب) تعديل الإشارات؛ (ب) تعديل الإشارات؛ (د) تعديل الإشارات؛ (د) (ب) التضخيم المسبق؛ (ج) خلط الإشارات في مؤشر ليا؛ (د) تردد مرشح منخفض المرور في LIA؛ (هـ) تصفية منخفضة التمرير تتدحرج من LIA.

وترد الرسوم التوضيحية لآثار هذه الإعدادات في الشكل 3والشكل 4والشكل 6. للقياسات، استخدم إعداد المختبر ليزر أحمر( ) بدلا من شعاع الأشعة السينية، التضمين في 2177.7 هرتز بواسطة مروحية بصرية. أنابيب الفلورسنت بمثابة مصدر للضوء التحيز. وكان DUT خلية شمسية رقيقة الفيلم مع Cu (في، Ga) Se2 (CIGS) امتصاص. على الرغم من أنه سيتم اختيار إعدادات قياس مختلفة لDUT أخرى، فإن المبادئ التوجيهية العامة الموضحة هنا للعثور على إعدادات مناسبة صالحة لمجموعة متنوعة من DUT مثل الخلايا الشمسية ذات طبقات امتصاص مختلفة أو أسلاك نانوية. تم استخدام السلطة الفلسطينية مع عامل تضخيم . الآثار التي نوقشت هنا تنطبق على قدم المساواة على غيرها من مكبرات الصوت قبل. إذا لم يتم تحديد أي شيء آخر، كان تصفية تمرير منخفض لفة قبالة LIA 48 ديسيبل/أكتوبر.

وتبين الأقسام التالية (و) - (ط) نتائج مثالية لعرض إمكانيات وتحديات قياسات XBIC بالاقتران مع وسائط القياس الأخرى. وفي (و)، تناقش التحديات المحددة لقياسات XBIC في وضع المسح الضوئي للطيران. في (ز)، يتم الجمع بين قياسات XBIC وXRF من الخلية الشمسية CIGS، ويناقش تأثير التضخيم قفل في مع استخدام الجهد التحيز. في (ح)، يتم إضافة XBIV كوضع قياس لخلية شمسية CIGS. في (i)، يتم عرض XBIC والبيانات التركيبية من XRF لأسلاك نانوية CdS. بالنسبة لجميع قياسات XBIC في الأقسام من (و) إلى (ط)، استخدمنا السلطة الفلسطينية وLIA كما هو محدد في جدول المواد والكواشف.

(أ) تعديل الإشارة الواردة

ويبين الشكل 3 استجابة DUT المضخمة مسبقًا مقاسة بنطاق بدون (الصف العلوي) ومع تشغيل ضوء التحيز (الصف السفلي). كما تقوم السلطة الفلسطينية بتحويل التيارات إلى الفولتية، والإشارة المعروضة في فولت. وهو سلبي بسبب الاتصال بالخلية الشمسية، مع وجود اتصالات من النوعين p وn متصلة بالدرع وجوهر مدخلات السلطة الفلسطينية، على التوالي. وفي قياسات XBIC، يخضع الاتصال بالخلايا الشمسية للتأريض اللازم للتلامس الأمامي على النحو المبين في الفرع 1-3-6. من البروتوكول.

مقارنة الشكل 3A والشكل 3D،نلاحظ إشارة تعويض على ترتيب 8 ملفي التي يتم تحويلها إلى -65 مل فولت عن طريق تشغيل ضوء التحيز من أنابيب الفلورة. وعلاوة على ذلك، فإن تباين الإشارة على الجداول الزمنية القصيرة يتعزز إلى حد كبير بضوء التحيز. ويمكن أن يكون هذا الإزاح ة التحيز الذي يبلغ حوالي 70 مليفاف إشكالياً، بسبب الحدود في نطاق قبول السلطة الفلسطينية ورابطة ليا. كما نود أن نستخدم مجموعة كاملة من السلطة الفلسطينية، وإزاحة صغيرة كما هو الحال في الشكل 3A-C هو الأفضل. ولذلك، ينبغي القضاء على جميع مصادر التحيز غير المقصود، مثل الإضاءة المحيطة.

إضافة مصدر فوتون المفروم، كما هو معروضفي الشكل 3B،C،E،F، يزيد من الإشارة المستحثة بنفس الكمية - ما يقرب من 66 مل فولت - لكل من الضوء مع وبدون التحيز، عندما يمر شعاع من خلال شفرة المروحية؛ عندما يتم حظر شعاع بواسطة شفرة، وإشارة لا تزال على مستوى الإزاحة المعنية، كما هو متوقع. تردد المروحية متميزة في إشارة الشكل 3B و 3E مع فترة من مللي ثانية.

في الشكل 3D-F، نلاحظ تعديل إضافي على تردد 90 كيلو هرتز. مصدر هذا التشكيل عالية التردد هو الصابورة الإلكترونية للأنبوب الفلورسنت، الذي يحركه عند kHz 45. وعلى الرغم من أن التضخيم القفل قادر على التمييز بين المساهمات من ترددات التشكيل المختلفة، كما هو مبين في الشكل6، فإن الحد من إشارة الضوضاء أمر بالغ الأهمية لقياس جيد. الضوء المحيط هو مجرد مصدر واحد ممكن، ولكن الالكترونيات الأخرى يمكن أيضا أن تحفز الضوضاء، والتي سيتم فرضها بعد ذلك على الإشارة. لاحظ أن ضوء التحيز ليس دائما الضوضاء غير المرغوب فيها، ولكن في كثير من الأحيان يتم تطبيق ضوء التحيز عن قصد لتعيين DUT في ظروف التشغيل.

في الشكل 3B،C،E،F،نلاحظ كذلك أن استجابة DUT عند تغيير كثافة الإشعاع تأخر. وستناقش هذه الآثار في وقت الزيادة بمزيد من التفصيل في الفرع التالي وتنشأ هنا من تأثيرين متميزين: أولاً، تأخر الزيادة الحادة في استجابة DUT عند التشكيل 2177.7 هرتز بسبب مرشح التمرير المنخفض في السلطة الفلسطينية. ثانياً، تستمر الإشارة في الزيادة/الانخفاض بمقاييس زمنية أبطأ (على سبيل المثال، مرئية بين 0.68 و0.80 مللي ثانية في الشكل 3C)،والتي نعزوها إلى حركية الاحتلال للحالات العيوب في الخلية الشمسية.

(ب) التضخيم المسبق

لا تقوم السلطة الفلسطينية بتضخيم الإشارة المُعدَّلة لـ DUT فحسب، بل يمكنها تغيير شكل موجة العرض بشكل كبير. كما هو مفصل أعلاه، والاتصالات من الخلية الشمسية هي بحيث يتم قياس الجهد السلبي على الإضاءة. لم يتم إضافة ضوء التحيز للقياسات المبينة في الشكل 4.

وقد اتخذت القياسات مع زيادة أوقات ارتفاع مرشح لإثبات آثارها عندما يتم عقد قوة التضخيم ثابتة. في كثير من الحالات، تكون أوقات ارتفاع التصفية مقترنة بالأجهزة إلى التضخيم. كلما كان التضخيم أقوى، كلما طال وقت الاستجابة، وأصغر هو تردد قطع فلتر تمرير منخفض في السلطة الفلسطينية36،37.

مع وقت ارتفاع مرشح من 10 €s كما هو الحال في اللوحة العليا من الشكل 4، وتأخر بالكاد إشارة ، ويمتد نطاق الذروة الاسمية إلى الذروة من ما يقرب من 10 ملفي و -65 مف ف ، وتصل إلى الهضاب في قيم الذروة. مع 100 ميكروثانية مرشح ارتفاع الوقت، آثار التأخير مرئية في إشارة التضمين ولكن التشكيل لا يزال متميزا والسعة في نطاق مماثل كما ل 10 ميكروز. وقت ارتفاع عامل التصفية من 1 مللي ثانية أطول من فترة التشكيل (0.46 مللي ثانية). لذلك، يتم قمع التشكيل إلى السعة تحت 10 ملفولت، ولا يعكس الشكل سوى بداية الحافة الصاعدة والمتساقطة، التي من الواضح أنها غير مناسبة لقياسات XBIC الكمية. هذا الاتصال بين كسب ومرشح ارتفاع الوقت يجب أن يوضع في الاعتبار خاصة بالنسبة للمزيج من ترددات التشكيل السريع، مع تضخيم قوي.

(ج) خلط الإشارات

والفرق الرئيسي بين تضخيم الإشارة القياسي وتضخيم القفل هو خلط إشارة DUT مع إشارة مرجعية والقمع اللاحق للترددات العالية بواسطة مرشح منخفض المرور.

يتم تصوير مسار الإشارة للخلط في الشكل 5. لمناقشة خلط إشارة، يتم إجراء بعض التبسيطات. يمكن وصف الإشارة المرجعية بأنها إشارة الجيوب الأنفية

(6)

حيث هو السعة وتردد التشكيل للإشارة المرجعية. يمكن تمثيل الإشارة التضمينية من DUT تغذية في LIA بطريقة مماثلة

(7)

حيث هو السعة وتردد التشكيل إشارة DUT، وهو إزاحة مرحلة إشارة DUT إلى الإشارة المرجعية.

بعد من (1) و (2)، إشارة مختلطة هي:

(8) .

تردد التشكيل من DUT هو التردد المرجعي، . ولذلك، فإن مبدأ المثلثات

(9) 

يمكن استخدامها لإعادة كتابة كمجموع مصطلحين مع ترددات مختلفة:

(10) .

