एक्स-रे बीम के लिए एक सेटअप synchron बीमलाइन्स पर वर्तमान माप प्रेरित वर्णित है. यह सौर कोशिकाओं के नैनोस्केल प्रदर्शन का खुलासा करता है और बहु-मोडल एक्स-रे माइक्रोस्कोपी के लिए तकनीकों के सूट का विस्तार करता है। तारों से संकेत करने के लिए शोर अनुकूलन करने के लिए, यह एक हार्ड एक्स-रे microprobe पर राज्य के अत्याधुनिक XBIC माप प्रदर्शन करने के लिए कैसे दिखाया गया है।
एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप ऐसे सौर कोशिकाओं के रूप में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के नैनोस्केल प्रदर्शन की मानचित्रण की अनुमति देते हैं। आदर्श रूप में, XBIC एक बहु मॉडल एक्स-रे माइक्रोस्कोपी दृष्टिकोण के भीतर अन्य तकनीकों के साथ एक साथ कार्यरत है। एक उदाहरण यहाँ XBIC एक्स-रे फ्लोरोसेंट के साथ संयोजन के लिए रासायनिक संरचना के साथ बिजली के प्रदर्शन के बिंदु दर बिंदु सहसंबंध सक्षम करने के लिए दिया गया है. XBIC माप में उच्चतम संकेत करने के लिए शोर अनुपात के लिए, लॉक-इन प्रवर्धन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस दृष्टिकोण से, एक्स-रे बीम नमूने के ऊपर एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर द्वारा संग्राहक है। मॉडुलित एक्स-रे बीम प्रेरित विद्युत संकेत प्रवर्धित है और एक लॉक-इन एम्पलीफायर का उपयोग कर हेलिकॉप्टर आवृत्ति के लिए demodulated है। कम पास फिल्टर सेटिंग्स, मॉडुलन आवृत्ति, और प्रवर्धन प्रवर्धन का अनुकूलन करके, शोर कुशलतापूर्वक एक स्पष्ट XBIC संकेत की निकासी के लिए दबा दिया जा सकता है. इसी तरह के सेटअप एक्स-रे बीम प्रेरित वोल्टेज (XBIV) को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। मानक XBIC/XBIV माप के अलावा, XBIC को पूर्वाग्रह प्रकाश या पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ मापा जा सकता है ताकि सौर कोशिकाओं के बाहरी कार्य स्थितियों को इन-सीटू और ऑपेरान्डो माप के दौरान पुनरुत्पादित किया जा सके। अंततः, नैनोस्केल पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बहु-मोडल और बहु-आयामी मूल्यांकन संरचना, संरचना, और प्रदर्शन के बीच जटिल निर्भरता में नई अंतर्दृष्टि सक्षम बनाता है, जो सामग्री को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है’ मिसाल.
एक ऐसी दुनिया में जहां विद्युत ऊर्जा की मांग लगातार बढ़ रही है, एक स्वच्छ और टिकाऊ ऊर्जा स्रोत तेजी से आवश्यक है. इन मांगों से निपटने की एक संभावना फोटोवोल्टिक (पीवी ) प्रणाली1,2,3है . अगली पीढ़ी की सौर कोशिकाओं के विकास के लिए यह समझना आवश्यक है कि सौर कोशिकाओं की संरचना और संरचना उनके प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करतीहै। सौर सेल के विकास में विशिष्ट प्रश्नों में शामिल हैं: किस प्रकार के दोष सबसे हानिकारक हैं, और वे5,6कहां स्थित हैं? क्या मौलिक वितरण में असमांगता है , और उनका प्रभाव7,8,9क्या है ? कैसे सौर कोशिकाओं मॉड्यूल विधानसभा और उम्र बढ़ने पर परिवर्तन10,11?
के रूप में एक सौर सेल केवल अपने सबसे कमजोर भाग के रूप में के रूप में अच्छा है, यह विशेष रूप से बहुक्रिस्टलीय सौर कोशिकाओं में प्रदर्शन पर compositional और संरचनात्मक भिन्नता के प्रभाव को समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि inhomogeneities7से स्वाभाविक पीड़ित, 8.यह पतली फिल्म (टीएफ) सौर कोशिकाओं के लिए विशेष रूप से सच है, जिसमें माइक्रोमीटर रेंज में क्रिस्टलीय आकार के साथ अवशोषक परतें होती हैं। यहाँ, प्रदर्शन पर अनाज सीमाओं का प्रभाव उच्चतम ब्याज की है, लेकिन उनके छोटे आकार और तथ्य यह है कि वे एक पूरी परत ढेर में दफन कर रहे हैं अद्वितीय विशेषता चुनौतियों मुद्रा. इसके अलावा, सह-मौजूदा चरणों और आंतरिक ग्रेडिएंट्स के साथ बहु-घटक अवशोषक परतों के जटिल रसायन को परिष्कृत लक्षणीकरण विधियों12की आवश्यकता होती है।
