Röntgenstråle inducerade aktuella mätningar för multimodala Röntgenmikroskopi av solceller

Summary

En inställning för röntgenstråle inducerade aktuella mätningar vid synkrotron beamlines beskrivs. Det avslöjar nanoskala prestanda solceller och utökar sviten av tekniker för multimodala röntgen mikroskopi. Från ledningar till signal-till-brus optimering, är det visat hur man utför State-of-the-art XBIC mätningar vid en hård röntgen mikrosond.

Abstract

X-ray beam inducerad ström (XBIC) mätningar möjliggör kartläggning av nanoskala prestanda elektroniska enheter såsom solceller. Idealet är att XBIC används samtidigt med andra tekniker inom en multimodal röntgenmikroskopi. Ett exempel ges häri kombinerar XBIC med röntgen fluorescens för att möjliggöra punkt-för-punkt korrelationer av elektriska prestanda med kemisk sammansättning. För det högsta signal-brus-förhållandet i XBIC-mätningar spelar lock-in amplifiering en avgörande roll. Genom detta tillvägagångssätt moduleras röntgenstrålen av en optisk hackare uppströms provet. Den modulerade röntgenstrålen inducerade elektriska signalen förstärks och demoduleras till Chopper frekvens med hjälp av en lock-in förstärkare. Genom att optimera lågpassfilter inställningar, modulering frekvens, och amplifiering amplituder, kan brus dämpas effektivt för utvinning av en tydlig XBIC signal. En liknande inställning kan användas för att mäta X-ray beam inducerad spänning (XBIV). Utöver standard XBIC/XBIV mätningar, XBIC kan mätas med bias ljus eller bias spänning tillämpas så att utomhus arbetsförhållanden av solceller kan återges under in situ och operando mätningar. I slutändan möjliggör den multimodala och mångdimensionella utvärderingen av elektroniska enheter i nanoskalan nya insikter i de komplexa beroendena mellan sammansättning, struktur och prestanda, vilket är ett viktigt steg mot att lösa materialens Paradigm.

Introduction

I en värld där efterfrågan på elenergi ständigt stiger är en ren och hållbar energikälla alltmer nödvändig. En möjlighet att tackla dessa krav är solcellssystem (PV)^1,2,3. För ett riktat och effektivt sätt att utveckla nästa generations solceller, är det nödvändigt att förstå hur sammansättningen och strukturen av solceller påverkar deras prestanda⁴. Typiska frågor i sol cells utveckling inkluderar: vilka typer av defekter är mest skadliga, och var är de belägna^5,6? Finns det ohomogena element i elementardistributionen, och vad är deras inverkan^7,8,9? Hur förändras solcellerna vid modulmontering och åldrande^10,11?

Som en solcell är bara så bra som sin svagaste del, är det särskilt viktigt att förstå effekten av sammansättning och strukturell variation på prestanda i polykristallina solceller som lider till sin natur från inhomogenitetsmätningar^{7, 8}. Detta gäller särskilt för Thin Film (tf) solceller, som innehåller absorbatorskikt med individgrafitcrystalliten storlekar i mikrometerområdet. Här är effekten av korngränser på prestanda av högsta intresse, men deras ringa storlek och det faktum att de är begravda i en hel lager stack utgör unika karakteriseringsutmaningar. Dessutom kräver den komplexa kemin för flerkomponentabsorbatorn skikt med samexisterande faser och interna lutningar sofistikerade karakteriseringsmetoder¹².

Synchrotron-baserade Hard X-ray Mikroskop kan möta karakteriseringen utmaningar TF solceller: de ger X-ray spot storlekar ner till nanometer skala^13,14,15,16 och penetration djup av hårda röntgen gör det möjligt att söka olika enheter lager¹⁷, inklusive begravda absorbatorn lager. Med en mängd olika mättekniker vid en scanning röntgen Mikroskop, blir det möjligt att samtidigt studera inte bara en, men många olika aspekter av solceller inom multimodala mätningar och att korrelera de observerade egenskaperna. Till exempel har röntgenstråle inducerade ström (xbic) mätningar framgångsrikt kombinerats med röntgen fluorescens (XRF)^7,18,19, röntgen upphetsad optisk Luminescens (xeol)^{20, 21}, och röntgendiffraktion (XRD)²² att korrelera den elektriska prestanda med sammansättning, optiska prestanda, och struktur, respektive²³.

Under xbic mätningar av solceller eller andra enheter under test (DUT)^24,25, den incident röntgen fotonerna iväg partikel duschar som består av elektroner och fotoner, vilket resulterar i en mängd Exciterade elektron-hålpar per incident röntgen foton i det halvledande absorbatorn material. Slutligen, elektron-hålpar thermalize till bandet kanterna av sol cells absorbator. Därför kan dessa X-ray upphetsad laddning bärare behandlas som Laddningsbärare som genereras av absorptionen av fotoner med energier precis ovanför bandgap under normal solcellsdrift, och den resulterande ström eller spänning kan mätas som röntgen Strålinducerade ström^23,26,27 eller spänning (xbiv)^28,29 liknar mer vanliga mätningar som elektronstråle inducerad ström (EBIC) eller laser-beam inducerad ström (LBIC). Följaktligen, XBIC/XBIV signalen inte bara beror på tjockleken på absorbatorn skiktet, men också på den elektriska prestandan hos DUT, både på mikroskopisk och makroskopisk nivå, inklusive den lokala bandgap, Fermi-nivå uppdelning, och rekombination. Således kan vi kartlägga lokala variationer av laddning-Carrier inkassoeffektivitet som definieras som sannolikheten att ett externt upphetsad elektron håls par i absorbatorn skiktet samlas vid elektriska kontakter av DUT.

Observera att endast elektron håls par som genereras i DUT-skiktet i absorbatorn bidrar till XBIC/XBIV-signalen. Laddningsbärare som genereras i andra skikt, såsom metalliska kontakter eller substrat, kommer omedelbart att återförenas, eftersom de inte har någon möjlighet att separeras av korsningen. Därför, andra skikt påverkar endast XBIC/XBIV mätningar via sekundära effekter såsom parasitisk röntgenabsorption eller utsläpp av sekundära fotoner och elektroner som kan återabsorberas i absorbatorn skiktet. Däremot kan alla skikt bidra till XRF-signalen.

Med tanke på att XBIC-och XBIV-signalerna kan vara små (ofta variationer i sub-picoampere och nanovolt sortiment är av intresse), är signalerna lätt begravda i buller. Därför föreslog vi att använda Lås-i amplifiering för att extrahera XBIC och XBIV signaler³⁰. För detta ändamål är den inkommande röntgenstrålen modulerad av en optisk helikopter som anges i figur 1. Denna modulering bär över till signalera som produceras av DUTEN. Innan signalen matas in i lock-in-förstärkaren (LIA) används vanligtvis en förförstärkare (PA) för att matcha den råa signalintensiteten med räckvidden för analog-till-digital-omvandlaren vid ingången till digital LIA. LIA blandar den modulerade mätsignalen med referens signalen. Genom att använda en lågpassfilter, endast frekvenser nära referens signalen leds genom och förstärks³¹. Detta möjliggör en effektiv extraktion av XBIC-eller XBIV-signalen från en bullrig bakgrund.