مرشح تمرير منخفض يخفف من إشارة سريعة بحيث يمكن أن يكون تقريبا قفل في إشارة تضخيم38،39 كما

(11) .

وتسمى إشارة DUT مختلطة مع الإشارة المرجعية المكون في المرحلة ، وتسمى إشارة DUT مختلطة مع المرجع 90 درجة المرحلة تحول مكون التربيعية :

(12) 

(13) .

من Eq. (12) و (13)، وRMS السعة

(14)

فضلا عن المرحلة

(15)

يمكن الحصول على إشارة مختلطة مع دالة الظل arcus ثنائيالحجة. العديد من LIA لديها مرحلة داخلية ضبط لتعيين إلى الصفر أثناء القياسات.

(د) تردد فلتر منخفض التمرير

ويبين الشكل 6 تأثير ضوء التحيز وإعدادات مختلفة لتصفية التمرير المنخفض على سعة RMS المكبرة للقفل. استخدمنا LIA التي سمحت لنا لتسجيل إشارة الناتجة عن معلمات مرشح مختلفة في وقت واحد.

يحدد تردد قطع مرشح تمرير منخفض التردد، حيث يتم تخفيف الإشارة إلى 50٪. في حين يتم إرسال الترددات المنخفضة، يتم قمع الترددات العالية. الشكل 6A،E تظهر إشارة مباشرة مع = 466.7 كيلو هرتز، والتي لا تعمل بشكل فعال لا القضاء على الضوضاء أو التحويرأقل تردد ولكن يتيح لهم تمرير مع إشارة الخام. تحويل إشارة الخام قبل تضخيم إلى السعة  RMS يؤدي إلى عامل إضافي للترددات أقل بما فيه الكفاية . على سبيل المثال، جهد الإدخال المستمر من هو الإخراج كما .

في حين أن متوسط الإزاحة في الشكل 6E لا يكاد يذكر دون ضوء التحيز (في المتوسط 2 ملفي)، فإنه يزيد إلى متوسط حوالي 75 ملفي V مع ضوء التحيز (الشكل6A). الفرق هو من قوة مماثلة بين الشكل 3A والشكل 3D، ولكن حذار من أن هذه كانت قياسات منفصلة. في كلتا الحالتين، يؤدي تشغيل مصدر التقطيع إلى زيادة كبيرة في  ، والتباين من الذروة إلى الذروة يتوافق مع التباين من الذروة إلى الذروة للإشارة الخام المبينة في الشكل 3B والشكل 3E .

في الشكل 6B،F، يتم عرض سعة RMS بعد استخدام عامل تصفية تمرير منخفض مع 1000 هرتز. مرة أخرى يمكن ملاحظة إزاحة في الشكل 6B بسبب ضوء التحيز، ولكن الإزاحة أصغر مع حوالي 18 ملفي فولت في المتوسط. يحدث هذا الإزاحة بسبب تعديل 100 هرتز للضوء الفلورسنت، في حين يتم حظر التشكيل kHz 90 بواسطة مرشح تمرير منخفض. وعلاوة على ذلك، فإن مستوى الضوضاء في حالة 'شعاع على' لا يزال كبيرا مع اختلاف الذروة إلى الذروة حول 46 ملفي، في حين أن متوسط قيمة الإشارة يصل إلى 32 ملي فولت. دون ضوء التحيز (الشكل6F)التباين من الذروة إلى الذروة يصل إلى حوالي 17 ملفي خلال 'شعاع على' مع متوسط قيمة 23.5 mV. متوسط الإزاحة أثناء 'شعاع قبالة' أصغر من 0.5 mV. وتبين هذه القياسات أن الجمع بين مرشح منخفض المرور مع 1000 هرتز وتردد تقطيع قدره 2177.7 هرتز ليس مثالياً: فالإشارة التي تحمل تردد التشكيل لا تُزال إلا جزئياً ولكن لا تُقمع بالكامل بواسطة الممر المنخفض تصفيه. الجزء المتبقي يؤدي إلى اختلافات كبيرة من  الذروة إلى الذروة من خلال حالة "شعاع على". عندما يكون ضوء التحيز موجوداً، فإن التشكيل 100 هرتز بسبب التردد الصافي للمصابيح الفلورية يزيد من قيم الذروة إلى القمة.

في الشكل 6C،G، يمكن أن ينظر إلى تأثير ضوء التحيز على أنه الحد الأدنى: 10.27 هرتز تصفية منخفضة تمرير يقطع معظم الضوضاء وتعديل ضوء الفلورسنت، ويمكن استخراج إشارة واضحة الناجمة عن شعاع. وعلى الرغم من أنه لا يكاد يكون مرئياً هنا، فإن إزاحة وانتشار الضوضاء لا يزالان أكبر قليلاً مع ضوء التحيز. ويمكن أن يكون السبب في ذلك هو الضوء الضال الذي يمر عبر عجلة المروحية على DUT. ولذلك، فمن المستحسن لتنفيذ المروحية في المنبع بعيدا لتجنب تعديل الضوء الضال.

الشكل 6D،H هي التكبير في التغيير من 'شعاع على' إلى 'شعاع قبالة' بعد 6 s في الشكل 6B،C،F،G،على التوالي. التشكيل المفروض في 100 هرتز (تردد مصابيح الفلورة) مرئي في الشكل 6D لفلتر تمرير منخفض مع 1000 هرتز. لاحظ أيضا التأخير في الإشارة بعد عامل التصفية مع 10.27 هرتز مقارنة بالإشارة بعد المرشح مع 1000 هرتز، عندما يتم إيقاف تشغيل شعاع. على غرار حالة أوقات الارتفاع البطيء للسلطة الفلسطينية، وانخفاض مرشح تمرير منخفض في LIA يسبب التكيف أبطأ من لتغيرات الإشارة.

بالإجمال، وجدنا أن مرشح تمرير منخفض مع 10.27 هرتز ولفة من 48 ديسيبل / أكتوبر (انظر القسم التالي) يقدم في هذه الحالة أفضل حل وسط بين سرعة المسح السريع (لصالح القيم العالية) وقمع التحيز الضوء أو الضوضاء (في صالح القيم المنخفضة، والأهم من ذلك أقل من تردد الشبكة 50 هرتز).

(هـ) تصفية منخفضة التمرير

كما العديد من مكبرات الصوت قفل في الرقمية، والنموذج الذي تم استخدامه هنا يستخدم ما يسمى مرشحات RC منفصلة الوقت أو المرشحات متوسط تشغيل الأسي الذي خصائص قريبة جدا من تلك التي التناظرية المقاوم مكثف RC مرشح40. وبصرف النظر عن تردد قطع التصفية التي تمت مناقشتها في القسم السابق، هناك معلمة مجانية واحدة فقط، أمر التصفية، الذي يحدد ميل القطع كـ dB/oct.

ويبين الشكل 7ألف تأثير ترتيب التصفية على التوهين المعتمد على التردد لمختلف الترددات المقطوعة التي تتوافق مع الثوابت الزمنية ms وms. الثوابت الزمنية بين هذين النقيضين مناسبة لمعظم XBIC القياسات. تم حساب التوهين عامل التصفية40 في مجال التردد كقيمة مطلقة تربيع وظيفة نقل معقدة

(16) 

كدالة للتردد ومرشح النظام مع ثابت الوقت . يتم الحصول على وظائف نقل مرشحات ترتيب أعلى عن طريق ضرب وظائف نقل عوامل التصفية الفردية المتصلة تسلسلياً. على غرار ، ونحن تحديد والترددات ، والتي التوهين هو 5 ٪ و 95 ٪ ، على التوالي. منتج هذه الترددات وهو ثابت ومعين في الجدول 1 للتحويل بين الترددات الفاصلة وثابت وقت التصفية.

في المجال الزمني، يتم حساب استجابة عامل التصفية بشكل متكرر من إشارة إدخال يتم تعريفها في أوقات منفصلة ، ، وما إلى ذلك، متباعدة بواسطة وقت أخذ العينات :

(17) 

يتم حساب استجابة المرشحات مع التكرار المتعدد من Eq. 17 مع محسوبة من و . تظهر استجابة عامل التصفية إلى وظيفة خطوة متزايدة (في الوقت 0) وإنقاص (في الوقت) في الشكل 7B لأوامر التصفية من 1 إلى 8، كدالة للوقت في وحدات . لاحظ أن الاستجابة تتأخر فيما يتعلق بإشارة الإدخال وأن هذا التأخير يزيد مع . يتم تحديد التأخير كمياً في الجدول 1 كأوقات و و، حيث تصل الإشارة المرسلة إلى 5%، أو 50%، أو 95%، على التوالي.

اختيار مرشح الصحيح لفة قبالة حاسمة كما هو الحال من تردد قطع عند تصميم التجربة. في التطبيق 1 المعروض في القسم (ز)، تم الحصول على قياسات XBIC عالية الجودة مع تردد المروحية من 1177 هرتز، والوقت يسكن من 100 مللي ثانية، وتردد قطع من 40 هرتز في تصفية النظام 8. مع الأرقام من الجدول 1 ، وهذا يترجم إلى ، و . هذا وقت إلى حدّ كبير أقصر من ال يسكن وقت مثل هذا أنّ ما من [تأخر-بالقطع] يكون قدّمت.