Synchrotron आधारित हार्ड एक्स-रे माइक्रोस्कोप TF सौर कोशिकाओं की विशेषता चुनौतियों को पूरा करने में सक्षम हैं: वे एक्स-रे स्थान आकार प्रदान करने के लिए नीचे नैनोमीटर पैमाने13,14,15,16 और हार्ड एक्स-रे की प्रवेश गहराई दफन अवशोषक परतों सहित विभिन्न डिवाइस परतों17की जांच करने के लिए अनुमति देता है। एक स्कैनिंग एक्स-रे माइक्रोस्कोप पर विभिन्न माप तकनीकों के धन के साथ, यह एक साथ न सिर्फ एक अध्ययन करने के लिए संभव हो जाता है, लेकिन बहु मॉडल माप के भीतर सौर कोशिकाओं के कई अलग अलग पहलुओं और मनाया विशेषताओं सहसंबंधित करने के लिए. उदाहरण के लिए, एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप सफलतापूर्वक एक्स-रे फ्लोरोसेंट (XRF)7,18,19, एक्स-रे उत्साहित ऑप्टिकल luminscence (XEOL)20के साथ संयुक्त किया गयाहै, 21, और एक्स-रे विवर्तन (XRD)22 क्रमशः23संरचना, ऑप्टिकल प्रदर्शन, और संरचना के साथ विद्युत प्रदर्शन सहसंबंधित करने के लिए।
परीक्षण के तहत सौर कोशिकाओं या अन्य उपकरणों के XBIC माप के दौरान (DUT)24,25, घटना एक्स-रे फोटॉनों इलेक्ट्रॉनों और फोटॉनों से मिलकर कण बौछार बंद सेट, प्रति उत्साहित इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े की एक भीड़ में जिसके परिणामस्वरूप अर्धचालक अवशोषक सामग्री में घटना एक्स-रे फोटॉन। अंत में, इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े सौर सेल अवशोषक के बैंड किनारों के लिए थर्मल. इसलिए, इन एक्स-रे उत्तेजित प्रभारी वाहक चार्ज वाहक है कि बस सामान्य सौर सेल आपरेशन के दौरान bandgap के ऊपर ऊर्जा के साथ फोटॉनों के अवशोषण से उत्पन्न कर रहे हैं की तरह इलाज किया जा सकता है, और जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान या वोल्टेज एक्स-रे के रूप में मापा जा सकता है किरण प्रेरित धारा23,26,27 या वोल्टेज (XBIV)28,29 इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित धारा (EBIC) या लेजर बीम प्रेरित वर्तमान (LBIC) की तरह अधिक आम माप के समान. नतीजतन, XBIC/XBIV संकेत न केवल अवशोषक परत की मोटाई पर निर्भर करता है, बल्कि डीयूटी के इलेक्ट्रिक प्रदर्शन पर भी, दोनों सूक्ष्म और स्थूल स्तर पर, स्थानीय बैंडगैप, Fermi-स्तर विभाजन, और पुनर्संयोजन सहित। इस प्रकार, हम आवेश-वाहक संग्रह दक्षता की स्थानीय विविधताओं को मैप करने में सक्षम हैं, जिसे इस संभावना के रूप में परिभाषित किया गया है कि अवशोषक परत में बाह्य उत्तेजित इलेक्ट्रॉन-होल युग्म डयूटी के विद्युत संपर्कों में एकत्र किया जाता है।
ध्यान दें कि केवल इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े जो DUT के अवशोषक परत में उत्पन्न होते हैं XBIC/XBIV संकेत करने के लिए योगदान करते हैं। चार्ज वाहक धातु संपर्क या सब्सट्रेट के रूप में अन्य परतों में उत्पन्न तुरंत reombine जाएगा, के रूप में वे जंक्शन द्वारा अलग होने की कोई संभावना नहीं है. इसलिए, अन्य परतें केवल द्वितीयक प्रभावों जैसे परजीवी एक्स-रे अवशोषण या द्वितीयक फोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन के माध्यम से XBIC/XBIV माप को प्रभावित करती हैं जिन्हें अवशोषक परत में पुनः अवशोषित किया जा सकता है। इसके विपरीत, सभी परतों संभावित XRF संकेत करने के लिए योगदान.
यह देखते हुए कि XBIC और XBIV संकेत छोटे हो सकते हैं (अक्सर, उप-picoampere और नैनोवोल्ट रेंज में बदलाव ब्याज के हैं), संकेत आसानी से शोर में दफन कर रहे हैं. इसलिए, हम लॉक-इन प्रवर्धन का उपयोग करने के लिए XBIC और XBIV संकेतों को निकालने का सुझाव दिया30. इस प्रयोजन के लिए आने वाली एक्स-रे बीम को ऑप्टिकल हैलीकॉप्टर द्वारा संग्राहकित किया जाता है जैसा कि चित्र 1में दर्शाया गया है। इस मॉडुलन DUT द्वारा उत्पादित संकेत करने के लिए किया जाता है. इससे पहले कि संकेत लॉक-इन एम्पलीफायर (LIA) में खिलाया जाता है, एक पूर्व एम्पलीफायर (पीए) आम तौर पर एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर की सीमा के साथ कच्चे संकेत तीव्रता से मेल करने के लिए प्रयोग किया जाता है डिजिटल LIA के इनपुट पर. LIA संदर्भ संकेत के साथ संग्राहक माप संकेत घोला जा सकता है. एक कम पास फिल्टर को रोजगार से, केवल आवृत्तियों संदर्भ संकेत के करीब के माध्यम से पारित कर रहे हैं और31प्रवर्धित. यह एक शोर पृष्ठभूमि से XBIC या XBIV संकेत के एक प्रभावी निष्कर्षण के लिए अनुमति देता है.