I protokollet introducerar vi förutsättningarna och rörelserna som krävs för att ta lyckade XBIC-mätningar inklusive RAW-signalen (likström, DC) och den modulerade signalen (växelström, AC). Utöver att beskriva tekniska detaljer diskuterar vi en xbic-inställning i samband med multimodala mätningar på fd P06 på Petra III¹³. Observera att, jämfört med de flesta laboratorieexperiment, miljön i Hutches på Hard X-ray nanosonder kräver särskild planering och övervägande. Specifikt multimodala mätningar med nanometer-skala upplösning utmana experimentalister med en mängd specifika begränsningar. Till exempel är elektroniskt brus ofta närvarande med stora amplituder från Piezo-drivna motorer och annan utrustning, såsom nätaggregat av detektorer. Dessutom måste en mängd olika anordningar och detektorer ordnas på optimerad geometri utan att störa varandra eller inducera vibrationer. Figuren 1 visar en typisk inställning för xbic mätningar i kombination med XRF och små/vidvinkel X-ray spridning (saxs/waxs) mätningar.

Protocol

1. inställning av mät miljön

1. Krav för amplifierade XBIC-mätningar
   1. Se till att ha följande tillgängliga: en nano-eller mikro-fokusering röntgen beamline; en röntgen-chopper som absorberar regelbundet majoriteten av röntgenstrålar; en PA; a LIA; moduler för fjärrstyrning av helikoptern, PA och LIA; ett system för datainsamling (DAQ). en DUT.
2. Provhållare tillverkning
   1. Använd en kinematisk bas för provhållaren. Detta gör det möjligt att ompositionera prover till inom mikrometer precision och sparar värdefull beamtime. Dessutom möjliggör den positionering av prover över olika mätplattformar med olika monteringssystem.
   2. Utforma provhållaren så att den ger maximal frihet att placera olika detektorer i närheten av provet, samtidigt som den är kompatibel med röntgen genomskinliga prover och mättekniker som SAXS eller WAXS. Typiskt, detta leder till minimal prov innehavarens storlek, styvhet ner till nanometer skala och vara lätt.
   3. Designa ett kretskort (PCB) som ska användas som fäste för den elektroniska enheten för XBIC-mätningar. Även om en dedikerad PCB med direkt anslutning till en koaxialkabel är inte nödvändigt strängt taget, kan det spela en betydande roll i minskningen av buller i jämförelse med lösa ledningar, där trådarna fungerar som antenner.
      Obs: helst skulle en Faraday bur skydda provet från elektromagnetiska fält. Detta är dock i de flesta fall inte förenligt med mät geometrier.
3. Exempel på kontakt
   1. Limma den elektroniska DUT på PCB. Beroende på material och krav för senare avlägsnande av DUT, det rekommenderas att använda nagellack, Instant lim, komposit lim, eller silikon lim.
   2. Se till att ingen monteringsdel eller ledningar blockerar den infallande röntgenstrålen eller hindrar siktlinjen för andra detektorer som används, såsom för XRF-mätningar.
   3. Kontakta båda terminalerna på DUT.
      Det finns olika sätt att kontakta elektroniska enheter, och det bästa valet beror på specifika exempel egenskaper, där vidhäftning, kemisk eller mekanisk resistens och tillgängligt utrymme är argument för en eller annan kontaktmetod.
   4. Anslut den främre kontakten (uppströms kontakten vänd mot händelsen röntgenstråle) med sköld av koaxialkabeln.
   5. Anslut den bakre kontakten (den efterföljande kontakten) med koaxialkabelns kärna.
   6. Jorda den främre kontakten (sköld av koaxialkabeln).
      Anmärkning: den inkommande strålen leder till utmatning av elektroner från DUT, vilket leder till en kompensations ström i mätkretsen som lätt misstolkas som XBIC. Därför bör den främre kontakten alltid vara jordad²³. Det kan vara nödvändigt att testa olika jordningsmetoder för att minimera potentiella variationer.
   7. Betrakta figur 2 som ett exempel på en provhållare som består av en kinematisk bas, en aluminium hållare och ett PCB med en solcell ansluten till en av de två koaxialkontakterna.
4. Arrangemang av prov och detektorer
   1. Montera provet på hållaren.
   2. Montera provhållaren på prov stadiet.
   3. Placera rotationscentrum för scenen i fokus för röntgenstrålen.
   4. Placera provet i rotationscentrum.
   5. Rotera scenen så att planet av intresse är vinkelrät mot den infallande strålen för att minimera strålen fotavtryck och maximera den rumsliga upplösningen.
   6. I händelse av multimodala mätningar, Placera detektorn (erna) runt provet.
      Obs: beroende på röntgen optik, det finns lite utrymme att placera detektorer uppströms provet. För icke-röntgen-transparenta prover bör fluorescensdetektorn titta på röntgen fokuspunkten under en vinkel på 10-20 ° till prov planet så att själv absorption för de delar av intresse och räkningar från spridning minimeras.
5. Chopper installation
   1. Montera en motoriserad etapp, med möjlighet att röra sig vinkelrätt mot röntgenstrålen, uppströms provet.
      Obs: även om detta motoriserade skede inte är nödvändigt, det gör det möjligt för att flytta helikoptern in och ut ur röntgenstrålen utan att gå in i Hutch, vilket möjliggör högre genomströmning och större stabilitet.
   2. Installera en optisk helikopter på den motoriserade scenen för att modulera den inkommande signalen.
      Anmärkning: helst är helikoptern placerad långt uppströms i provet så att den inte inducerar några vibrationer på röntgen optiken eller provet av motorn eller turbulensen, respektive. Ändå har goda resultat med vibrations amplituder under 100 nm erhållits med helikoptern hjulet är så nära som 10 mm till provet, medan hackning på > 6 kHz.
6. Reducering av bakgrundsljus
   1. Stäng av ljuskällorna i hutschen när det är möjligt och skydda alla andra, inklusive små lampor på LIA och Chopper Wheel Controller. På något beamlines, där er en ljus den där er vände på när den kaninbur är sökte. Detta ljus bör dock inte förbli på under mätningen.