(و) تصحيح الوقت في مكان المدّد

في قياسات وضع الخطوة الكلاسيكية، تنتقل مرحلة المسح الضوئي إلى الوضع الاسمي، ويتم تشغيل بداية القياس في موضع البكسل هذا بعد الوصول إلى الموضع الدقيق. لفترات قصيرة، يصبح وقت التسوية مقيداً لوقت المسح الضوئي العام، مما يحفز ما يسمى بالتصوير بالطيران أو أوضاع القياس المستمر: هناك، تتحرك مرحلة المسح الضوئي بشكل مستمر، وتُنسب بيانات القياس إلى وحدات البكسل مع الترميز مرحلة الموقف في مرحلة ما بعد المعالجة. غير أن هذا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل إضافية كما هو مبين في الشكل 8. في هذه الحالة، لم تكن محركات مرحلة العينة تتحرك بشكل موحد في الاتجاه، مما أدى إلى اختلاف أوقات التضخم لكل بكسل (انظر الشكل 8A). وتترجم الاختلافات في وقت الديويل مباشرة إلى اختلافات في قياسات XBIC، كما هو مرى في الشكل 8C. لذلك، يجب تطبيع إشارة XBIC إلى وقت التسوية، وتظهر نتائجها في الشكل 8D. وبالمثل، فإن الاختلافات في كثافة الحزمة (المعروضة في الشكل 8باء)كثيرا ً ما تحتاج إلى أن تُحسب عن طريق التطبيع مع تدفق الفوتون. ويمكن رؤية إشارة XBIC تطبيع إلى تدفق الفوتون في الشكل 8E؛ للحصول على الحد الأدنى من الخطأ في التحديد الكمي XBIC المطلق، تم تطبيع تدفق الفوتون نفسه إلى قيمته المتوسطة. ويبين الشكل 8F خريطة XBIC التي تم تطبيعها إلى وقت الجلوس وكذلك إلى تدفق الفوتون، مما قلل من تأثير معظم قطع القياس. وأخيراً، يظهر الشكل 8G بيانات XBIC بعد التحويل من معدل العد إلى الحالي باستخدام Eq. (1).

(ز) التطبيق 1: XBIC من خلية شمسية مع التحيز الجهد وXRF

ويبين الشكل 9 ألف- باء أثر تضخيم القفل على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في شعاع الأشعة السينية الذي يسبب قياسات حالية. الضجة من الإشارة المباشرة واضحة في الشكل 9A:تباينات كثافة قوية من خط إلى خط تدل على قياس القطع الأثرية، والاختلافات XBIC غرامة من DUT الحصول على دفن في إشارة المتغيرة بشكل تعسفي. من ناحية أخرى، هذه الميزات الجميلة واضحة للعيان في الشكل 9B. لاحظ أن مستوى الضوضاء في الشكل 9A مرتفع بشكل غير عادي لأسباب غير معروفة على الرغم من تحسين الإعداد قبل القياسات. وفي مثل هذه الحالات، يكون تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق التضخيم القفل أعلى بكثير مما هو عليه في حالات نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية بالفعل مع التضخيم القياسي (على سبيل المثال، التطبيق 3 في القسم (ط))، حيث يكون تضخيم القفل فقط يؤدي إلى تحسينات هامشية.

مع السلطة الفلسطينية، إلى الأمام (الشكل9C)وعكس (الشكل9D)الفولتية التحيز من -50 ملفي و +50 مل في فولت، على التوالي، تم تطبيقها على العينة ومنطقة الشكل 9A-B إعادة مسحها ضوئيا. السمات المهيمنة المرئية في الشكل 9B لا تزال مرئية في الشكل 9C و الشكل 9D، لكنها أقل تميزا ً لأن الخرائط أكثر صاخبة. ويرجع ذلك إلى أن تطبيق الجهد التحيز أو التحيز ضوء يحفز تيار مباشر الذي هو في كثير من الأحيان أوامر من حجم أكبر من إشارة XBIC التضمين. وفي نهاية المطاف، فإن نسبة الإشارة المباشرة إلى الإشارة المغيرة تحد من إمكانية التضخيم القفل. على الرغم من ضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء، تجدر الإشارة إلى أن التضخيم قفل في تمكن من رسم خرائط لأداء الخلايا الشمسية على مقياس النانو مع التحيز الجهد والتحيز ضوء تطبيقها، والتي من الصعب أن يكون من الممكن خلاف ذلك30.

كما يرتبط أداء الخلية الشمسية CIGS إلى تكوينطبقة امتصاص 7،41،قمنا بقياس إشارة XRF في وقت واحد مع XBIC. في الشكل 9هاء-F، يتم عرض تركيزات Ga و In. كلا العنصرين هي جزء من طبقة امتصاص وتعتبر نسبتها أن يكون لها تأثير كبير على أداء الخلية الشمسية7. الإحصاءات من Ga هي أكبر بكثير مما كانت عليه بالنسبة لIn، والذي يرجع إلى معامل امتصاص أعلى وأقل امتصاص الذات في الطاقة الإثارة من 10.4 كيلوفولت. بسبب انخفاض الإحصاءات، والميزات في الخريطة غير مرئية تقريبا، في حين أن تركيز Ga واضح بما فيه الكفاية لتكون مرتبطة مع الأداء الكهربائي في الشكل 9B. للحصول على إشارة أعلى في، يمكن للمرء إما اختيار أوقات أطول يسكن أو اختيار الطاقة امتصاص مع أكبر في امتصاص المقطع العرضي. وهذا يوضح أهمية وقت طويل بما فيه الكفاية للجلوس، فضلا عن تكييف الطاقة شعاع لعناصر الاهتمام.

مع أوقات يسكن طويلة وخرائط كبيرة، نقطة أخرى يجب أن يوضع في الاعتبار: خلال القياسات التي تمتد ساعات متعددة، يمكن أن تصبح عينة الانجراف قضية حاسمة. التقلبات الحرارية (لا سيما بعد تغيير العينة أو الحركات الحركية الكبيرة مع تبديد الحرارة الفقراء) وعدم استقرار مكونات المرحلة الميكانيكية غالبا ما يؤدي إلى الانجراف عينة كما يمكن أن نرى من خلال مقارنة المواقف الرأسية من الشكل 9D و الشكل 9 باء

(ح) التطبيق 2: XBIC من خلية شمسية مع XBIV و XRF

ويبين الشكل 10 مسحاً متعدد الوسائط لخلية شمسية تابعة لـ CIGS، حيث تعمل الخلية تحت حالة ماس كهربائى قياس XBIC في الشكل 10A،وتحت حالة الدائرة المفتوحة التي تقيس XBIV في الشكل 10B. وقد أُخذ قياس XRF المبين في الشكل 10 جيم في وقت واحد مع قياس XBIV. لجمع ما يكفي من عدد XRF، كان الوقت يسكن لكل بكسل 0.5 s للشكل 10B-C بالمقارنة مع 0.01 s في الشكل 10A. وبناء على ذلك، يمكن استخدام تردد قطع أقل في مرشح التمرير المنخفض لقياس XBIV مقارنة بقياس XBIC (10.27 هرتز مقابل 501.1 هرتز، وكلاهما مع لفة قبالة 48 ديسيبل / أكتوبر). بالنسبة لقياسات XBIV وحدها، كان بإمكاننا استخدام نفس إعدادات التصفية التي تعمل في مكان الجلوس والإضاءة المنخفضة كما هو الحال بالنسبة لقياس XBIC مع نسبة إشارة إلى ضوضاء مماثلة. ومع ذلك، كان الجمع بين قياسات XBIV وXRF مع قياس XRF الذي يحكم وقت الإيوراض أكثر كفاءة من حيث الوقت، من إجراء قياسات منفصلة من XBIV وXRF.

مقارنة الشكل 10A،والشكل 10B، نلاحظ أن التيار ماس كهربائى، تقاس باسم XBIC، والجهد الدائرة المفتوحة، تقاس كما XBIV، مترابطة: مناطق كبيرة عالية ومنخفضة الأداء مرئية في كلا وضعي القياس. وهذا يشير إلى أن الاختلافات سمك المحلية و / أو إعادة الجمع تهيمن على الأداء هنا، بدلا من الاختلافات الفجوة، مما يؤدي إلى اتجاهات معاكسة في XBIC وXBIV28.

وعلاوة على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار الشكل 10C، يمكن للمرء أن يرى أن بعض المناطق ذات الأداء المنخفض مثل في ترتبط مع انخفاض معدل العد Cu، في حين أن الأداء لا يرتبط مع معدل العد Cu في مناطق أخرى.

'1' التطبيق 3: XBIC وXRF من سلك نانوي

وإلى جانب الخلايا الشمسية، فإن الأسلاك النانوية التي تم الاتصال بها24 أو صفائح النانو، فضلاً عن النقاط الكمية، هي أمثلة أخرى على DUT التي يمكن أن تستفيد من قياسات XBIC المضخمة للقفل. بالنسبة للتوضيح، يُظهر الشكل 11A التوزيع الأولي من قياسات XRF، والشكل 11B خريطة XBIC المقابلة لسلك نانوي CdS. الاتصالين التي أجريت من Pt وسلك CdS يمكن تمييزها بوضوح، وإشارة XBIC يظهر استجابة كهربائية مطابقة. جدير بالذكر بشكل خاص هو حقيقة أن XBIC يمكن الكشف عن الأداء الكهربائي للسلك النانوي تحت اتصال Pt، والتي هي فريدة من نوعها لnanoprobes الأشعة السينية ويعزى إلى عمق اختراق عالية من الأشعة السينية الصلبة. وتكملة تكوين المواد والخصائص الكهربائية للأسلاك النانوية يوضح بشكل مثالي مزايا قياسات الأشعة السينية المتعددة الوسائط.