प्रोटोकॉल में, हम कच्चे संकेत (प्रत्यक्ष वर्तमान, डीसी) और संग्राहक संकेत (वैकल्पिक वर्तमान, एसी) सहित सफल XBIC माप लेने के लिए आवश्यक आवश्यकताएँ और गतियाँ परिचय. तकनीकी विवरण का वर्णन करने के अलावा, हम PETRA III13में बीमलाइन P06 पर बहु-मोडल माप के संदर्भ में एक XBIC सेटअप पर चर्चा करते हैं। कृपया ध्यान दें कि, सबसे प्रयोगशाला प्रयोगों की तुलना में, हार्ड एक्स-रे नैनोप्रोब ्स ्ड में हच के वातावरण के लिए विशेष योजना और विचार की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, नैनोमीटर पैमाने पर संकल्प के साथ बहु-मोडल माप विशिष्ट बाधाओं की एक किस्म के साथ प्रयोगात्मक चुनौती। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनिक शोर अक्सर piezo से महान आयाम के साथ मौजूद है चालित मोटर्स और अन्य उपकरणों, इस तरह डिटेक्टरों की बिजली की आपूर्ति के रूप में. इसके अलावा, उपकरणों और डिटेक्टरों की एक भीड़ एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप और न ही कंपन inducing बिना अनुकूलित ज्यामिति पर व्यवस्था की जरूरत है. चित्रा 1 XRF और छोटे / चौड़े कोण एक्स-रे प्रकीर्णन (SAXS/WAXS) माप के साथ संयोजन में XBIC माप के लिए एक विशिष्ट सेटअप दर्शाया गया है.
इस अध्याय में हम पहले शोर (ं) तथा स्कैनिंग गति (इ) के संबंध में सामान्य XBIC मापन सेटिंग्स की प्रासंगिकता पर चर्चा करते हैं। इसके बाद, हम XBIC माप बहु-मोडल माप के संदर्भ में डाल दिया और एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति (ग) और कई मापदंडों (घ) के एक साथ माप से संबंधित विशिष्ट चुनौतियों के पहलुओं पर चर्चा। अंत में, हम जांच (ई) के रूप में इलेक्ट्रॉन- और लेजर बीम का उपयोग कर संबंधित माप के साथ XBIC माप की तुलना करें।
(क) शोर और त्रुटि
हालांकि लॉक-इन प्रवर्धन प्रत्यक्ष प्रवर्धन की तुलना में एक उच्च संकेत-से-शोर अनुपात में सक्षम बनाता है, यह सभी स्तरों पर शोर की शुरूआत से बचने के लिए महत्वपूर्ण है के रूप में बार बार इस पांडुलिपि भर में जोर दिया गया है. आगे की चर्चा के लिए हम छोटे विद्युत संकेतोंकेमापन पर चर्चा करने वाले साहित्य का उल्लेख करते हैं 42,43,44,45. राज्य के-the-कला लॉक-इन एम्पलीफायरों आज डिजिटल संकेत प्रसंस्करण पर आधारित हैं, एनालॉग लॉक-इन एम्पलीफायरों का उपयोग कर शोर को कम करने के लिए सबसे रणनीतियों अभी भी लागू होते हैं।
संक्षेप में, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि केबल एंटीना के रूप में कार्य करने के लिए प्रवण हैं और इस प्रकार प्रणाली में शोर परिचय. यह एक्स-रे नैनोप्रोब्स के वातावरण में विशेष रूप से सच है, जहां मजबूत विद्युत-चुंबकीय क्षेत्र अक्सर अपरिहार्य होते हैं, उनके स्रोत भी अज्ञात रह सकते हैं। एक परिणाम के रूप में, केबल के रूप में संभव के रूप में कम रखा जाना चाहिए और उन्मुख इस तरह है कि प्रेरित शोर स्तर कम से कम है. सिग्नल केबल की अतिरिक्त परिरक्षण आगे शोर स्तर को कम कर सकते हैं.
शोर को कम करने के लिए डीयूटी का उचित संपर्क समान रूप से महत्वपूर्ण है। छोटे संपर्क बिंदुओं के साथ एक स्वच्छ और मजबूत विधि तार संबंध है. TF सौर कोशिकाओं के लिए, यह हमेशा आसंजन मुद्दों के कारण काम नहीं करता है. वैकल्पिक रूप से, ग्रेफाइट, तांबा, या एल्यूमीनियम पर आधारित प्रवाहकीय टेप बड़े नमूनों के लिए उपयुक्त है। कई मामलों में, सबसे अच्छा परिणाम डिवाइस के लिए पतली तांबे, सोना, या प्लैटिनम तारों से संपर्क करने के लिए चांदी के रंग के मैनुअल आवेदन के साथ प्राप्त कर रहे हैं। जबकि टेप और ग्रेफाइट पेस्ट सबसे अच्छा संपर्क नहीं दे सकता है, चांदी रंग आसानी से शॉर्ट सर्किट डिवाइस कर सकते हैं और अत्यंत देखभाल के साथ जमा किया जाना है. Polyimide टेप सामने और पीछे संपर्क के शॉर्ट सर्किटको रोकने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.
ध्यान दें कि परिवहन संकेत करने के लिए संपर्क करने से केबलिंग लेआउट बीमलाइन-विशिष्ट सीमा शर्तों के लिए अनुकूलित करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, यदि V2F कनवर्टर हच के बाहर स्थित हैं, तो पूर्व-एम्प्लिफाइड सिग्नल के साथ चित्र 1 में चित्रित लेआउट जोखिम भरा है। इस मामले में, पूर्व एम्पलीफायर और V2F कनवर्टर के बीच लंबी केबल शोर है कि LIA करने के लिए स्थानांतरित किया जाता है पकड़ कर सकते हैं. इसलिए, हम XBIC या XBIV माप के लिए सामान्य संकेत पथ के तीन मामलों में अंतर:
केस ए: XBIC एक पूर्व एम्पलीफायर के साथ मापा जाता है, और डीसी / इस मामले में, एक वर्तमान ऑफसेट पीए में लागू किया जा सकता है जैसे कि संकेत हमेशा सकारात्मक है, दो अलग V2F कनवर्टर के माध्यम से सकारात्मक और नकारात्मक संकेत रिकॉर्डिंग की जरूरत से बचने. एक दोष के रूप में, यह LIA में उपलब्ध वोल्टेज स्वीकृति रेंज को कम करने और कम संवेदनशीलता के लिए नेतृत्व करेंगे.