2. inställning av XBIC-mätningar

1. Se figur 1 för en schematisk representation av nödvändiga hårdvarukomponenter och ledningar.
2. Inställning av en förförstärkare
   1. Placera en PA i närheten av provet.
      Obs: vissa LIAs levereras med en integrerad PA. I detta fall tillämpas PA-inställningar på ett liknande sätt som inställningarna för LIA.
   2. Anslut pa till en styrenhet utanför hutschen för att möjliggöra fjärr förändring av amplifiering inställningar utan att gå in i kaninbur. I idealfallet är styrenheten ansluten till fd-kontrollen och pa-inställningarna registreras automatiskt.
   3. Effekt PA från en ren strömkrets.
      Obs: enheter som vakuumpumpar kan förorena strömkretsen och bör därför drivas separat från hög precision elektronik såsom PA och LIA som kan överföra variationer i strömförsörjningen till mätsignalen. Av denna anledning, beamlines har vanligtvis rena och förorenade strömkretsar. Många förstärkare kan även manövreras från batterier.
   4. Anslut provet via BNC-kontakten på prov fästet.
   5. Kontrollera att prov ledningarna är avspända så att de inte begränsar prov rörelserna.
   6. Applicera en bias-spänning via PA om XBIC-signalen inte ska mätas under kortslutnings förhållanden. Använd inte någon bias-spänning om XBIV-signalen ska mätas under förhållanden med öppen krets.
   7. Mät signalamplituden för DUT under mätförhållanden (dvs. vanligtvis i mörker) och under arbetsförhållanden (t. ex. med rums ljus och fd Mikroskop ljus på) för att testa signal området.
   8. Se till att signalamplituden för DUT matchar indataområdet för PA, och vidta försiktighetsåtgärder för att undvika övermättnad under hög signalförhållanden (t. ex., vände på rummet ljus), som övermättnad kan förstöra PA.
   9. Se till att känsligheten hos PA matchar dess utgångsområde och indataområdet för LIA. Det är god praxis att hålla amplifiering av PA vid minsta känslighet när ingen mätning pågår för att undvika oavsiktlig övermättnad.
   10. Anslut DUT till PA. Med tanke på den lilla signalamplituden är det viktigt att hålla ledningarna korta.
       Obs: kablar som transporterar XBIC-signal bör inte vara sammanflätade med andra kablar eftersom dessa kan framkalla brus. Källor till buller inkluderar scanning stadier och detektorer som de används för XRF. Olika tråd positioner kan testas för att minimera bullret. För ytterligare brusreducering kan tråden slås in i jordad aluminiumfolie eller triaxialkablar kan användas.
   11. Dela upp den pre-amplifierade signalen i tre parallella signal grenar för att separat registrera DC (positiva och negativa) och modulerade AC komponenter.
       Anmärkning: alternativa signalvägar nämns i del (a) i diskussionsavsnittet.
   12. Anslut två signal grenar till spänning till frekvens (V2F) omvandlare, varav en med inverterad insignal intervall att acceptera den negativa DC-signalen.
3. Elektrisk inställning av en lock-in förstärkare
   1. Anslut Lia till en styrenhet utanför hutschen för att möjliggöra fjärr förändring av amplifiering inställningar utan att gå in i kaninbur. I idealfallet är styrenheten ansluten till fd-kontrollen och Lia-inställningarna registreras automatiskt.
   2. Driva LIA från en ren strömkrets och hålla den på ett avstånd från möjligen bullriga instrument.
   3. Se till att utdata från PA matchar input av LIA under alla förhållanden, som övermättnad kan skada LIA. Det är god praxis att hålla LIA indataområdet vid sitt maximum när ingen mätning pågår för att undvika oavsiktlig övermättnad.
   4. Mata modulerings frekvensen från den optiska helikoptern som referens signal till LIA.
      Obs: referens frekvensen kan antingen tillhandahållas av en oscillator av LIA, köra helikoptern och därmed möjliggöra distans kontrollera det, eller som indata från helikoptern styrenheten som en referens till LIA. En kombination av båda är också möjlig.
   5. Anslut den tredje grenen av den pre-amplifierade XBIC-signalen till LIA-ingången.
   6. Output den root-mean-squared (RMS) amplitud av låset-i förstärks signalen som analog AC signal av DUT.
      Obs: som  alltid är positivt, en uppdelning av signalen och invertering av en gren är inte nödvändigt så länge signalen ingången på V2F Converter är inte negativt. Om fas informationen också ska registreras rekommenderas att fasen matas ut utöver , eller komponenten i fas och kvadratur.
   7. Anslut utdata från LIA till en tredje V2F kanal.
   8. Anslut V2F omvandlare till DAQ enheter och fd programvara för att lagra de tre xbic signalkomponenter med motsvarande tid och pixelinformation.
      Obs: det finns alternativa metoder för att V2F omvandlare för XBIC DAQ. Till exempel kan spänningsutgången från PA och Lia digitaliseras direkt, eller så kan digital avläsning av förstärkarna integreras i fd-styrsystemet. Emellertid, den presenterade metoden är kompatibel med de flesta synkrotron beamlines, som V2F omvandlare är allmänt tillgängliga.

3. xbic-mätningar

1. Välja väl lämpade XBIC mätförhållanden
   1. Akta dig för avvägningen av skanningshastighet, Chopper frekvens och low-pass filterinställningar som diskuteras senare i manuskriptet.
2. Optimera XBIC-mätparametrar
   1. Se till att DUT är avskärmad från alla lampor i hutchen.
   2. Ställ in alla amplifikationer av PA och LIA till det minimum, och inmatnings intervall till det maximala för att undvika övermättnad.
   3. Ställ in frekvensen av helikoptern, vilket är modulationsfrekvensen för signalen och referens frekvensen för dess demodulering.
      Anmärkning: som en tumregel bör den valda frekvensen vara så hög som möjligt under begränsningarna av (a) tillräckligt snabbt svar av DUT, (b) snabb nog amplifiering kedja, (c) acceptabel vibrationsnivå induceras av helikoptern. Dessutom bör frekvenser som är multiplar av vanliga buller frekvenser såsom 50/60 Hz eller 45 kHz undvikas.
   4. Ställ in amplifiering av PA så att (a) den maximala uteffekten amplitud är väl inom det maximala inmatningsområdet för LIA och (b) svaret från PA är tillräckligt snabb för den valda Chopper frekvens. För optimering av förstärkarens inställningar i denna avvägning hänvisar vi till underavsnitt (b) i diskussionsavsnittet.
      Varning: innan du tillåter fler fotoner på DUT (t. ex. När du går in i Hutch), Ställ förstärkarna igen till deras maximala inmatningsområde och till deras minsta förstärkning för att undvika överbelastning. Helst implementeras detta direkt i skannings kommandona.
   5. Ställ in indataområdet för LIA så att den matchar signalamplituden efter pre-amplifiering för den region av intresse med den starkaste signalen.
   6. I LIA, dela och blanda signalen från DUT med referens signalen från helikoptern och en 90 ° fas skiftad referens signal som diskuteras i underavsnitt (c) av representativa resultat.
   7. Ställ in lågpassfilter frekvensen för LIA till det minimum som är kompatibelt med skanningshastigheten.
      Anmärkning: som en tumregel, Ställ in den på minst en storleksordning under Hack frekvensen, och en storleksordning över samplingsfrekvensen. Helst bör lågpassfilter frekvensen väljas så att vanliga buller frekvenser inte passeras, viktigast under 50/60 Hz för att skära av rutnäts frekvensen. För detaljer hänvisar vi till underavsnitt (e) av representativa resultat.
   8. Ställ in förstärknings skalan för den analoga utgången på den förstärkta signalen så att den överensstämmer med V2F och inte överskrider den.
   9. Ställ in mjuk-eller maskin varu gränser för förstärkarens utgångar enligt inmatningsområdet för följande enheter för att förhindra mättnad.
3. Ta XBIC-mätningar
   Anmärkning: med rätt amplifiering parametrar som fastställts för XBIC mätningar, och automatiserad kontroll och avläsning genomförs, det finns inga ytterligare åtgärder som krävs för att ta XBIC mätningar bortsett från att starta en skanning.
4. Efter behandling av XBIC-data
   1. Gå längs signal kedjan från DUT till datainsamlings enheten, där signalen sparas som räknings hastighet (Hz), för att konvertera räknar hastigheten tillbaka till en ström.
      1. Få amplifieringsfaktorn (V/A) vid PA, där signalen (mätt i ampere) förstärks och konverteras till en spänning.
      2. Få amplifieringfaktorn (V/v) vid Lia.
      3. Få spännings acceptans intervallet (V) för V2F omvandlare som projiceras på frekvensområdet (Hz).
      4. Överväg ytterligare vågform faktorer: produktionen signalen av LIA är RMS amplitud, men signalen av intresse är Peak-to-Peak värdet av den modulerade ingångssignalen.
   2. Multiplicera räkningshastigheten för varje pixel med konverterings termen i följande ekvation för att få xbic-värdena i ampere från frekvens värden sorterade efter DAQ:
      (1) med ,
      var är en faktor som beror på vågformen av moduleringen³².
      Anmärkning: för en inkommande sinusvåg,; för en triangel våg, ; och för en fyrkantig våg, . Typiska värden för mätning av tunnfilmssolceller vid hårda röntgen nanosonder är :, , ,.
   3. För eventuell korrigering av den råa XBIC signalen för topologiska variationer, Använd²⁸:
      (2) ,
      med att vara X-ray dämpning koefficienten³³ och massan täthet för absorbator element som kan mätas genom samtidiga XRF mätningar¹⁷.
   4. För eventuell omvandling av XBIC-signalen till laddningseffektivitet, Använd²³:
      (3) ,
      var och är generering och insamling hastighet av elektron-hålpar, är graden av infallande fotoner, är den elementära laddningen, och är en materiell konstant.
   5. För eventuell beräkning av materialkonstanten , Använd:
      (4) ,
      var är energin deponeras i absorbatorn skiktet av DUT per incident röntgen foton, är bandgap av absorbator material, och är en konstant.
      Anm.: faktorn står för energieffektiviteten hos elektron håls par generationen. Det approximeras ofta^23,34 as .
   6. För en eventuell uppskattning av injektions nivån , från xbic-signalen, Använd:
      (5) ,
      där tolkas som antalet sol ekvivalenter, är X-ray beam tvärsnitt, och är kortslutningsström täthet under standard mätförhållanden³⁵.