Figure 1
الشكل 1 إعداد لقفل في تضخيم الأشعة السينية شعاع القياسات الحالية (XBIC) على جهاز تحت الاختبار (DUT). يتم تصوير مسار الحزمة باللون الأحمر. تشير النماذج الخضراء إلى الفلورة الاختيارية بالأشعة السينية (XRF) وأجهزة الكشف عن المنطقة للقياسات متعددة الوسائط، يشير اللون الأصفر إلى ضوء التحيز الاختياري. مكونات الأجهزة لقياسات XBIC باللون الأسود، في حين أن مسارات إشارة XBIC زرقاء مع مخرجات إشارة ومدخلات تظهر كدوائر مملوءة وفارغة، على التوالي. قبل الحصول على البيانات (DAQ)، يتم تحويل إشارة DC (التيار المباشر) وAC (التيار المتناوب) من جهد إلى تردد (V2F). وبالنسبة لمسارات الإشارة البديلة، نشير إلى الجزء (أ) من قسم المناقشة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 مثال على حامل العينة الحركية الأمثل لقياسات الفحص المجهري بالأشعة السينية المتعددة الوسائط بما في ذلك شعاع الأشعة السينية الناتجعن التيار. يتم تركيب الأسلاك النحاسية رقيقة على الاتصالات الأمامية والخلفية من Cu (في، Ga) Se2 (CIGS) خلية شمسية مع الطلاء الفضي، ومتصلة اتصالات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم استخدام شريط بوليميد لفصل الأسلاك، وتجنب ماس كهربائى للعينة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 استجابة الخلايا الشمسية قبل تضخيمها على التشعيع مع ضوء التحيز وشعاع التضمين. الصف العلوي دون ضوء التحيز، الصف السفلي مع ضوء التحيز: A و D - شعاع قبالة. B & E - شعاع على; C & F - التكبير في المستطيل الأحمر من B & E. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 استجابة الخلايا الشمسية بعد ما قبل التضخيم مع ثلاث مرات مختلفة ارتفاع مرشح (10 μs - الأزرق، 100 درجة مئوية - الأحمر، 1 مللي ثانية - الأخضر) في ما قبل مكبر للصوت. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 معالجة إشارة من قبل قفل في مكبر للصوت31. هو إدخال إشارة من DUT والإشارة المرجعية من المروحية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.   

Figure 6
الشكل 6 قفل في تضخيم RMS السعة: مع ترددات قطع فلتر منخفضة التمرير 466.7 كيلوهرتز (أزرق)، 1 كيلوهرتز (أرجواني)، 10.27 هرتز (أحمر)، وفلتر ثابت لفة قبالة 48 ديسيبل / أكتوبر. وكان DUT Cu (في، Ga) Se2 الخلية الشمسية مع (A، B، C، D) ودون (E، F، G، H) ضوء التحيز المطبقة. يتم الإشارة إلى الأوقات التي تم فيها تشغيل شعاع الفوتون المفروم وإيقاف تشغيله في الأرقام كخطوط متقطعة عمودية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.  

Figure 7
الشكل 7 تأثير إعدادات التصفية المنخفضة المرور في مكبر الصوت قفل في. أ - التوهين بواسطة عامل تصفية تمرير منخفض في مجال التردد لثوابت الوقت اثنين (مللي ثانية وMS) ولأوامر التصفية 1 إلى 8. ب - استجابة إشارة مرسلة من مرشح تمرير منخفض في مجال الوقت، في وحدات من ثابت الوقت، لأوامر التصفية 1 إلى 8 عند تغيير خطوة تشبه إشارة الإدخال من 0 إلى 1 في الوقت 0 ومن 1 إلى 0 في الوقت . الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.  

Figure 8
الشكل 8 قياس المسح الجوي لـ Cu(In,Ga)Se2 للخلايا الشمسية في beamline P06 في PETRA III، التي تم التقاطها في 15.25 كيلوفولت طاقة فوتون مع تدفق مركز حوالي ph/s. وقد استخدمت السلطة   الفلسطينية مع = 106 V /A، وLIA مع هرتز (48 ديسيبل / أكتوبر). A - يسكن الوقت، B - تدفق الفوتون، C - شعاع الأشعة السينية الناجمة عن التيار (XBIC)؛ خريطة XBIC تطبيع إلى: D - يسكن الوقت، E - تدفق الفوتون تطبيع لقيمتها المتوسطة، F - يسكن الوقت وتطبيع تدفق الفوتون. G – إشارة XBIC عادية بعد التحويل من معدل العد إلى الحالي باستخدام Eq. (1). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

Figure 9
الشكل 9 الأشعة السينية شعاع المستحثة الحالية (XBIC) والأشعة السينية الفلورية (XRF) قياسات Cu (في، Ga) Se2 الخلية الشمسية، التي اتخذت في ID16B خط الحزمة في مرفق الإشعاع Synchrotron الأوروبية مع تدفق مركزة على ترتيب ph/s. وقد استخدمت السلطة الفلسطينية مع V/A، LIA مع هرتز (48 ديسيبل / أكتوبر). وكانت طاقة الحزمة 10.4 كيلوفولت، وكان تردد المروحية 1177 هرتز، وقطع مرشح تمرير منخفض في 40 هرتز. وكان وقت يسكن 100 مللي ثانية وحجم بكسل كان 40 نانومتر × 40 نانومتر. وقد اتخذت جميع الخرائط ألف وباء وهاء وواو في نفس الوقت؛ C و D هي retakes بعد 50 دقيقة و 113 دقيقة، مع 50 مل في V إلى الأمام وعكس التحيز الجهد المطبقة، على التوالي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.      

Figure 10
الشكل 10 قياس متعدد الوسائط من Cu (في، Ga) Se2 الخلية الشمسية، التي اتخذت في beamline P06 في البتراء الثالث مع تدفق مركزة من حوالي ph/s. وكانت طاقة الحزمة 15.25 كيلوفولت، وكان تردد المروحية 8015 هرتز، وحجم البكسل 50 نانومتر × 50 نانومتر. أ - شعاع الأشعة السينية المستحث بالتيار (XBIC) المقاس بمدة يسكنها 0.01 ق، وPA مع = 106 V/A، وLIA مع Hz (48 ديسيبل/أكتوبر)؛ ب - شعاع الأشعة السينية الناتج عن الجهد (XBIV) الذي يغطي نفس مساحة اللوحة A، مقاسة بوقت يسكن 0.5 s وLIA مع هرتز (48 ديسيبل/أكتوبر)؛ ج - معدل العد Cu من قياس الفلورة بالأشعة السينية (XRF)، التي اتخذت في وقت واحد مع قياس XBIV. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.         

Figure 11
الشكل 11 قياس متعدد الوسائط لأسلاك نانوية CdS مع اتصالات Pt، التي اتخذت في beamline 26-ID-C من مصدر الفوتون المتقدم مع طاقة شعاع من 10.6 كيلوفولت. A - Pt و Cd التوزيع من قياس الفلورة الأشعة السينية. ب - قياس شعاع الأشعة السينية المستحث بالقياس الحالي (XBIC) الذي يؤخذ في وقت واحد مع قياس XRF، دون تضخيم القفل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

Table 1
الجدول 1: لمرشحات RC في الوقت المنفصل من أوامر 1 إلى 8، والناتج من ثابت الوقت والتردد، الذي يتم تخفيف الإشارة بنسبة 5٪ ( ،50٪ () ، و 95٪ () ثابتوووووواعطاء في الجزء العلوي . في الجزء السفلي، يتم إعطاء تأخير الوقت، الذي تصلالإشارة ضمنهإلى 5٪( ) ، 50٪ ( ) ، و 95٪ ( ) ، في وحدات من الوقت الثابت وتردد قطع عكسي. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف excel.

XBIC فى هذا العنونة LBIC
القدرة متعددة الوسائط ++ + +
الاستبانة المكانية ++ ++ -
عمق الاختراق ++ -- +
توافر -- - +
عينة الضرر - -- ++

الجدول 2: التقييم النوعي لشعاع الأشعة السينية المستحث بالتيار (XBIC) وشعاع الإلكترون المستحث بالتيار (EBIC) وشعاع الليزر المستحث بالتيار (LBIC).

Discussion

في هذا الفصل، نناقش أولاً أهمية إعدادات قياس XBIC العامة فيما يتعلق بالضوضاء (أ) وسرعة المسح الضوئي (ب). بعد ذلك، نضع قياسات XBIC في سياق القياسات متعددة الوسائط ونناقش جوانب الأضرار الناجمة عن الأشعة السينية (ج) والتحديات المحددة المتعلقة بالقياسات المتزامنة للبارامترات المتعددة (د). وأخيراً، نقارن قياسات XBIC بالقياسات ذات الصلة باستخدام الحزم الإلكترونية والليزرية كمسبار (هـ).

(أ) الضوضاء والخطأ

على الرغم من أن التضخيم القفل يتيح نسبة أعلى من الإشارة إلى الضوضاء مقارنة بالتضخيم المباشر، فمن الأهمية بمكان تجنب إدخال الضوضاء على جميع المستويات كما تم التأكيد مرارا وتكرارا في جميع أنحاء هذه المخطوطة. لمزيد من المناقشة، نشير إلى المؤلفات التي تناقش قياس الإشارات الكهربائية الصغيرة42،43،44،45. على الرغم من أن أحدث مكبرات الصوت قفل في تستند إلى معالجة الإشارات الرقمية اليوم، فإن معظم الاستراتيجيات للحد من الضوضاء باستخدام مكبرات الصوت التناظرية قفل في لا تزال تنطبق.