केस बी: पूर्व amplified संकेत है, जो केवल LIA के लिए इनपुट है के बंटवारे से बचने, एक अतिरिक्त demodulator अधिकतम मूल्य पर एक कम पास फिल्टर के साथ LIA में इस्तेमाल किया जा सकता है (यानी मॉडुलन आवृत्ति में ताला नहीं) इस तरह है कि पूर्व-एम्म्मिलित संकेत प्रभावी रूप से DAQ इकाई को आउटपुट कर सकते हैं जैसा कि चित्र 6क,म्में प्रदर्शित किया गया है। इस मामले में, एक वोल्टेज ऑफसेट उत्पादन पर दोनों एसी और डीसी संकेत करने के लिए लागू किया जा सकता है, दो अलग V2F कनवर्टर के माध्यम से सकारात्मक और नकारात्मक संकेत रिकॉर्डिंग की जरूरत से बचने. यह V2F, जो शायद ही कभी सीमित है की उपलब्ध आवृत्ति रेंज की कमी के अलावा कोई प्रमुख कमियां है.
केस सी: XBIV मापा जाता है और DC/AC संकेत DUT और लॉक-इन एम्पलीफायर के बीच विभाजित है। इस मामले में, डीसी संकेत पर कोई वोल्टेज ऑफसेट DUT पर एक अवांछित पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू करने के बिना लागू किया जा सकता है, इस तरह है कि हमेशा दो अलग V2F कनवर्टर सकारात्मक और नकारात्मक संकेत भागों के लिए आवश्यक हैं.
सभी मामलों में, जहां एक संकेत के नकारात्मक और सकारात्मक भागों दो अलग V2F कन्वर्टर्स के माध्यम से दर्ज कर रहे हैं, कुल XBIC या XBIV संकेत सकारात्मक और नकारात्मक चैनल के बीच अंतर के रूप में प्राप्त की है. दो या अधिक demodulators के साथ एक LIA उपलब्ध है, तो हम आम तौर पर मामला बी पसंद करते हैं, क्योंकि यह कच्चे संकेत के तारों को कम करता है और XBIC और XBIV माप के बीच आसान स्विचन की अनुमति देता है.
XBIC माप की त्रुटि अत्यधिक उपकरण और सेटिंग्स इस तरह है कि कोई त्रुटि परिमाणीकरण यहाँ दिया जा सकता है इस्तेमाल पर निर्भर करता है. निरपेक्ष त्रुटि एक से अधिक है क्योंकि प्रयोगात्मक और व्यवस्थित त्रुटियों की उम्मीद कर सकते हैं. यह विशेष रूप से सच है अगर XBIC संकेत प्रोटोकॉल में वर्णित के रूप में एक स्थिरांक के साथ स्केलिंग द्वारा चार्ज संग्रह दक्षता के लिए परिवर्तित कर दिया जाता है. उदाहरण के लिए, बैंडगैप और आयनन ऊर्जा के बीच अनुभवात्मक संबंध , जो र् द्वारा वर्णित है (त्. 4) महत्वपूर्ण प्रकीर्णन से ग्रस्त है; फोटॉन फ्लक्स माप अक्सर 10% से नीचे पूर्ण त्रुटियों के साथ उपलब्ध नहीं हैं; और DUT के नैनोस्कोपिक संरचना खराब जाना जाता है. हालांकि, हम इस बात पर जोर देते हैं कि लॉक-इन प्रवर्धित XBIC और XBIV माप की ताकत मानचित्र ों या तुलनीय माप के भीतर महान सापेक्ष सटीकता में निहित है.
(ख) स्कैनिंग गति
इस तरह के XRF या एक्स-रे प्रकीर्णन के रूप में फोटॉन का पता लगाने पर आधारित हैं कि कई माप मोड में, संकेत तीव्रता अधिग्रहण समय के साथ रैखिक रूप से पहले सन्निकटन में बढ़ जाती है, तदनुसार वृद्धि हुई संकेत से शोर अनुपात के साथ। यह XBIC माप, जहां संभव स्कैनिंग गति की खिड़की गिनती आँकड़ों से लेकिन इस तरह के वाहक गतिशीलता और डिवाइस संरचना के रूप में और अधिक जटिल विचारों से निर्धारित नहीं है के लिए सच नहीं है.
फिर भी, प्रति पिक्सेल संग्राहक संकेत के कई अवधियों के साथ धीमी माप आम तौर पर लॉक-इन प्रवर्धित XBIC माप में सबसे अच्छा संकेत-से-शोर अनुपात के लिए नेतृत्व, और पोस्ट प्रसंस्करण के दौरान smoothening के साथ oversampling (उदाहरण के लिए binning या लागू करने के द्वारा फिल्टर) आगे शोर के स्तर को कम कर सकते हैं अगर माप समय की अनुमति देता है. हालांकि, थ्रूपुट विचारों के अलावा, आगे की बाधाएं माप की गति को कम सीमाएं निर्धारित कर सकती हैं, जिनमें शामिल हैं: (1) एक्स-रे बीम प्रेरित अवक्रमण (निम्न अनुभाग देखें), या इन-सीटू के दौरान पर्यावरण प्रेरित नमूना परिवर्तन माप अक्सर स्वीकार्य रहने के समय को कम करते हैं। (2) नमूना बहाव और मंच आंदोलनों की reproducibility सीमित किया जा सकता है, विशेष रूप से नैनोस्केल पर माप के लिए. (3) विद्युत चुम्बकीय शोर स्तर के बदलाव तेजी से माप से आगे निकल सकता है. (4) जबकि फोटॉन गिनती माप आसानी से घटना फोटॉन फ्लक्स के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है, XBIC संकेत (और भी अधिक तो XBIV संकेत) केवल कुछ हद तक घटना फोटॉन फ्लक्स28के लिए रैखिक है. इसलिए, फोटॉन फ्लक्स के लिए सामान्यीकरण केवल फोटॉन-प्रवाह भिन्नता से प्रभाव के हिस्से की क्षतिपूर्ति करता है, और एक XBIC माप लेने से बचना चाहिए (जैसे नक्शे या समय श्रृंखला के रूप में) जबकि प्रवाह विविध है. यह विशेष रूप से एक समस्या है जब भंडारण की अंगूठी एक XBIC नक्शे के दौरान भर जाता है.