Representative Results

Den viktigaste fördelen med att använda lock-in amplifiering för XBIC mätningar är den dramatiska ökningen av signal-brus-förhållande jämfört med mätningar med standard förstärkning. De mät inställningar som är särskilt viktiga för lyckade, låsförstärkta XBIC-mätningar kommer att diskuteras i de första fem avsnitten. De är: (a) signal modulering; b för förstärkning. c) signal blandning i LIA. d lågpassfilter frekvens för LIA. (e) lågpassfilter roll-off av LIA.

Illustrationerna av dessa inställningens effekter visas i figur 3, figur 4, figur 6. För mätningarna använde en laboratorie inställning en röd laser () i stället för en röntgenstråle, modulerad på 2177,7 Hz av en optisk chopper. Lysrör fungerade som en källa för bias ljus. DUT var en tunnfilms-solcell med en Cu (in, ga) se₂ (CIGS) absorber. Även om olika mätningsinställningar skulle väljas för andra DUT, de allmänna riktlinjer som beskrivs här för att hitta lämpliga inställningar är giltiga för en mängd olika DUT såsom solceller med olika absorbatorskikt eller nanotrådar. Den PA användes med en amplifiering faktor . De effekter som diskuteras här gäller lika för andra förförstärkare. Om inget annat anges, lågpassfiltret roll-off av LIA var 48 dB/Oct.

Följande avsnitt (f)-(i) visar exemplariska resultat för att visa de möjligheter och utmaningar XBIC mätningar i samband med andra mätmetoder. I (f) diskuteras specifika utmaningar av XBIC mätningar i fly-scanning läge. I (g), XBIC och XRF mätningar av en CIGS-solcell kombineras, och effekten av lock-in amplifiering diskuteras med bias spänning tillämpas. I (h) tillsätts XBIV som mätningsläge för en CIGS-solcell. I (i), xbic och kompositions data från XRF av en CDS nanowire visas. För alla XBIC-mätningar i avsnitten (f) till (i) använde vi en PA och en LIA enligt vad som specificerats i tabellen över material och reagenser.

(a) modulering av inkommande signal

Figur 3 visar det pre-AMPLIFIERADE DUT-svaret mätt med ett omfång utan (översta raden) och med (nedersta raden) bias-lampan påslagen. Eftersom PA omvandlar strömmar till spänningar, visas signalen i volt. Det är negativt på grund av kontakt med solcellen, med p-och n-typ kontakter anslutna till skölden och kärnan i ingången av PA, respektive. I XBIC-mätningar styrs sol cells kontakten av den nödvändiga jordningen av den främre kontakt som diskuteras i avsnitt 1.3.6. av protokollet.

Genom att jämföra figur 3a och figur 3D, noterar vi en offset-signal på storleksordningen 8 MV som förskjuts till-65 MV genom att vrida på bias-ljuset från fluorescensrören. Dessutom förstärks signal variationen på korta tidsskalor avsevärt av bias-ljuset. En sådan bias förskjutning på ungefär 70 mV kan visa sig problematiskt, på grund av begränsningar i acceptans intervallet för PA och LIA. Eftersom vi skulle vilja använda hela sortimentet av PA, är en liten förskjutning som i figur 3a-C att föredra. Därför bör alla källor till oavsiktlig bias, såsom allmänbelysning, elimineras.

Lägga till en hackad Photon källa, som visas i figur 3b,C,E,F, ökar den inducerade signalen med samma belopp-ungefär 66 MV-för både med och utan bias ljus, när strålen passerar genom helikoptern bladet; När balken blockeras av bladet, förblir signalen på nivån för respektive offset, som förväntat. Frekvensen av helikoptern är distinkt i signalen från figur 3B och 3e med en period av MS.

I figur 3D-Fnoterar vi en ytterligare Modulering med en frekvens på 90 kHz. Källan till denna hög frekvensmodulering är den elektroniska ballast av lysrör, som drivs på 45 kHz. Även om en förstärkning kan differentiera bidragen från olika modulerings frekvenser, vilket visas i figur 6, är minskningen av brus signalen av största vikt för en bra mätning. Omgivande ljus är bara en möjlig källa, men annan elektronik kan också inducera buller, som sedan skulle läggas ovanpå signalen. Observera att bias ljus är inte alltid oönskat brus, men ofta bias ljus appliceras på syfte att ställa in DUT i driftsförhållanden.

I figur 3b,C,E,Fnoterar vi vidare att svaret från DUT vid byte av bestrålnings intensitet fördröjs. Dessa upphov-tids effekter kommer att diskuteras mer i detalj i nästa avsnitt och härstammar från två distinkta effekter: för det första, den branta ökningen och minskningen av DUT svar på 2177,7-Hz modulering fördröjs av lågpassfiltret i PA. För det andra fortsätter signalen att öka/minska vid långsammare tidsskalor (t. ex. synlig mellan 0,68 och 0,80 ms i diagram 3c), som vi tillskriver ockupationen kinetik defekt stater i solcellen.

b) Förförstärknings

Den PA inte bara förstärker den modulerade signalen från DUT men kan avsevärt ändra sin vågform. Som beskrivs ovan, kontakterna i solcellen är sådana att en negativ spänning mäts vid belysning. Inget bias-ljus har lagts till för mätningarna som visas i figur 4.

Mätningarna togs med ökande filter Stig gånger för att demonstrera deras effekter när amplifieringseghet hålls konstant. I många fall är filter Stig tiderna hårdvarukopplade till amplifieringen. Ju starkare amplifiering är, ju längre responstid är, och den mindre är cut-off-frekvensen för lågpassfiltret i PA^36,37.

Med en filter Stig tid på 10 μs som i den övre panelen i figur 4, signalen är knappt försenad, spänner över den nominella Peak-to-Peak intervallet från ungefär 10 MV till-65 MV, och når platåer på toppvärdena. Med 100 μs filter Stig tid, fördröjningseffekter är synliga i den modulerade signalen men moduleringen är fortfarande distinkt och amplituden är i ett liknande intervall som för 10 μs. En filter löneförhöjning tid av 1 MS är längre än perioden av moduleringen (0,46 MS). Därför är moduleringen dämpas till amplituder under 10 mV och formen återspeglar endast början av den stigande och fallande kanten, vilket uppenbarligen inte lämpar sig för kvantitativa XBIC mätningar. Detta samband mellan Gain och filter Stig tid måste hållas i åtanke, särskilt för kombinationen av snabba modulations frekvenser, med stark förstärkning.

c) signal blandning

Den viktigaste skillnaden mellan standardsignal förstärkning och lock-in amplifiering är blandningen av DUT-signalen med en referens signal och efterföljande dämpning av höga frekvenser med ett lågpassfilter.

Signalvägen för blandningen avbildas i figur 5. För diskussionen av signalera blandning göras några förenklingar. Referens signalen kan beskrivas som en sinusformad signal

(6) ,

var är amplituden och är modulerings frekvensen för referens signalen. Den modulerade signalen från DUT matas in i LIA kan representeras på ett liknande sätt som

(7) ,

var är amplituden och är MODULERINGS frekvensen för DUT-signalen, och är en fasförskjutning av DUT-signalen till referens signalen.

Efter (1) och (2) är den blandade signalen:

(8) .