وباختصار، ينبغي أن يوضع في الاعتبار أن الكابلات عرضة للعمل كهوائيات وبالتالي إدخال الضوضاء في النظام. ويصدق هذا بصفة خاصة في بيئة المسبارات النانوية بالأشعة السينية، حيث لا يمكن تجنب الحقول الكهربائية المغناطيسية القوية في كثير من الأحيان، بل إن مصادرها قد تظل غير معروفة. ونتيجة لذلك، ينبغي الاحتفاظ بالكابلات في أقصر وقت ممكن وموجهة بحيث يتم تقليل مستوى الضوضاء المستحثة إلى أدنى حد ممكن. قد يؤدي التدريع الإضافي لكابلات الإشارة إلى تقليل مستوى الضوضاء.

الاتصال السليم من DUT على نفس القدر من الأهمية للحد من الضوضاء. طريقة نظيفة وقوية مع نقاط الاتصال الصغيرة هو الأسلاك الترابط. للخلايا الشمسية TF، وهذا لا يعمل دائما بسبب قضايا التصاق. بدلا من ذلك، الشريط موصل على أساس الجرافيت، والنحاس، أو الألومنيوم هو مناسبة لعينات أكبر. في كثير من الحالات، يتم الحصول على أفضل النتائج مع التطبيق اليدوي للطلاء الفضي للاتصال رقيقة النحاس، والذهب، أو أسلاك البلاتين إلى الجهاز. في حين الشريط ولصق الجرافيت قد لا تعطي أفضل اتصال، يمكن الطلاء الفضة بسهولة ماس كهربائى الجهاز ويجب أن تودع مع أقصى قدر من العناية. يمكن استخدام شريط بوليميد لمنع ماس كهربائى من الاتصال الأمامي والخلفي.

لاحظ أن تخطيط الكابلات من الاتصال إلى نقل الإشارة يحتاج إلى تكييفه مع ظروف الحدود الخاصة بخط الحزمة. على سبيل المثال، التخطيط الموضح في الشكل 1 مع تقسيم الإشارة المكبرة مسبقًا إلى LIA ومحولات V2F محفوف بالمخاطر، إذا كانت محولات V2F موجودة خارج الكوخ. في هذه الحالة، كابل طويل بين ما قبل مكبر للصوت ومحول V2F يمكن التقاط الضوضاء التي يتم نقلها إلى LIA. لذلك، نميز بين ثلاث حالات من مسارات الإشارة المشتركة لقياسات XBIC أو XBIV:

الحالة ألف: يتم قياس XBIC بمكبر صوت مسبق، ويتم تقسيم إشارة DC/AC بعد السلطة الفلسطينية كما هو موضح في الشكل 1. في هذه الحالة، يمكن تطبيق إزاحة الحالية في السلطة الفلسطينية بحيث تكون الإشارة دائماإيجابية، وتجنب الحاجة إلى تسجيل إشارة إيجابية وسلبية عبر اثنين من محولات V2F منفصلة. كعيب، وهذا من شأنه أن يقلل من نطاق قبول الجهد المتاحة في LIA ويؤدي إلى انخفاض الحساسية.

الحالة ب: تجنب تقسيم الإشارة التي تم تضخيمها مسبقاً، والتي هي مجرد إدخال إلى LIA، يمكن استخدام مُدَدِّر إضافي في LIA مع فلتر تمرير منخفض بالقيمة القصوى(أي عدم تأمين تردد التشكيل) بحيث يمكن أن تكون إشارة قبل تضخيم الانتاج على نحو فعال إلىوحدة DAQ كما هو مبين في الشكل 6A،E. في هذه الحالة، يمكن تطبيق إزاحة الجهد على الإخراج على كل من إشارة التيار المتردد وDC، وتجنب الحاجة إلى تسجيل إشارة إيجابية وسلبية عبر اثنين من محولات V2F منفصلة. هذا ليس له عيوب كبيرة باستثناء انخفاض نطاق التردد المتاحة من V2F، والتي نادرا ما تحد.

الحالة C: يتم قياس XBIV ويتم تقسيم إشارة DC /AC بين DUT ومكبر الصوت قفل في. في هذه الحالة، لا يمكن تطبيق إزاحة الجهد على إشارة العاصمة دون تطبيق الجهد التحيز غير المرغوب فيها على DUT، بحيث دائما اثنين من محولات V2F منفصلة مطلوبة لأجزاء إشارة إيجابية وسلبية.

في جميع الحالات، حيث يتم تسجيل الأجزاء السلبية والإيجابية من إشارة عن طريق اثنين من محولات V2F مختلفة، يتم الحصول على مجموع إشارة XBIC أو XBIV كالفرق بين القناة الإيجابية والسلبية. إذا كان LIA مع اثنين أو أكثر من demodulators متاح، ونحن نفضل عادة حالة B، كما أنه يقلل من الأسلاك من إشارة الخام ويسمح سهولة التبديل بين قياسات XBIC وXBIV.

يعتمد خطأ قياسات XBIC إلى حد كبير على المعدات والإعدادات المستخدمة بحيث لا يمكن إعطاء أي تحديد كمي للخطأ هنا. الخطأ المطلق أعلى مما يمكن للمرء أن يتوقع بسبب أخطاء تجريبية ومنهجية. وينطبق ذلك بشكل خاص إذا تم تحويل إشارة XBIC إلى زيادة كفاءة جمع الترسب باستخدام ثابت كما هو موضح في البروتوكول. فعلى سبيل المثال، تعاني العلاقة الإمبريالية بين طاقة الفجوة المؤينة التي يصفها α (انظر Eq. 4) من تشتت كبير؛ قياسات تدفق الفوتون غالبا ما تكون غير متوفرة مع أخطاء مطلقة أقل من 10٪؛ والهيكل النانوسكوبي لـ DUT غير معروف بشكل جيد. ومع ذلك، فإننا نؤكد أن قوة القياسات XBIC وXBIV الموسعة للقفل تكمن في الدقة النسبية الكبيرة داخل الخرائط أو القياسات المماثلة.

(ب) سرعة المسح الضوئي

في العديد من أوضاع القياس التي تستند إلى الكشف عن الفوتون مثل تشتت الأشعة السينية أو الأشعة السينية، تزداد شدة الإشارة في التقريب الأول خطياً مع وقت الاكتساب، وبالتالي زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. وهذا لا ينطبق على قياسات XBIC، حيث لا يتم إملاء نافذة سرعات المسح الضوئي المحتملة بواسطة إحصائيات العد ولكن من خلال اعتبارات أكثر تعقيداً مثل ديناميات الناقل وهيكل الجهاز.

ومع ذلك، فإن القياسات البطيئة مع العديد من الفترات من الإشارة التضمينية لكل بكسل تؤدي عادة إلى أفضل نسبة إشارة إلى الضوضاء في قياسات XBIC المكبرة للقفل، والإفراط في التنعيم أثناء المعالجة اللاحقة (على سبيل المثال عن طريق تناول الطعام أو تطبيقه المرشحات) يمكن أن تقلل من مستويات الضوضاء إذا سمح وقت القياس. ومع ذلك، وبصرف النظر عن اعتبارات الإنتاجية، يمكن أن تضع قيود أخرى حدوداً أدنى لسرعة القياس، بما في ذلك: (1) التحلل الناجم عن شعاع الأشعة السينية (انظر القسم التالي)، أو تغيرات العينات الناجمة عن البيئة أثناء التغيرات في الموقع القياسات غالبا ما تقلل من الوقت المسموح به. (2) يمكن أن يكون الانجراف عينة واستنساخ حركات المرحلة الحد، وخاصة بالنسبة للقياسات على مقياس النانو. (3) قد تفوق تدرجات مستوى الضوضاء الكهرومغناطيسية بقياسات أسرع. (4) في حين أن قياسات عد الفوتون يمكن بسهولة تطبيع هاطول الفوتون الحادث، إشارة XBIC (وحتى أكثر من ذلك إشارة XBIV) ليست إلا إلى حد ما خطية لتدفق الفوتون الحادث28. ولذلك، فإن التطبيع مع تدفق الفوتون لا يعوض سوى جزء من الآثار الناجمة عن اختلاف تدفق الفوتون، وينبغي للمرء أن يتجنب أخذ قياسات XBIC (مثل الخرائط أو السلاسل الزمنية) في حين أن التدفق متنوع. هذه مشكلة خاصة عند تعبئة حلقة التخزين أثناء خريطة XBIC.