XBIC माप की गति अन्य माप मोड द्वारा नियंत्रित नहीं है, तो (अनुभाग (d) देखें), XBIC माप आम तौर पर संतोषजनक संकेत करने के लिए शोर अनुपात प्रदान करता है कि अधिकतम गति के साथ लिया जाता है. माप की गति के लिए ऊपरी सीमा निम्न बाधाओं द्वारा दी गई हैं: (1) माप की गति के लिए एक मौलिक ऊपरी सीमा DUT की प्रतिक्रिया समय है। अंततः, प्रतिक्रिया समय शुल्क-संग्रह समय द्वारा सीमित है। नैनो या microsecond रेंज में प्रभारी वाहक जीवनकाल के साथ सबसे पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के लिए, यह महत्वपूर्ण है, लेकिन यह कई मिलीसेकंड के जीवनकाल के साथ उच्च गुणवत्ता क्रिस्टलीय-सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए. हालांकि, समाई प्रभाव प्रतिक्रिया समय भी TF सौर कोशिकाओं की वृद्धि कर सकते हैं इस तरह है कि यह माप की गति को सीमित कर सकते हैं. (2) एक्स-रे बीम को मॉडलेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले हेलिकॉप्टर ब्लेड को घुमाने की गति सीमा होती है। एक्स-रे बीम में उनके स्थान के आधार पर, बीम का आकार 1 मिमी चौड़ा हो सकता है, जो ब्लेड की न्यूनतम अवधि को परिभाषित करता है। यदि हेलिकॉप्टर निर्वात में संचालित किया जाता है, रोटेशन आवृत्ति शायद ही कभी सीमित है, कुछ मामलों में भी इलेक्ट्रॉन गुच्छा आवृत्ति मिलान. तथापि, निर्वात में ऐसी गति पर हेलिकॉप्टरों का प्रचालन चुनौतीपूर्ण है, ताकि अधिकांश हेलिकॉप्टर ों को हवा में संचालित किया जा सके। इस मामले में, घूर्णन गति यांत्रिक कंपन द्वारा सीमित है और अंत में ब्लेड के सबसे बाहरी भाग है कि ध्वनि की गति से छोटे होने की जरूरत की गति से. हमारे अनुभव में, काट आवृत्ति अक्सर हवा में 7000 हर्ट्ज तक सीमित है. (3) कई मामलों में, PA की प्रतिक्रिया समय माप गति की ऊपरी सीमा निर्धारित करता है. जैसा कि चित्र 4में दिखाया गया है, पीए के तेजी से वृद्धि के समय को हेलिकॉप्टर से संकेत मॉडुलन का अनुवाद करना आवश्यक है। बड़े प्रवर्धन के लिए, कम शोर वर्तमान एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है, जो इस तरह के वृद्धि समय के साथ 100 एमएस तक वृद्धि बार है, काट आवृत्ति कुछ हर्ट्ज तक सीमित किया जा सकता है, जो कई सेकंड के रहने के समय की आवश्यकता होगी. इसलिए, सबसे अच्छी रणनीति अक्सर काट आवृत्ति से मेल खाता है कि एक तेजी से प्रतिक्रिया समय के साथ पीए द्वारा एक कम प्रवर्धन का चयन करने के लिए है. हालांकि यह पूर्व amplification के बाद छोटे संकेत करने के लिए शोर के स्तर में तब्दील हो, ताला में प्रवर्धन अक्सर अभी भी एक उच्च गुणवत्ता संग्राहक संकेत पुनः प्राप्त कर सकते हैं.
एक उदाहरण के रूप में, प्रयुक्त पीए $A/V श्रेणी में प्रवर्धन के लिए 10 kHz से अधिक की एक बैंडविड्थ प्रदान करता है, यहां तक कि कम शोर सेटिंग37के लिए. यह kHz रेंज पर काट और माप स्कैनिंग और काट आवृत्ति के बीच एक कट-ऑफ आवृत्ति के साथ एक कम पास फिल्टर के साथ 100-Hz रेंज करने के लिए गति की अनुमति देता है। ये माप की स्थिति हम अक्सर उपयोग कर रहे हैं.
माप कलाकृतियों से बचने के लिए, यह महत्वपूर्ण है प्रवर्धन श्रृंखला के साथ संकेत का विश्लेषण करने के लिए: LIA के कम पास फिल्टर द्वारा सीमा आसानी से नक्शे में लाइन-कलाकृतियों के रूप में पता लगाया जा सकता है (कई भर में XBIC संकेत से बाहर smearing पिक्सल), DUT और पीए की प्रणाली प्रतिक्रिया एक गुंजाइश है, जो LIA में एकीकृत किया जा सकता द्वारा संकेत के निरीक्षण की आवश्यकता है.