Modulerings frekvensen för DUT är referens frekvensen . Därför är den trigonometriska principen

9 

kan användas för att skriva om som summan av två termer med olika frekvenser:

(10) .

Lågpassfiltret minskar den snabba signalen så att den förstärkta signalen kan approximeras^38,39 som

(11) .

DUT-signalen som blandas med referens signalen kallas in-Phase-komponenten , och DUT-signalen blandad med den fas skiftade referensen 90 ° kallas kvadratur-komponenten:

12 

(13) .

Från EQ. (12) och (13) är RMS-amplituden

14

såväl som fas

15

av den blandade signalen kan erhållas med två-argument arcus tangent funktion. Många LIA har en invändig fasjustering för att nollställas under mätningar.

d) låg pass filter frekvens

Figur 6 visar effekten av bias ljus och olika låg-pass filterinställningar på lock-in förstärks RMS amplitud, . Vi använde en LIA som tillät oss att spela insignalen till följd av olika filterparametrar samtidigt.

Cut-off-frekvensen för ett lågpassfilter definierar frekvensen, vid vilken signalen dämpas till 50%. Medan lägre frekvenser överförs, är högre frekvenser undertryckta. Figur 6a,E Visa den direkta signalen med = 466,7 kHz, som effektivt inte eliminera brus eller lägre frekvenser modulationer men låter dem passera med RAW-signalen. Omvandlingen av den råa pre-Amplified signalen till RMS-amplituden  leder till en ytterligare faktor för frekvenser tillräckligt under . Till exempel matas en konstant ingångsspänning ut som.

Den genomsnittliga förskjutningen i figur 6E är försumbar utan bias-ljus (i genomsnitt 2 MV), den ökar till i genomsnitt cirka 75 MV med bias-ljus (figur 6a). Skillnaden är jämförbar styrka mellan figur 3a och figur 3D, men se upp så att dessa är separata mätningar. I båda fallen leder det till en signifikant ökning av hacknings källan, och variationen  i topp-till-topp motsvarar toppen-till-topp-variationen hos den råa signalen som visas i figur 3b och figur 3E. .

I figur 6b,F, visas RMS- amplituden efter användning av ett lågpassfilter med 1000 Hz. Återigen kan en offset observeras i figur 6b på grund av bias-ljuset, men förskjutningen är mindre med cirka 18 MV i genomsnitt. Denna offset orsakas av 100 Hz-moduleringen av Lysrörs ljuset, medan moduleringen 90 kHz blockeras av lågpassfiltret. Dessutom är bullernivån för "balk på"-läget fortfarande betydande med en topp-till-topp-variation runt 46 mV, medan det genomsnittliga signal värdet uppgår till 32 mV. Utan bias-ljus (figur 6F) varierar topp-till-topp-variationen till ca 17 MV under "balk på" med ett genomsnittligt värde på 23,5 MV. Den genomsnittliga förskjutningen under "balk av" är mindre än 0,5 mV. Dessa mätningar visar att kombinationen av ett lågpassfilter med 1000 Hz och en Hack frekvens på 2177,7 Hz inte är idealisk: signalen som bär modulationsfrekvensen är endast delvis borttagen men inte helt undertryckt av Low-pass- Filter. Den återstående delen leder till signifikanta topp-till-topp-variationer  under "beam on"-läget. När snedljus är närvarande ökar den 100 Hz-moduleringen på grund av fluorescenslampornas netto frekvens ytterligare topp-till-toppvärden.

I figur 6C,G, kan påverkan av bias ljuset ses som minimal: 10,27 Hz Low-pass filter klipper av mest brus och modulering av fluorescerande ljus, och en tydlig stråle-inducerad signal kan extraheras. Om än knappast synlig här, är offset och spridning av buller fortfarande något större med bias ljus. Detta kan orsakas av strö ljus som passerar genom helikoptern hjulet på DUT. Därför är det tillrådligt att genomföra helikoptern långt uppströms för att undvika modulering av ströljus.

Figur 6d,H är en zoom i förändringen från "balk på" till "balk av" efter 6 s i figur 6b,C,F,G, respektive. Den överlagda moduleringen vid 100 Hz (fluorescenslampornas frekvens) är synlig i figur 6D för lågpassfiltret med 1000 Hz. Notera också fördröjningen i signalen efter filtret med 10,27 Hz jämfört med signalen efter att filtret med 1000 Hz, när balken är avstängd. I likhet med fallet för långsam ökning gånger PA, låg av lågpassfiltret i Lia orsaka långsammare anpassning av att signalera förändringar.

Sammantaget har vi funnit att en lågpassfilter med 10,27 Hz och en roll-off på 48 dB/Oct (se nästa avsnitt) erbjuder i detta fall den bästa kompromissen mellan snabb skanning hastighet (till förmån för höga värden) och dämpning av bias ljus eller brus (i till förmån för låga värden, viktigast av allt under rutnäts frekvensen 50 Hz).

(e) roll-off för låg pass filter

Så många digitala lock-in förstärkare, den modell som användes här sysselsätter så kallade diskreta-Time RC filter eller exponentiellt rinnande genomsnitt filter vars egenskaper är mycket nära de av en analog resistor-kondenor RC filter⁴⁰. Bortsett från filter cut-off frekvens som har diskuterats i föregående avsnitt, det finns bara en fri parameter, filter ordning , som definierar lutningen på cut-off som DB/Oct.

Figur 7a visar effekten av filterordningen på frekvens beroende dämpning för olika cut-off frekvenser som motsvarar tidkonstanter MS och MS. tidkonstanter mellan dessa två ytterligheter är lämpliga för de flesta xbic- Mätningar. Filter dämpningen har beräknats⁴⁰ i frekvensområdet som absolutvärdet kvadraten på den komplexa överföringsfunktionen

16 

som en fungera av frekvensen och ett filtrera av beställer med en tidkonstant. Överförings funktioner för högre order filter erhålls genom multiplikation av överföringsfunktionerna i de seriellt anslutna enskilda filtren. Liknar , vi definierar och som frekvenser, vid vilken dämpning är 5% och 95%, respektive. Produkten av dessa frekvenser och är konstant och anges i tabell 1 för omvandlingen mellan cut-off frekvenserna och filtertidskonstant.

I tids domänen beräknas filterresponsen för rekursivt från en ingångssignal som definieras vid diskreta tidpunkter , osv., fördelade på samplingstiden:

17 

Svaret av filter med beräknas av flera iteration av EQ. 17 med beräknad från och. Filter svaret på en ökande (vid tid 0) och minskande steg funktion (vid tid ) visas i figur 7b för filter order 1 till 8, som en funktion av tiden i enheter av. Observera att responsen fördröjs med avseende på ingångssignalen och att fördröjningen ökar med . Fördröjningen kvantifieras i tabell 1 som den tid , och , inom vilken den överförda signalen når 5%, 50%, eller 95%, respektive.