إذا كانت سرعة قياس XBIC لا تحكمها أوضاع قياس أخرى (انظر القسم (د))، فإن قياسات XBIC تؤخذ عادة ً بالسرعة القصوى التي توفر نسبة مرضية للإشارة إلى الضوضاء. وتعطى الحدود العليا لسرعة القياس بالقيود التالية: (1) الحد الأعلى الأساسي لسرعة القياس هو وقت استجابة DUT. وفي نهاية المطاف، يكون وقت الاستجابة محدوداً بمدة تحصيل الرسوم. بالنسبة لمعظم الخلايا الشمسية رقيقة المنوّل مع عمر الناقل المسؤول في نطاق نانو أو ميكروثانية، وهذا أمر غير حرج، ولكن هذا يجب أن يوضع في الاعتبار للخلايا الشمسية ذات جودة عالية بلوري السيليكون مع عمر عدة مللي ثانية. ومع ذلك، يمكن أن تزيد آثار السعة من وقت الاستجابة أيضا ً للخلايا الشمسية TF بحيث يمكن أن تحد من سرعة القياس. (2) شفرات المروحية الدوارة التي تستخدم لتعديل شعاع الأشعة السينية لها حدود السرعة العليا. اعتمادا على موقعها في شعاع الأشعة السينية، قد يكون حجم شعاع تصل إلى 1 ملم واسعة، والذي يحدد الحد الأدنى لفترة الشفرة. إذا تم تشغيل المروحية في فراغ، وتردد دوران نادرا ما يحد، ومطابقة في بعض الحالات حتى تردد الإلكترون حفنة. ومع ذلك، فإن تشغيل المروحيات بهذه السرعات في فراغ يشكل تحديا، بحيث يتم تشغيل معظم المروحيات في الهواء. في هذه الحالة، يتم تحديد سرعة الدوران بالاهتزازات الميكانيكية وفي نهاية المطاف من خلال سرعة الجزء الأقصى من النصل الذي يحتاج إلى أن يكون أصغر من سرعة الصوت. في تجربتنا، ويقتصر تردد التقطيع في كثير من الأحيان إلى ~ 7000 هرتز في الهواء. (3) في كثير من الحالات، يحدد وقت استجابة السلطة الفلسطينية الحد الأعلى لسرعة القياس. وكما هو مبين في الشكل4، فإن أوقات الارتفاع السريع للسلطة الفلسطينية مطلوبة لترجمة تعديل الإشارة من المروحية. لتضخيم كبير، وتستخدم مكبرات الصوت الحالية منخفضة الضوضاء، والتي لديها ارتفاع مرات تصل إلى 100 مللي ثانية مع مثل هذه الأوقات الارتفاع، يمكن أن يقتصر تردد التقطيع على عدد قليل من هرتز، والتي تتطلب أوقات يسكن عدة ثوان. ولذلك، فإن أفضل استراتيجية هي في كثير من الأحيان لاختيار تضخيم أقل من قبل السلطة الفلسطينية مع وقت استجابة أسرع يطابق تردد التقطيع. على الرغم من أن هذا يترجم إلى مستويات أصغر من الإشارة إلى الضوضاء بعد ما قبل التضخيم، قفل في التضخيم يمكن في كثير من الأحيان لا يزال استرداد إشارة التضمين عالية الجودة.

وعلى سبيل المثال، توفر السلطة الفلسطينية المستخدمة عرض نطاق ترددي يزيد على 10 كيلوهرتز للتضخيم في نطاق درجة مئوية/V، حتى بالنسبة لإعداد الضوضاء المنخفضة37. وهذا يسمح بالتقطيع في نطاق kHz وسرعات القياس حتى نطاق 100 هرتز مع مرشح تمرير منخفض مع تردد قطع بين المسح الضوئي وتردد التقطيع. هذه هي ظروف القياس التي نستخدمها في كثير من الأحيان.

لتجنب قياس القطع الأثرية، من المهم للغاية تحليل الإشارة على طول سلسلة التضخيم: في حين أن الحد من قبل مرشح تمرير منخفض من LIA يمكن الكشف عنها بسهولة كخطوط القطع الأثرية في الخرائط (تشويه من إشارة XBIC عبر عدة بكسل)، استجابة النظام من DUT والسلطة الفلسطينية يتطلب التفتيش على الإشارة من قبل نطاق، والتي يمكن دمجها في LIA.

(ج) تلف الشعاع

الأشعة السينية شعاع الضرر الناجم عن قضية شائعة، وقد نوقشت لكثير من النظم، من العينات البيولوجية إلى الخلايا الشمسية السيليكون وأجهزة الكشف46،47. على الرغم من أن أشباه الموصلات غير العضوية هي عموما أكثر قوة ضد الأشعة السينية بالمقارنة مع أشباه الموصلات العضوية أو النظم البيولوجية، شعاع الأشعة السينية الناجمة عن الضرر هو شائع أيضا في الخلايا الشمسية رقيقة البذور. على وجه التحديد، لاحظنا الأشعة السينية شعاع الناجمة عن تلف الخلايا الشمسية مع CdTe، CIGS29،perovskite18،وطبقات امتصاص العضوية. لاحظ أن الاستجابة الإلكترونية لـ DUT مثل الخلايا الشمسية حساسة لتركيزات العيوب التي تقل عن مستوى المليون، حيث تؤثر إعادة تركيب الحامل المسؤول على الأداء دون ضرر كيميائي واضح.

ولذلك، فإنه مطلوب عموما لاختبار حساسية DUT لتلف شعاع. ومن الناحية العملية، نقوم بتقييم التحلل المستحث لشعاع الأشعة السينية لأي DUT قبل إجراء قياسات XBIC الفعلية، ونقوم بتحديد الظروف التي تسمح بأن تكون القياسات هي الأقل تأثراً بآثار التحلل.

وتوجد استراتيجيات مختلفة للتعامل مع الضرر الناجم عن الأشعة السينية، ولكن ما تشترك فيه جميعا هو أنها تهدف إلى الحد من الجرعة الإشعاعية في نقطة قياس قبل تقييم الأداء هناك. وبعبارة أخرى، فإن الهدف هو الخروج على التدهور باتباع نموذج "قياس أسرع من تدهور DUT". وتشمل الاستراتيجيات ما يلي: (1) استخدام أوقات قصيرة. (2) زيادة حجم الخطوة، والحد من دقة القياس. (3) تقليل كثافة شعاع الأشعة السينية عن طريق مرشحات التوهين. وتبعاً لخط الشعاع وDUT، يمكن اختيار نُهج مختلفة أو مزيج منها. فعلى سبيل المثال، يستبعد عدم وجود مصاريع سريعة أو أوضاع مسح جوي (1)، ويمكن أن تؤدي التشكيلات الجانبية لشعاع الأشعة السينية الواسعة الانتشار مثل تلك التي تولدها لوحات المنطقة إلى تدهور كبير بعيداً عن موقع الحزمة المركزية.

ولحسن الحظ، فإن معظم آليات التحلل لا تؤدي إلا إلى إعادة تركيب الناقل المسؤول المعزز محلياً. وهذا يحد من الأثر الجانبي للتدهور إلى طول انتشار حاملات الشحنة، ولا تزال قياسات XBIC البعيدة عن المناطق المتدهورة غير متأثرة تقريباً. وإذا أدت آليات التحلل، بدلاً من ذلك، إلى البحث المحلي عن هذا الـ DUT، فإن قياسات XBIC الأخرى ستعوق بشكل خطير. للحفاظ على جرعة الإشعاع المودعة إلى الحد الأدنى، يجب إجراء القياسات الحرجة أولاً على بقعة جديدة وبعد ذلك، يمكن استخدام أساليب الفوتون المتعطشة، مثل XRF، التي هي أكثر غير مبال لتلف شعاع، في نفس الموقع.

(د) القياسات المتعددة الوسائط

توافق XBIC مع وسائط قياس إضافية تمكن الارتباط المباشر نقطة بنقطة من الأداء الكهربائي مع المعلمات المقدرة في وقت واحد23. هنا، نناقش قريبا مزيج من قياسات XBIC مع XBIV، XRF، ساكس، شمع، وقياسات XEOL. الجمع مع وسائط قياس أخرى مثل العائد الإلكترون أو الهولوغرافيا يمكن أن يتصور بسهولة، ولكن هذه الأوضاع ليست متوافقة عموما مع الإعدادات أو وسائط قياسات المسح الضوئي.

حتى لو كان الترتيب الهندسي للكشف عن وعينات للقياس المتزامن من XBIC، XBIV، XRF، SAXS، WAXS، وXEOL ممكن، وهناك جوانب أساسية وعملية تحظر التقييم المتزامن لجميع الأوضاع.

(1) تحظر حالة الخلية الشمسية القياس المتزامن لقياسات XBIC (الدائرة القصيرة) وXBIV (الدائرة المفتوحة). كما XEOL48،49 يقيس إعادة تركيب الإشعاعي ة من أزواج ثقب الإلكترون ، وتيار قياس الخلية الشمسية (XBIC) سيكون عملية تنافسية. ولذلك، عادة ما يتم إجراء قياسات XEOL تحت حالة الدائرة المفتوحة، وهو ما يتوافق مع قياسات XBIV المتزامنة.

(2) إذا كان تلف الحزمة مشكلة في قياسات XBIC أو XBIV، فقد لا يتم دمجها مع تقنيات الفوتون المتعطشة مثل XRF أو XEOL. وكقاعدة عامة، تكون تأثيرات تلف الحزمة مرئية أولاً في الأداء الكهربائي (XBIC & XBIV) والأداء البصري (XEOL)، حيث تكون حساسة لإعادة تركيب ناقل الشحن عبر العيوب الإلكترونية. ثانيا، يحدث الضرر الهيكلي (مرئية في ساكس وشمع)، تليها تعديل التركيبية مرئية في XRF.

(3) على الرغم من أن تقطيع شعاع الأشعة السينية متوافق بشكل عام مع جميع أوضاع القياس، فإنه يمكن أن يؤدي إلى قطع أثرية: أولاً، يختلف تدفق الفوتون المتكامل لكل بكسل من خلال التدفق المتكامل الذي يمر بعجلة المروحية في فترة واحدة. يصبح هذا تأثير كبيرة مع نسبة صغيرة بين التقطيع وتردد المسح الضوئي. ثانياً، التفاعل بين عجلة المروحية وشعاع الأشعة السينية يمكن أن يؤدي إلى الفوتونات المتناثرة، والمتناثرة، والفلورسنت. ثالثاً، يتم تقليل تدفق الفوتون المتكامل بنسبة 50%، وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة لأوضاع القياس المتعطشة للفوتون.