(ग) बीम क्षति
एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति एक आम मुद्दा है और कई प्रणालियों के लिए चर्चा की गई है, जैविक नमूनों से सिलिकॉन सौर कोशिकाओं और डिटेक्टरों के लिए46,47. हालांकि अकार्बनिक अर्धचालक आम तौर पर कार्बनिक अर्धचालकों या जैविक प्रणालियों की तुलना में एक्स-रे विकिरण के खिलाफ अधिक मजबूत होते हैं, एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में भी आम है। विशेष रूप से, हम X-किरण बीम CDTe, CIGS29, perovskite18,और कार्बनिक अवशोषक परतों के साथ सौर कोशिकाओं की क्षति प्रेरित देखा है. ध्यान दें कि सौर कोशिकाओं की तरह DUT की इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया पीपीएम स्तर से नीचे दोष सांद्रता के प्रति संवेदनशील है, जहां प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन स्पष्ट रासायनिक क्षति के बिना प्रदर्शन को प्रभावित करता है.
इसलिए, यह आम तौर पर बीम क्षति के लिए एक DUT की संवेदनशीलता का परीक्षण करने के लिए आवश्यक है। व्यवहार में, हम वास्तविक XBIC माप से पहले किसी भी DUT के एक्स-रे बीम प्रेरित गिरावट का मूल्यांकन, और स्थितियों है कि माप गिरावट प्रभाव से कम से कम प्रभावित होने की अनुमति स्थापित.
विभिन्न रणनीतियों एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति के साथ सामना करने के लिए मौजूद हैं, लेकिन क्या वे सब आम में है कि वे वहाँ प्रदर्शन के मूल्यांकन से पहले एक माप स्थान पर विकिरण खुराक को कम करने के उद्देश्य. दूसरे शब्दों में, उद्देश्य प्रतिमान के बाद गिरावट को मात देना है “DUT degrades की तुलना में तेजी से उपाय”. रणनीतियों में शामिल हैं: (1) कम रहने के समय का उपयोग करें. (2) कदम आकार बढ़ाएँ, माप संकल्प को कम करने. (3) क्षीणन फिल्टर द्वारा एक्स-रे बीम तीव्रता को कम करें। बीमलाइन और ड्यूट के आधार पर, विभिन्न दृष्टिकोणों को चुना जा सकता है या उनके संयोजन को चुना जा सकता है। उदाहरण के लिए, तेजी से शटर या मक्खी स्कैन मोड की कमी बाहर (1), और इस तरह के क्षेत्र प्लेटों द्वारा उत्पन्न उन लोगों के रूप में व्यापक एक्स-रे बीम प्रोफाइल केंद्रीय बीम स्थिति से दूर महत्वपूर्ण गिरावट के लिए नेतृत्व कर सकते हैं।
सौभाग्य से, सबसे गिरावट तंत्र केवल स्थानीय रूप से बढ़ाया प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन के लिए नेतृत्व. यह आवेश वाहकों के प्रसार लंबाई के लिए गिरावट के पार्श्व प्रभाव को सीमित करता है, और निम्नीकृत क्षेत्रों से आगे XBIC माप लगभग अप्रभावित रहते हैं। यदि, इसके बजाय, गिरावट तंत्र DUT के स्थानीय शंटिंग के लिए नेतृत्व, आगे XBIC माप गंभीर रूप से बाधित हो जाएगा. एक न्यूनतम करने के लिए जमा विकिरण खुराक रखने के लिए, महत्वपूर्ण माप पहले एक ताजा जगह पर प्रदर्शन किया जाना चाहिए और फिर बाद में, फोटॉन भूख तरीकों, XRF की तरह, कि बीम क्षति के प्रति अधिक उदासीन हैं, एक ही स्थान में उपयोग किया जा सकता है.
(घ) बहु-मोडल मापन
आगे माप मोड के साथ XBIC की संगतता एक साथ मूल्यांकन मानकों23के साथ बिजली के प्रदर्शन के प्रत्यक्ष बिंदु-दर-बिंदु सहसंबंध सक्षम बनाता है। यहाँ, हम शीघ्र ही XBIV, XRF, SAXS, WAXS, और XEOL माप के साथ XBIC माप के संयोजन पर चर्चा. इस तरह के इलेक्ट्रॉन उपज या holography के रूप में आगे माप मोड के साथ संयोजन आसानी से कल्पना की जा सकती है, लेकिन इन तरीकों आम तौर पर setups या स्कैनिंग माप के मोड के साथ संगत नहीं हैं.
यहां तक कि अगर XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS, और XEOL के एक साथ माप के लिए डिटेक्टरों और नमूनों की ज्यामितीय व्यवस्था संभव है, वहाँ मौलिक और व्यावहारिक सभी मोड के एक साथ मूल्यांकन पर रोक लगाने के पहलुओं रहे हैं.
(1) सौर सेल की स्थिति XBIC (शॉर्ट सर्किट) और XBIV (खुले सर्किट) माप के एक साथ माप निषिद्ध है. जैसा कि XEOL48,49 इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों के विकिरणीय पुनर्संयोजन को मापता है, सौर सेल (XBIC) की मापित धारा एक प्रतिस्पर्धात्मक प्रक्रिया होगी। इसलिए, XEOL माप आमतौर पर ओपन-सर्किट स्थिति के अंतर्गत आयोजित किए जाते हैं, जो एक साथ XBIV माप के साथ संगत है।
(2) यदि बीम क्षति XBIC या XBIV माप के लिए एक मुद्दा है, वे ऐसे XRF या XEOL के रूप में फोटॉन भूख तकनीकों के साथ संयुक्त नहीं किया जा सकता है. अंगूठे के एक नियम के रूप में, बीम क्षति प्रभाव पहले बिजली में दिखाई दे रहे हैं (XBIC और XBIV) और ऑप्टिकल (XEOL) प्रदर्शन, इलेक्ट्रॉनिक दोषों के माध्यम से प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन के प्रति संवेदनशील किया जा रहा है. दूसरा, संरचनात्मक क्षति होती है (SAXS और WAXS में दिखाई), XRF में दिखाई compositional संशोधन के बाद.