Valet av rätt filter roll-off är lika kritiskt som av cut-off-frekvensen vid utformningen av experimentet. I program 1 som presenteras i avsnitt (g), har högkvalitativa XBIC-mätningar erhållits med en Chopper frekvens på 1177 Hz, uppehållstid på 100 MS och cut-off-frekvens på 40 Hz vid filter ordning 8. Med siffrorna från tabell 1, detta översätts till , och. Denna tid är betydligt kortare än uppehållstiden så att inga förseningar-artefakter införs.

f korrigering av uppehållstid

I de klassiska steg läges mätningarna flyttas skannings stadiet till det nominella läget, och början av mätningen vid denna pixel position utlöses efter att den exakta positionen uppnåtts. För korta uppehållstider, blir sedimenteringstid begränsande för den totala skanningstiden, som motiverar så kallade fly-Scan eller kontinuerlig mätning lägen: där, skanningen scenen rör sig kontinuerligt, och mätdata tillskrivs pixlar med kodade scen position vid efter behandling. Detta kan dock leda till ytterligare problem som visas i figur 8. I detta fall rörde sig inte motorerna i provtagnings stadiet jämnt i riktningen, vilket resulterade i varierande uppehållstider per pixel (se figur 8a). Variationerna av Dwell-Time översätter direkt till variationer i XBIC-mätningar, vilket framgår av figur 8C. Därför måste XBIC-signalen normaliseras till uppehållstiden, vars resultat visas i figur 8D. På samma sätt behöver variationer i strålintensiteten (visas i figur 8b) ofta redovisas genom normalisering till fotons Flux. XBIC signal normaliserad till fotonen Flux kan ses i figur 8E; för minimalt fel på den absoluta XBIC-kvantifieringen har fotonflödet i sig normaliserats till sitt medianvärde. Figur 8F visar xbic-kartan normaliserad till uppehållstiden samt till Photon Flux, vilket reducerade effekten av de flesta mät artefakter. Slutligen visar figur 8G xbic-data efter konverteringen från en räkningshastighet till den aktuella med EQ. (1).

(g) tillämpning 1: XBIC av en solcell med bias spänning och XRF

Figur 9a-B visar effekten av "lock-in förstärkning" på signal/brus-förhållandet i röntgen strålens inducerade ström mätningar. Det är uppenbart att den direkta signalen är uppenbar i figur 9a: starka kontraster från linje till linje är indikativa för Mät artefakter, och fina xbic-variationer från DUT blir begravda i den godtyckligt föränderliga signalen. Å andra sidan syns dessa fina egenskaper tydligt i figur 9b. Observera att ljudnivån i figur 9a är ovanligt hög av okända anledningar trots optimeringen av installationen före mätningarna. I sådana fall är signal-brus-förhållandet förbättring genom att låsa in amplifiering dramatiskt högre än i fall av redan hög signal-brus-förhållande med standard förstärkning (t. ex. ansökan 3 i avsnitt (i)), där lock-in amplifiering skulle bara leda till marginella förbättringar.

Med PA, framåt (figur 9C) och omvänd (figur 9d) bias spänningar på-50 mV och + 50 MV, respektive, tillämpades på provet och området i figur 9a-B omsökas. De dominerande egenskaper som syns i figur 9b är fortfarande synliga i figur 9c och figur 9d, men de är mindre distinkta eftersom kartorna är bullrigare. Detta beror på att tillämpningen av bias spänning eller bias ljus inducerar en likström som ofta är storleksordningar större än den modulerade XBIC signalen. I slutändan, förhållandet mellan direkt till modulerad signal begränsar tillämpligheten av lock-in amplifiering. Trots den dåliga signal-brus-förhållande, är det värt att påpeka att lock-in amplifiering möjliggör kartläggning av sol cells prestanda på nanoskalan med bias spänning och bias ljus tillämpas, som knappast skulle vara möjligt annars³⁰.

Eftersom prestandan hos CIGS-solcellen är korrelerad till absorbatorn skikt sammansättningen^7,41, mätte vi XRF-signalen samtidigt med xbic. I figur 9E-Fpresenteras koncentrationerna av ga och in. Båda elementen är en del av absorbatorn skiktet och deras förhållande anses vara av stort inflytande på prestandan hos solcellen⁷. Statistiken av ga är mycket större än för in, som är tack vare den högre absorberingskoefficienten och mindre Self-absorption på magnetiseringen energi av 10,4 keV. På grund av den låga statistiken är funktionerna i in-kartan nästan osynliga, medan ga-koncentrationen är tillräckligt tydlig för att korreleras med den elektriska prestandan i figur 9b. För en högre in signalera, en kunde endera välja longer Dwell tider eller välja en absorberingsenergi med större i Absorberingstvärsnitt. Detta illustrerar vikten av en tillräckligt lång uppehållstid samt skrädderi av strålen energi till de delar av intresse.

Med långa uppehållstider och stora kartor, en annan punkt måste hållas i åtanke: under mätningar som spänner över flera timmar, kan provdrift bli en kritisk fråga. Termiska variationer (särskilt efter prov förändring eller stora motoriska rörelser med dålig värmeavledning) och instabiliteten i mekaniska steg komponenter leder ofta till provdrift som kan ses genom att jämföra de vertikala positionerna i figur 9D och Figur 9b.

(h) tillämpning 2: XBIC av en solcell med XBIV och XRF

Figur 10 visar en multimodal skanning av en CIGS-solcell, där cellen drivs under kortslutnings förhållanden som mäter Xbic i figur 10a, och under förhållanden med öppen krets som mäter Xbiv i figur 10b. XRF-mätningen som visades i figur 10C togs samtidigt med XBIV-mätningen. För att samla in tillräckligt antal XRF-värden var uppehållstiden per pixel 0,5 s för figur 10b-C jämfört med 0,01 s i figur 10a. Följaktligen kan en lägre cut-off-frekvens i lågpassfiltret för XBIV-mätningen användas jämfört med XBIC-mätningen (10,27 Hz resp. 501,1 Hz, båda med roll-off 48 dB/Oct). För enbart XBIV-mätningar kunde vi ha använt samma Dwell Time-och low-pass-filterinställningar som för XBIC-mätningen med liknande signal-brus-förhållande. Det var dock totalt sett mer tidseffektivt att kombinera XBIV med XRF-mätningar med XRF-mätningen som reglerar dröjtiden, än att utföra separata XBIV-och XRF-mätningar.

Om man jämför figur 10a, och figur 10B, noterar vi att kortslutningsströmmen , mätt som xbic, och den öppna krets spänningen , mätt som xbiv, är korrelerade: stora områden med hög och låg prestanda är synliga i båda mätnings lägena. Detta indikerar att lokal tjocklek variationer och/eller rekombination dominerar prestanda här, snarare än bandgap variationer, vilket skulle leda till motsatta trender i XBIC och XBIV²⁸.

Vidare, med figur 10C beaktas, kan man se att vissa områden med låg prestanda som vid korrelerar med låg cu räkna hastighet, medan prestanda inte är korrelerad med cu räkna hastighet i andra områden.

i) tillämpning 3: XBIC och XRF i en Nanowire

Bortom solceller, kontaktade nanotrådar²⁴ eller nano-ark, samt kvantprickar, är andra exempel på DUT som kan dra nytta av lock-in förstärks xbic mätningar. För demonstration visar figur 11a elementarfördelningen från XRF-mätningar och figur 11b motsvarande xbic-karta över en CDS nanowire. De två kontakterna gjorda av PT och CdS-tråden är klart urskiljbara, och XBIC-signalen visar ett matchande elektriskt svar. Särskilt anmärkningsvärt är det faktum att XBIC kan avslöja den elektriska prestandan av nanowire under PT kontakt, som är unik för röntgen nanosonder och hänföras till den höga penetrationsdjupet av hårda röntgenstrålar. Kompletteringen av materialsammansättning och elektriska egenskaper hos nanowire visar exemplarily fördelarna med multimodala röntgen mätningar.