ونتيجة لهذه الاعتبارات، يعتمد مخطط القياس المثالي على DUT المحدد وتحديد أولويات طرق القياس. ومع ذلك، غالباً ما يكون من الحكمة أن تبدأ مع قياس الأمثل لXBIC. إذا كان تأمين في تضخيم XBIV مطلوب، وهذا هو عادة المسح الضوئي الثاني. خلاف ذلك، يمكن إزالة المروحية، وجميع القياسات الأخرى، بما في ذلك XBIV القياسية، يمكن أن يتم تنفيذها مع وقت أطول يسكن كما هو مطلوب لتقنية الفوتون الأكثر الجياع. من الناحية المثالية، يتم قياس بيانات XRF أثناء جميع عمليات المسح الضوئي، مما يسمح بتسجيل الصور في مرحلة ما بعد المعالجة لحساب عينة الانجراف.

(ه) تحقيقات مختلفة للقياسات الناجمة عن الشعاع

وهناك تحقيقات بديلة لأشعة الأشعة السينية لتقييم الأداء الكهربائي الذي تم حله مكانياً لـ DUT مع مزايا وعيوب محددة. ولذلك، فإن المقارنة النوعية بين XBIC والتيار المستحث بشعاع الإلكترون (EBIC) وتيار الليزر المستحث (LBIC) كما تقاس في المجاهر الإلكترونية أو مع الأجهزة البصرية في الجدول2.

يأتي توليد زوج ثقب الإلكترون بواسطة الليزر أقرب إلى التشغيل في الهواء الطلق للخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن الاستبانة المكانية لـ LBIC محدودة بشكل أساسي من خلال الطول الموجي للليزر. توفر قياسات EBIC دقة مكانية أكبر تكون محدودة عادةً بنصف قطر تفاعل شعاع الإلكترون مع DUT. العيب الرئيسي لقياسات EBIC هو حساسيتها السطحية، مما يعوق تقييم أداء طبقة امتصاص من خلال كومة طبقة أو حتى في الأجهزة المغلفة. وعلاوة على ذلك، فإن الأسطح غير المستوية لـ DUT بالاقتران مع تأثيرات الانبعاثات الثانوية - الإلكترونية غير الخطية غالباً ما تؤدي إلى نتائج مشوهة للـ EBIC. وعلى النقيض من ذلك، فإن قياسات XBIC لا تكاد تعاني من الاختلافات الطوبوغرافية، حيث يتم توليد معظم الإشارات في عمق المواد السائبة ويتم تخفيف آثار الشحن السطحي عن طريق التأريض السليم.

جميع التقنيات الثلاثة التي يسببها شعاع مشتركة أن حقن تهمة غير متجانسة للغاية، وبلغت ذروتها في موقف شعاع. ونتيجة لذلك، فإن التركيز الزائد للناقل والكثافة الحالية موزعان توزيعاً غير متجانس. في صورة مبسطة، تعمل غالبية الخلايا الشمسية في الظلام، وتعمل بقعة صغيرة على مستوى حقن عال يمكن أن تصل إلى مئات من مكافئات الشمس للأشعة المركزة. توزيع مستوى الحقن يعتمد ليس فقط على حجم شعاع وشكل, ولكن أيضا على الطاقة شعاع, كومة الجهاز, وهيكل الوقت للحقن. وحتى الآن، تم التعامل مع شعاع الأشعة السينية على أنه شعاع مستمر، وهو ما يبرر عمليات جمع المسؤول الناقل التي هي أبطأ من ميكروثانية. ومع ذلك، تتكون الأشعة السينية من مصدر السينكروترون من نبضات دون 100-ps مع كثافات وتردد نبض اعتمادا على نمط ملء حلقة التخزين. على الرغم من أننا لم نلاحظ أي تأثير لنمط التعبئة على قياسات XBIC بطيئة نسبيا، فإن مستوى الحقن على المدى القصير يعتمد على ذلك. وعلى النقيض من ذلك، يمكن للمرء أن يستفيد من الهيكل الزمني للأشعة السينية: مماثلة كما ثبت لXEOL21حل الوقت ، يمكن للمرء أن يتصور الوقت حل XBIC أو قياسات XBIV، أو تأمين إشارة XBIC / XBIV في تردد مجموعة الإلكترون.

تتطلب المناقشة الكافية لعواقب مستويات الحقن غير المتجانسة محاكاة ثلاثية الدقة كاملة لجميع معلمات الحزمة والأجهزة ذات الصلة بما في ذلك الإلتواء لمستوى الحقن المعتمد على الوقت مع التنقل ثلاثي الجوانب والعمر في DUT، والتي هو خارج نطاق هذه المخطوطة. ومع ذلك، فمن الناحية المفاهيمية هو نفسه لجميع القياسات الحالية والجهد الناجمة عن شعاع، ونحن نشير إلى الأدب مناقشة الاعتماد على مستوى الحقن من EBIC50 و LBIC51 القياسات.

ويمكن التخفيف من العواقب السلبية لحقن الشحنالمحلي تجريبيا ً عن طريق تطبيق ضوء التحيز بكثافة ما يعادل هادىالشمس، والإثارة الناجمة عن الشعاع تضيف كمية لا تذكر من حاملات الاتهامات الزائدة. ومن الناحية العملية، فإن هذا المفهوم محدود من الناحية التكنولوجية بالاحتياطي الدينامي الذي تتراوح بين 100 و 120 ديسيبل في مكبرات الصوت القفلية، وهو ما يتوافق مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء من 105 إلى 106. وفي حين أن هذا يكفي لأجهزة ذات حجم مماثل لحجم الحزمة، فإنه لا يسمح بتطبيق ضوء التحيز على المستويات ذات الصلة للأجهزة العيانية. الحل الواضح هو تقليل حجم العينة. ولسوء الحظ، غالبا ً ما تكون آثار الحدود الكهربائية محدودة بنحو عدة مئات من الميكرومترات خارج حدود العينة أو نقاط الاتصال.

لاحظ أيضًا أنه يمكن للمرء الاستفادة من الاعتماد على مستوى الحقن لقياسات XBIC: على غرار EBIC وLBIC، وأداء سلسلة على مستوى الحقن عن طريق تغيير كثافة شعاع الأشعة السينية يمكن أن تكشف عن معلومات حول آليات إعادة التركيب المهيمنة والشحن الناقل نشر52،53.

في الختام، عمق اختراق الأشعة السينية جنبا إلى جنب مع دقة مكانية عالية يجعل XBIC الأسلوب الأكثر ملاءمة لدراسة DUT مع هياكل مدفونة مثل الخلايا الشمسية TF في نهج الفحص المجهري المترابطة. وعادة ما يكون نصف قطر التفاعل بين قياسات XBIC أصغر من القياسات EBIC، وكثيراً ما يكون الاستبانة المكانية محدوداً بطول انتشار حاملات الشحن. العيب الرئيسي لقياسات XBIC هو التوافر المحدود للمسبارات النانوية بالأشعة السينية.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

ونحن نعترف إلى حد كبير بج. غاريفويه، وM. Seyrich، وA. Schropp، وD. Brückner، وJ. Hagemann، وK. Spiers، وT. Boese من Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) وA. Kolditz، J. Siebels، J. Flügge، C. Strelow، T. PKip، و A. Mews من جامعة هامبورغ لـ دعم القياسات في خط الحزمة P06 في البتراء الثالثة، DESY؛ M. Holt, Z. Cai, M. Cherukara, and V. Rose from the Argonne National Laboratory (ANL) for supporting measurements at beamline 26-ID-C at the Advanced Photon Source (APS) at ANL; دال - سالومون ور. توكولو من المرفق الأوروبي للإشعاع السينكروتروني (ESRF) لدعم القياسات في خط الحزمة ID16B في ESRF؛ R. Farshchi, D. Poplavkyy, and J. Bailey from MiaSolé Hi-Tech Corp., and E. Avancini, Y. Romanyuk, S. Bücheler, and A. Tiwari from the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) for providing solar cells. ونعترف بـ DESY (هامبورغ، ألمانيا)، وهي عضو في رابطة هيلمولز HGF، لتوفير المرافق التجريبية. ونحن نعترف بمرفق الإشعاع الأوروبي سينكروترون (غرونوبل، فرنسا) لتوفير مرافق الإشعاع السينكروترون. استخدم هذا البحث موارد من مصدر الفوتون المتقدم، وهو مكتب مستخدم علمي تابع لوزارة الطاقة الأميركية يعمل لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة من قبل مختبر أرغون الوطني بموجب العقد رقم. DE-AC02-06CH11357.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BNC cabling and connectors From generall cable suppliers
Chopper blade Thorlabs MC1F10HP Apart from technical compatibility of the chopper wheel with the chopper system, it should be checked that the chopper blade sufficiently blocks the X-ray beam.
Conductive silver paint Conrad 530042 Alternative products can be obtained from Pelco and others
Copper wires From cable suppliers for contacting of the solar cell
Current Preamplifier Standford SR570 Alternatives include the Keithley 487 or 6487 Picoammeter. 
Device under test (DUT) Suitable device for XBIC measurements.
Holder with printed circuit board Custom design
Kinematic sample mount Thorlabs KB25/M Optional, allows easy positioning and changing of sample. Alternatives include the M-BK-1A from Newport
Lock-in Amplifier Zurich Instruments UHFLI or MFLI Whereas the MFLI has current preamplifiers included, the UHFLI requires an external current preamplifier but offers more options. Therefore, the UHFLI was used for the presented experiment.
Measurement control/data acquisition unit Available at different synchrotrons.
Optical Chopper Thorlabs MC2000B(-EC) Alternatives include the choppers SR540 from Stanford Research Systems, or model 3502 from Newport.
Polyimide tape Rolls with different widths and thicknesses are available
X-ray source Available at different synchrotrons