(3) हालांकि एक्स-रे बीम काट आम तौर पर सभी माप मोड के साथ संगत है, यह कलाकृतियों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं: पहले, पिक्सेल प्रति एकीकृत फोटॉन प्रवाह एक अवधि में हेलिकॉप्टर पहिया गुजर एकीकृत प्रवाह से भिन्न होता है। यह प्रभाव काट और स्कैनिंग आवृत्ति के बीच एक छोटे अनुपात के साथ बड़ा हो जाता है. दूसरा, हेलिकॉप्टर पहिया और एक्स-रे बीम के बीच बातचीत बिखरे हुए, diffracted, और फ्लोरोसेंट फोटॉनों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. तीसरा, एकीकृत फोटॉन फ्लक्स 50% से कम है, जो फोटॉन भूख माप मोड के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है.
इन विचारों का एक परिणाम के रूप में, आदर्श माप योजना दी DUT और माप मोड की प्राथमिकता पर निर्भर करता है. हालांकि, यह अक्सर XBIC के लिए अनुकूलित एक माप के साथ शुरू करने के लिए बुद्धिमान है. लॉक-इन प्रवर्धित XBIV की आवश्यकता है, तो यह आमतौर पर दूसरा स्कैन है। अन्यथा, हेलिकॉप्टर हटाया जा सकता है, और मानक XBIV सहित अन्य सभी माप, अब रहने के समय के साथ किया जा सकता है के रूप में सबसे फोटॉन भूख तकनीक के लिए आवश्यक. आदर्श रूप में, XRF डेटा सभी स्कैन के दौरान मापा जाता है, जो नमूना बहाव के लिए खाते में पोस्ट प्रसंस्करण में छवि पंजीकरण के लिए अनुमति देता है.
(ड) बीम-प्रेरित मापनों के लिए विभिन्न जांच
विशिष्ट लाभ और नुकसान के साथ एक DUT के स्थानिक रूप से हल बिजली के प्रदर्शन के आकलन के लिए एक्स-रे बीम के लिए वैकल्पिक जांच कर रहे हैं। अतः इलेक्ट्रॉन-बीम प्रेरित धारा (ईबीआईसी) तथा लेजर-बीम प्रेरित धारा (एलबीआईसी) के साथ एक्सबीआईसी की गुणात्मक तुलना, जैसा कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में या ऑप्टिकल सेटअप के साथ मापा गया है, सारणी 2में दी गई है।
एक लेजर द्वारा इलेक्ट्रॉन छेद जोड़ी पीढ़ी सौर कोशिकाओं के आउटडोर आपरेशन के करीब आता है. तथापि, LBIC के स्थानिक संकल्प मूल रूप से लेजर की तरंगदैर्ध्य द्वारा सीमित है. EBIC माप एक अधिक से अधिक स्थानिक संकल्प है कि आम तौर पर DUT के साथ इलेक्ट्रॉन बीम की बातचीत त्रिज्या द्वारा सीमित है प्रदान करते हैं. EBIC माप का मुख्य दोष उनकी सतह संवेदनशीलता है, परत ढेर के माध्यम से अवशोषक परत प्रदर्शन के आकलन में बाधा या यहां तक कि encapsulated उपकरणों में. इसके अलावा, गैर रेखीय द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रभाव के साथ संयोजन में DUT के असमान सतहों अक्सर विकृत EBIC परिणाम के लिए नेतृत्व. इसके विपरीत, XBIC माप शायद ही topological विविधताओं से पीड़ित हैं, के रूप में सबसे संकेत थोक सामग्री में गहरी उत्पन्न होता है और सतह प्रभारी प्रभाव उचित ग्राउंडिंग द्वारा कम कर रहे हैं.
सभी तीन बीम प्रेरित तकनीक आम है कि प्रभारी इंजेक्शन अत्यधिक अजातीय है, बीम की स्थिति पर चोटी. एक परिणाम के रूप में, अतिरिक्त वाहक एकाग्रता और वर्तमान घनत्व असमांग रूप से वितरित कर रहे हैं. एक सरलीकृत तस्वीर में, सौर सेल के बहुमत अंधेरे में चल रही है, और एक छोटी सी जगह एक उच्च इंजेक्शन स्तर है कि ध्यान केंद्रित बीम के लिए सूर्य समकक्ष के सैकड़ों तक पहुँच सकते हैं पर चल रही है. इंजेक्शन स्तर वितरण न केवल बीम आकार और आकार पर निर्भर करता है, लेकिन यह भी बीम ऊर्जा, डिवाइस ढेर, और इंजेक्शन के समय संरचना पर। अब तक, एक्स-रे बीम को एक सतत बीम के रूप में माना गया है, जो कि माइक्रोसेकंड की तुलना में धीमी गति से चार्ज-वाहक संग्रह प्रक्रियाओं के लिए उचित है। हालांकि, सिंक्रोट्रॉन-स्रोत एक्स-रे में भंडारण-अंगूठी भरण पैटर्न के आधार पर तीव्रता और पल्स आवृत्ति के साथ उप-100-पीएस दालों से मिलकर बनता है। हालांकि हम तुलनात्मक रूप से धीमी XBIC माप पर भरने के पैटर्न के किसी भी प्रभाव पर ध्यान नहीं दिया है, अल्पकालिक इंजेक्शन स्तर पर निर्भर करता है. इसके विपरीत, एक एक्स-रे के समय संरचना का उपयोग कर सकते हैं: इसी तरह के समय के लिए प्रदर्शन किया गया है हल XEOL21, एक समय हल XBIC या XBIV माप की कल्पना कर सकते हैं, या XBIC /
असमांग इंजेक्शन के स्तर के परिणामों की एक पर्याप्त चर्चा DUT में 3 डी गतिशीलता और जीवन भर के साथ समय पर निर्भर इंजेक्शन स्तर के convolution सहित सभी प्रासंगिक बीम और डिवाइस मापदंडों के पूर्ण 3 डी सिमुलेशन की आवश्यकता है, जो इस पांडुलिपि के दायरे से परे है. हालांकि, यह अवधारणात्मक सभी बीम प्रेरित वर्तमान और वोल्टेज माप के लिए एक ही है और हम EBIC50 और LBIC51 माप के इंजेक्शन स्तर निर्भरता पर चर्चा साहित्य का उल्लेख.