Figur 1 : Inställning för lock-in förstärks X-ray beam inducerad ström (xbic) mätningar på en enhet under test (DUT). Strål banan avbildas i rött. De gröna formerna indikerar valfri röntgen fluorescens (XRF) och områdes detektorer för multimodala mätningar, gult indikerar valfritt bias-ljus. Maskinvarukomponenter för XBIC mätningar är färgade svarta, medan XBIC signalvägar är blå med signalutgångar och ingångar visas som fyllda och tomma cirklar, respektive. Innan datainhämtningen (DAQ), DC (likström) och AC (växelström) signalen omvandlas från en spänning till en frekvens (V2F). För alternativa signalvägar hänvisar vi till del (a) i diskussions sektionen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 Exempel på en kinematisk provhållare optimerad för multimodala röntgenmikroskopi mätningar inklusive röntgenstråle inducerad ström. Tunna koppartrådar monteras på fram-och baksidan kontakter av en Cu (i, ga) se₂ (CIGS) solcell med silver färg, och ansluten till PCB kontakter. Polyimidtejp används för att separera trådarna och undvika kortslutning av provet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 : Pre-Amplified sol cells reaktion vid bestrålning med bias ljus och modulerad balk. Översta raden utan bias ljus, nedersta raden med bias ljus: en & D-balk av; B & E-balk på; C & F-zooma in den röda rektangeln av B & E. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 : Sol cells reaktion efter pre-amplifiering med tre olika filter Stig gånger (10 μs - blå, 100 μs - röd, 1 MS - grön) i för förstärkaren. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5 : Signal behandling med lock-in förstärkare³¹. är signal ingången från DUT och är referens signalen från helikoptern. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.   

Figur 6 : En amplifierad RMS-amplitud med lågpassfilter cut-off frekvenser 466,7 kHz (blå), 1 kHz (lila), 10,27 Hz (röd), och konstant filter roll-off 48 dB/Oct. Den DUT var en Cu (i, ga) se₂ solcell med (a, B, C, D) och utan (E, F, G, H) bias ljus tillämpas. De tider då den hackade foton strålen slås på och av indikeras i siffrorna som vertikala streckade linjer. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.  

Figur 7 : Effekt av lågpassfilter inställningar i lock-in förstärkare. A-dämpning vid Low-pass filtrerar i frekvensområdet för två tidkonstanter ( MS och MS) och för filtrerar beställer 1 till 8. B-överförd signalera svar av Low-pass filtrerar i tidområdet, i enheter av Tidkonstanten , för filtrerar beställer 1 till 8 på kliva-gillar ändring av mata in signalerar från 0 till 1 på tid 0 och från 1 till 0 på tid. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.  

Figur 8 : Fly-Scan mätning av en Cu (i, ga) se₂ solcell på fd P06 på Petra III, tagen på 15,25 keV Photon Energy med ett fokuserat flöde på cirka pH/s. PA användes   med = 10⁶ V/A, och Lia med Hz (48 dB/Oct). A-uppehållstid, B-Photon Flux, C-X-ray beam inducerad ström (XBIC); XBIC Map normaliserad till: D-Dwell tid, E-Photon Flux normaliserade till sitt medianvärde, F-Dwell tid och normaliserade Photon Flux. G – normaliserad XBIC signal efter konvertering från räkningshastigheten till aktuell med EQ. (1). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra. 

Figur 9 : Röntgenstråle inducerad ström (xbic) och röntgen fluorescens (XRF) mätningar av en Cu (in, ga) se₂ solcell, tas vid fd ID16B vid den europeiska synkrotronstrålningsanläggningen med ett fokuserat flöde på order av pH/s. Den PA användes med V/A, Lia med Hz (48 dB/Oct). Strålen energin var 10,4 keV, Chopper frekvensen var 1177 Hz, och lågpassfiltret avskurna vid 40 Hz. Dröjtiden var 100 MS och pixelstorleken 40 Nm x 40 Nm. Kartorna A, B, E och F togs på samma gång; C och D är omtagningar efter 50 min och 113 min, med 50 mV framåt och omvänd bias spänning tillämpas, respektive. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.      

Figur 10 : Multimodal mätning av en Cu (in, ga) se₂ solcell, tagen på fd P06 på Petra III med ett fokuserat flöde på cirka pH/s. Strålen energin var 15,25 keV, Chopper frekvensen var 8015 Hz, och pixelstorlek 50 nm x 50 nm. A-röntgenstråle inducerad ström (XBIC) mätt med en Dwell tid på 0,01 s, en PA med = 10⁶ V/a, och en LIA med Hz (48 dB/Oct); B-röntgenstråle inducerad spänning (XBIV) som täcker samma område som panel A, mätt med en dröjtid på 0,5 s och en LIA med Hz (48 dB/Oct); C-cu räkna hastighet från en X-ray fluorescens (XRF) mätning, tas samtidigt med xbiv mätning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.         

Figur 11 : Multimodala mätningar av en CDS nanowire med PT kontakter, tagna på fd 26-ID-C i den avancerade fotonen källa med en balk energi på 10,6 keV. A-PT och CD-distribution från en röntgen fluorescens mätning. B-röntgenstråle inducerad ström (XBIC) mätning tas samtidigt med XRF mätningen, utan lock-in amplifiering. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra. 

Tabell 1: för diskreta RC-filter på order 1 till 8, är produkten av tidskonstant och frekvensen, vid vilken signalen dämpas med 5% (), 50% () och 95% (), konstant och ges i den övre delen . I den nedre delen ges tidsfördröjningen, inom vilken signalen når 5%(), 50% () och 95% (), i enheter av tidskonstant och den inverterade cut-off-frekvensen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna Excel-fil.

	XBIC	EBIC	LBIC
Multimodala funktioner	++	+	+
Rumslig upplösning	++	++	-
Genomträngningsdjup	++	--	+
Tillgänglighet	--	-	+
Exempel på skador	-	--	++

Tabell 2: kvalitativ bedömning av röntgen strålens inducerade ström (XBIC), elektronstråle inducerad ström (EBIC) och laserstråle inducerad ström (LBIC).

Discussion

I det här kapitlet diskuterar vi först relevansen av allmänna XBIC-Mätinställningar med avseende på brus (a) och skanningshastighet (b). Därefter lägger vi XBIC-mätningar i samband med multimodala mätningar och diskuterar aspekter av röntgen strålens inducerade skador (c) och specifika utmaningar i samband med samtidiga mätningar av flera parametrar (d). Slutligen jämför vi XBIC-mätningar med relaterade mätningar med elektron-och laser balkar som sonder (e).

a) buller och fel

Även om lås förstärkning möjliggör ett högre signal-brus-förhållande jämfört med direkt förstärkning är det viktigt att undvika att buller införs på alla nivåer, vilket har betonats upprepade gånger under hela manuskriptet. För vidare diskussion hänvisar vi till litteratur som diskuterar mätning av små elektriska signaler^42,43,44,45. Även om State-of-the-art lock-in förstärkare är baserade på digital signalbehandling idag, de flesta strategier för att minska bullret med analoga lock-in förstärkare gäller fortfarande.

Sammanfattningsvis bör det hållas i åtanke att kablarna är benägna att fungera som antenner och därmed införa brus i systemet. Detta gäller särskilt i miljön av röntgen nanosonder, där starka elektromagnetiska fält är ofta oundvikliga, deras källor kan även förbli okända. Som en följd av detta bör kablarna hållas så korta som möjligt och orienterade så att den inducerade ljudnivån minimeras. Extra avskärmning av signalkablarna kan ytterligare minska ljudnivån.

En korrekt kontakt av DUT är lika viktigt för buller minimering. En ren och robust metod med små kontaktpunkter är tråd bindning. För TF solceller, detta fungerar inte alltid på grund av adhesion frågor. Alternativt, ledande tejp baserad på grafit, koppar, eller aluminium är lämpad för större prover. I många fall, de bästa resultaten erhålls med manuell applicering av silver färg för att kontakta tunna koppar, guld, eller platina trådar till enheten. Medan tejp och grafit pasta kanske inte ger den bästa kontakten, silver färg kan enkelt kortslutning enheten och måste deponeras med största omsorg. Polyimide tejp kan användas för att förhindra kortslutning av främre och bakre kontakt.