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hales, D. DREN21. Renewables 2018-global status report, Paris, REN21 Secretariate; 2018. , (2018).
  2. Jäger-Waldau, A. Snapshot of photovoltaics - February 2018. EPJ Photovoltaics. 9, 6 (2018).
  3. Haegel, N. M., et al. Terawatt-scale photovoltaics: Trajectories and challenges. Science. 356, 141-143 (2017).
  4. Polman, A., Knight, M., Garnett, E. C., Ehrler, B., Sinke, W. C. Photovoltaic materials: Present efficiencies and future challenges. Science. 352, (2016).
  5. Cao, Q., et al. Defects in Cu(In,Ga)Se 2 chalcopyrite semiconductors: A comparative study of material properties, defect states, and photovoltaic performance. Advanced Energy Materials. 1, 845-853 (2011).
  6. Abou-Ras, D., et al. Compositional and electrical properties of line and planar defects in Cu(In,Ga)Se2 thin films for solar cells - a review. Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. 10, 363-375 (2016).
  7. West, B. M., et al. Grain Engineering: How Nanoscale Inhomogeneities Can Control Charge Collection in Solar Cells. Nano Energy. 32, 488-493 (2017).
  8. Jackson, P., et al. Properties of Cu(In,Ga)Se2solar cells with new record efficiencies up to 21.7%. Physica Status Solidi - Rapid Research Letters. 9, 28-31 (2015).
  9. Rau, U. Electrical characteristics of CIGS thin film solar cells and the role of defects for device performance. Solar Energy Materials and Solar Cells. 67, 137-143 (2001).
  10. Jordan, D. C., Kurtz, S. R. Photovoltaic Degradation Rates - an Analytical Review. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 21, 12-29 (2013).
  11. Bailey, J., Zapalac, G., Poplavskyy, D. Metastable defect measurement from capacitance-voltage and admittance measurements in Cu(In,Ga)Se2 solar cells. 2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference, PVSC 2017. , 1-6 (2018).
  12. Abou-ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. , Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA. (2011).
  13. Schroer, C. G., et al. X-ray nanoprobe at beamline P06 at PETRA III. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 616, 93-97 (2010).
  14. Winarski, R. P., et al. A hard X-ray nanoprobe beamline for nanoscale microscopy. Journal of Synchrotron Radiation. 19, 1056-1060 (2012).
  15. Martinez-Criado, G., et al. ID16B: A hard X-ray nanoprobe beamline at the ESRF for nano-analysis. Journal of Synchrotron Radiation. 23, 344-352 (2016).
  16. Nazaretski, E., et al. Design and performance of an X-ray scanning microscope at the Hard X-ray Nanoprobe beamline of NSLS-II. Journal of Synchrotron Radiation. 24, 1113-1119 (2017).
  17. West, B. M., et al. X-ray fluorescence at nanoscale resolution for multicomponent layered structures: A solar cell case study. Journal of Synchrotron Radiation. 24, 288-295 (2017).
  18. Stuckelberger, M., et al. Charge Collection in Hybrid Perovskite Solar Cells: Relation to the Nanoscale Elemental Distribution. IEEE Journal of Photovoltaics. 7, 590-597 (2017).
  19. Chayanun, L., et al. Nanoscale mapping of carrier collection in single nanowire solar cells using X-ray beam induced current. Journal of Synchrotron Radiation. 26, 102-108 (2019).
  20. Martínez-Criado, G., et al. Probing quantum confinement within single core-multishell nanowires. Nano Letters. 12, 5829-5834 (2012).
  21. Martínez-Criado, G., et al. Exploring single semiconductor nanowires with a multimodal hard X-ray nanoprobe. Advanced Materials. 26, 7873-7879 (2014).
  22. Ulvestad, A., et al. Multimodal x-ray imaging of grain-level properties and performance in a polycrystalline solar cell. Accepted for publication in the Journal of Synchrotron Radiation. , (2019).
  23. Stuckelberger, M., et al. Engineering solar cells based on correlative X-ray microscopy. Journal of Materials Research. 32, 1825-1854 (2017).
  24. Chayanun, L., et al. Spectrally resolved x-ray beam induced current in a single InGaP nanowire. Nanotechnology. 29, (2018).
  25. Johannes, A., et al. In operando x-ray imaging of nanoscale devices: Composition, valence, and internal electrical fields. Science Advances. 3, 1-7 (2017).
  26. Hieslmair, H., Istratov, A. A., Sachdeva, R., Weber, E. R. New Synchrotron-Radiation Based Technique to Study Localized Defects in Silicon: 'EBIC' with X-Ray Excitation. 10th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Processes. , 162-165 (2000).
  27. Vyvenko, O., et al. X-ray beam induced current - A synchrotron radiation based technique for the in situ analysis of recombination properties and chemical nature of metal clusters in silicon. Journal of Applied Physics. 91, 3614-3617 (2002).
  28. Stuckelberger, M. E., et al. X-Ray Beam Induced Voltage: A Novel Technique for Electrical Nanocharacterization of Solar Cells. 2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference, PVSC 2017. , (2017).
  29. Stuckelberger, M. E., et al. How does CIGS performance depend on temperature at the microscale? IEEE Journal of Photovoltaics. 8, 278-287 (2018).
  30. Stuckelberger, M. E., et al. Challenges and Opportunities with Highly Brilliant X-ray Sources for multi-Modal in-Situ and Operando Characterization of Solar Cells. Microscopy and Microanalysis. 24, 434-435 (2018).
  31. Zurich Instruments. Principles of Lock-in Detection. , 1-10 (2016).
  32. Kitchin, C., Counts, L. RMS To DC Conversion Application Guide. , Analog Devices, Inc. (1986).
  33. Hubbell, J. H., Seltzer, S. M. X-Ray Mass Attenuation Coefficients - NIST Standard Reference Database 126. , (2004).
  34. Klein, C. A. Bandgap Dependence and Related Features of Radiation Ionization Energies in Semiconductors. Journal of Applied Physics. 39, 2029-2038 (1967).
  35. ICE. International Electrotechnical Commission) 60904-3 Ed.2: Photovoltaic devices - Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data. , (2006).
  36. Keithley. Keithley 487/86 Pico-ammeter instruction manual. , (2000).
  37. ThinkSRS. MODEL SR570 Low-Noise Current Preamplifier. , (2015).
  38. Scofield, J. H. Frequency-domain description of a lock-in amplifier. American Journal of Physics. 62, 129-133 (1994).
  39. Poon, T. C. Heterodyning. Encyclopedia of Modern Optics II. 1, Elsevier Ltd. 373 (2005).
  40. Zurich Instruments. UHF User Manual. , (2018).
  41. Witte, W., et al. Gallium gradients in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 23, 717-733 (2015).
  42. Fish, P. J. Electronic Noise and Low Noise Design. , The Macmillan Press LTD. (1993).
  43. Keithley A Tektronix Company. Precision DC Current, Voltage and Resistance Measurements. Low Level Measurements Handbook - 7 th Edition. , (2013).
  44. Letzter, S., Webster, N. Noise in amplifiers. IEEE Spectrum. 7, 67-75 (1970).
  45. Meade, M. L. Lock-in amplifiers: principles and applications. , (2013).
  46. Cazaux, J. A physical approach to the radiation damage mechanisms induced by X-rays in X-ray microscopy and related techniques. Journal of Microscopy. 188, 106-124 (1997).
  47. Polvino, S. M., et al. Synchrotron microbeam x-ray radiation damage in semiconductor layers. Applied Physics Letters. 92, 6-9 (2008).
  48. Martínez-Criado, G., et al. Spatially resolved X-ray excited optical luminescence. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 284, 36-39 (2012).
  49. Taylor, R. P., Finch, A. A., Mosselmans, J. F. W., Quinn, P. D. The development of a XEOL and TR XEOL detection system for the I18 microfocus beamline Diamond light source. Journal of Luminescence. 134, 49-58 (2013).
  50. Cavalcoli, D., Cavallini, A. Evaluation of diffusion length at different excess carrier concentrations. Materials Science and Engineering. B24, 98-100 (1994).
  51. Micard, G., Hahn, G., Terheiden, B. Injection in light beam induced current systems An analytical model. Physica Status Solidi a. 213, 1329-1339 (2016).
  52. Marcelot, O., Magnan, P. From EBIC images to qualitative minority carrier diffusion length maps. Ultramicroscopy. , 23-27 (2019).
  53. Wallentin, J., et al. Hard X-ray detection using a single 100 nm diameter nanowire. Nano Letters. 14, 7071-7076 (2014).

Tags

الهندسة، العدد 150، الفحص المجهري بالأشعة السينية، شعاع الأشعة السينية المستحث ة الحالية، الأشعة السينية شعاع الجهد المستحث، XBIC، XBIV، قفل في تضخيم، والإشعاع synchrotron، والخلايا الشمسية، والخلايا الكهروضوئية، CIGS، متعددة الوسائط

Erratum

Formal Correction: Erratum: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells
Posted by JoVE Editors on 07/29/2020. Citeable Link.

An erratum was issued for: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells. An equation was updated.

Equation 9 was updated from:

Equation

to:

Equation

الأشعة السينية شعاع القياسات الحالية المستحثة لمتعدد مشروط الأشعة السينية المجهرية للخلايا الشمسية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ossig, C., Nietzold, T., West, B.,… More

Ossig, C., Nietzold, T., West, B., Bertoni, M., Falkenberg, G., Schroer, C. G., Stuckelberger, M. E. X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells. J. Vis. Exp. (150), e60001, doi:10.3791/60001 (2019).

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