स्थानीय आवेश इंजेक्शन के नकारात्मक परिणामों को प्रायोगिक रूप से 1 सूर्य तुल्य की तीव्रता के साथ पूर्वाग्रह प्रकाश के अनुप्रयोग द्वारा कम किया जा सकता है, और बीम-प्रेरित उत्तेजना केवल अतिरिक्त आवेश वाहकों की नगण्य मात्रा को जोड़ती है। व्यवहार में, इस अवधारणा को तकनीकी रूप से राज्य के अत्याधुनिक लॉक-इन एम्पलीफायरों में 100-120 डीबी के गतिशील आरक्षित द्वारा सीमित है, जो 105 से 106के संकेत-से-शोर अनुपात से मेल खाती है। हालांकि यह बीम आकार के तुलनीय आकार के उपकरणों के लिए suffices, यह स्थूल उपकरणों के लिए प्रासंगिक स्तर पर पूर्वाग्रह प्रकाश के आवेदन की अनुमति नहीं है. स्पष्ट समाधान नमूना आकार को कम करने के लिए है। दुर्भाग्य से, यह अक्सर नमूना सीमा या संपर्क बिंदुओं से कई सौ micrometers अप करने के लिए विद्युत सीमा प्रभाव द्वारा सीमित है.
यह भी ध्यान दें कि एक XBIC माप के इंजेक्शन स्तर निर्भरता का उपयोग कर सकते हैं: EBIC और LBIC के समान, एक्स-रे बीम तीव्रता अलग से इंजेक्शन स्तर श्रृंखला प्रदर्शन प्रमुख पुनर्संयोजन तंत्र और प्रभारी के बारे में जानकारी का अनावरण कर सकते हैं वाहक विसरण52,53.
अंत में, उच्च स्थानिक संकल्प के साथ संयुक्त एक्स-रे के प्रवेश गहराई XBIC एक सहसंबंधी माइक्रोस्कोपी दृष्टिकोण में TF सौर कोशिकाओं के रूप में दफन संरचनाओं के साथ DUT अध्ययन करने के लिए सबसे उपयुक्त तकनीक बनाता है। XBIC माप की बातचीत त्रिज्या आम तौर पर EBIC के लिए की तुलना में छोटा है, और स्थानिक संकल्प अक्सर प्रभारी वाहक के प्रसार लंबाई द्वारा सीमित है. XBIC माप का मुख्य दोष एक्स-रे नैनोप्रोब ्स ्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स
The authors have nothing to disclose.
हम बहुत जे Garreveet, एम Seyrich, ए Schropp, डी Br$ckner, जे Hagemann, के Spiers, और टी Boese Deutes Elektronen-Synchrotron (DESY) और ए कोल्डिट्ज, जे Siebels, जे Flgge, के लिए T. पेट्रा III, DESY में बीमलाइन P06 पर माप का समर्थन; एम होल्ट, जेड कै, एम चेरुकारा, और एएनएल में उन्नत फोटॉन स्रोत (एपीएस) में बीमलाइन 26-आईडी-सी पर माप का समर्थन करने के लिए आर्गन नेशनल लेबोरेटरी (एएनएल) से वी गुलाब; डी सॉलोमन और आर Tucoulou यूरोपीय Synchrotron विकिरण सुविधा से (ESRF) ESRF पर बीमलाइन ID16B पर माप का समर्थन करने के लिए; आर Farshchi, डी Poplavkyy, और मियासोल हाई-टेक कॉर्प से जे बेली, और ई. Avancini, वाई Romanyuk, एस Bcheler, और ए. तिवारी से स्विस संघीय प्रयोगशालाओं से सामग्री विज्ञान और प्रौद्योगिकी (EMPA) सौर कोशिकाओं को उपलब्ध कराने के लिए. हम स्वीकार करते हैं DESY (हैम्बर्ग, जर्मनी), helmholtz एसोसिएशन HGF के एक सदस्य, प्रयोगात्मक सुविधाओं के प्रावधान के लिए. हम सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधाओं के प्रावधान के लिए यूरोपीय Synchrotron विकिरण सुविधा (ग्रेनोबल, फ्रांस) स्वीकार करते हैं। इस शोध में उन्नत फोटॉन स्रोत के संसाधनों का उपयोग किया गया, जो अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) विज्ञान प्रयोक्ता सुविधा का कार्यालय है जो अनुबंध संख्या के तहत आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा विज्ञान के डीओई कार्यालय के लिए संचालित है। डे-AC02-06CH11357.
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 |