Observera att kabellayouten från att kontakta för att signalera transport måste anpassas till beamline-specifika randvillkor. Till exempel, den layout som avbildas i figur 1 med pre-Amplified signalen delas till Lia och V2F omvandlare är riskabelt, om V2F omvandlare ligger utanför Hutch. I detta fall kan den långa kabeln mellan förförstärkare och V2F omvandlare fånga brus som överförs till LIA. Därför skiljer vi tre fall av gemensamma signalvägar för XBIC-eller XBIV-mätningar:

Fall A: XBIC mäts med en förförstärkare, och DC/AC-signalen delas efter PA som avbildas i figur 1. I detta fall kan en ström förskjutning tillämpas i PA så att signalen är alltid positiv, undvika behovet av att registrera den positiva och negativa signalen via två separata V2F omvandlare. Som en nackdel, detta skulle minska den tillgängliga spännings acceptans intervallet i LIA och leda till minskad känslighet.

Fall B: att undvika uppdelningen av den pre-amplifierade signalen, som endast matas in till LIA, kan en ytterligare demodulator användas i LIA med ett lågpassfilter vid det maximala värdet (dvs. inte låsa in till modulerings frekvensen) så att Pre-Amplified signalen kan effektivt matas ut till DAQ-enheten som visas i figur 6a,E. I detta fall kan en spännings förskjutning på utgången appliceras på både AC-och DC-signalen, vilket undviker behovet av att registrera den positiva och negativa signalen via två separata V2F-omvandlare. Detta har inga större nackdelar bortsett från en minskning av det tillgängliga frekvensomfånget för V2F, vilket sällan begränsar.

Fall C: XBIV mäts och DC/AC-signalen delas mellan DUT och lock-in-förstärkaren. I detta fall kan ingen spännings förskjutning på DC-signalen tillämpas utan att tillämpa en oönskad bias spänning på DUT, så att alltid två separata V2F omvandlare krävs för positiva och negativa signal delar.

I samtliga fall, där de negativa och positiva delarna av en signal registreras via två olika V2F omvandlare, erhålls den totala XBIC-eller XBIV-signalen som skillnaden mellan den positiva och den negativa kanalen. Om en LIA med två eller flera demodulatorer är tillgänglig, föredrar vi vanligtvis fall B, eftersom det minimerar ledningar av RAW-signalen och möjliggör enkel växling mellan XBIC och XBIV mätningar.

Felet av XBIC mätningar beror mycket på den utrustning och inställningar som används så att ingen fel kvantifiering kan ges här. Det absoluta felet är högre än man kan förvänta sig på grund av experimentella och systematiska fel. Detta gäller särskilt om XBIC-signalen konverteras till laddning av insamlings effektivitet genom skalning med en konstant enligt beskrivningen i protokollet. Till exempel, den empiriska relationen mellan bandgap och joniseringsenergi som beskrivs av α (se EQ. 4) lider av betydande spridning; fotonflux-mätningar är ofta inte tillgängliga med absoluta fel under 10%. och den nanoskopiska strukturen i DUT är dåligt känd. Men vi betonar att styrkan hos lock-in förstärks xbic och xbiv mätningar ligger i den stora relativa noggrannheten inom kartor eller jämförbara mätningar.

(b) skanningshastighet

I många mätmetoder som är baserade på fotons detektering som XRF eller röntgen spridning, ökar signalintensiteten i den första tillnärmningen linjärt med förvärvs tiden, med därmed ökad signal-brus-förhållande. Detta gäller inte för XBIC-mätningar, där fönstret med möjliga skannings hastigheter inte dikteras av räknings statistik utan av mer komplicerade överväganden såsom bärar dynamik och enhets struktur.

Men långsamma mätningar med många perioder av modulerad signal per pixel leder vanligtvis till bästa signal-brus-förhållande i lås-amplifierade XBIC-mätningar och översampling med mjukning under efter bearbetningen (t. ex. genom att Binning eller tillämpa filter) kan minska ljudnivåerna ytterligare om Mät tiden tillåter. Förutom genomströmnings överväganden kan dock ytterligare begränsningar ställa in lägre gränsvärden för Mät hastigheten, inklusive: (1) röntgenstråle inducerad nedbrytning (se följande avsnitt), eller miljöinducerade prov ändringar under in situ- mätningar minskar ofta tillåten uppehållstid. (2) provdrift och reproducerbarhet av steg rörelser kan vara begränsande, särskilt för mätningar i nanoskala. (3) variationer av den elektromagnetiska ljudnivån kan vara springa ifrån genom snabbare mätningar. (4) fotons räkning mätningar kan lätt normaliseras till händelsen Photon Flux, den XBIC signal (och ännu mer så att XBIV signalen) är endast till viss del linjär till incidenten Photon Flux²⁸. Därför, normalisering till fotonen Flux kompenserar endast en del av effekterna från Photon-Flux variation, och man bör undvika att ta XBIC mätningar (såsom kartor eller tidsserier) medan Flux är varierad. Detta är särskilt ett problem när lagrings ringen fylls under en XBIC-karta.

Om XBIC-mäthastigheten inte styrs av andra mätmetoder (se avsnitt (d)) tas XBIC-mätningar vanligtvis med den högsta hastighet som ger tillfredsställande signal-brus-förhållande. De övre gränserna för Mät hastigheten ges av följande begränsningar: (1) en grundläggande övre gräns för Mät hastigheten är responstiden för DUT. I slutändan är svarstiden begränsad av avgiften-inkassotid. För de flesta tunnfilms-solceller med laddningsbärare livstider i nano-eller mikrosekund intervall, detta är okritisk, men detta måste hållas i åtanke för högkvalitativa kristallina-kiselsolceller med livstider på flera millisekunder. Men kapacitans effekter kan öka responstid också av TF solceller så att den kan begränsa Mät hastigheten. (2) roterande hackarblad som används för att modulera röntgenstrålen har övre hastighetsgränser. Beroende på deras placering i röntgenstrålen kan balk storleken vara upp till 1 mm bred, vilket anger minsta period för bladet. Om helikoptern drivs i vakuum, är rotations frekvensen sällan begränsande, matchning i vissa fall även elektron-gäng frekvens. Men driften av helikoptrar vid sådana hastigheter i vakuum är utmanande, så att de flesta hackar drivs i luften. I detta fall är den roterande hastigheten begränsas av mekaniska vibrationer och i slutändan av hastigheten på den yttersta delen av bladet som måste vara mindre än hastigheten på ljudet. Enligt vår erfarenhet är hacknings frekvensen begränsad ofta till ~ 7000 Hz i luft. (3) i många fall anger svarstiden för PA den övre gränsen för Mät hastigheten. Som framgår i figur 4, är snabba stiga gånger av PA krävs för att översätta signalen modulering från helikoptern. För stor förstärkning används low-noise strömförstärkare, som har löne förhöjnings tider upp till 100 MS. med sådan löneförhöjning tider, kan den hugga av frekvensen begränsas till få Hz, som skulle Kräv Dwell tider av flera understöder. Därför är den bästa strategin ofta att välja en lägre förstärkning av PA med en snabbare responstid som matchar hacknings frekvensen. Även om detta leder till mindre signal-till-brus-nivåer efter pre-amplifiering, kan lock-in amplifiering ofta fortfarande hämta en hög kvalitet modulerad signal.

Som ett exempel, den använda PA ger en bandbredd på mer än 10 kHz för förstärkning i μA/V-området, även för låg brus inställning³⁷. Detta gör det möjligt att hugga på kHz-området och mät hastigheter upp till intervallet 100-Hz med ett lågpassfilter med en cut-off-frekvens mellan skannings-och Hack frekvensen. Detta är mätförhållanden som vi ofta använder.

För att undvika Mät artefakter är det ytterst viktigt att analysera signalen längs amplifieringskedjan: begränsningen av lågpassfiltret för LIA kan lätt upptäckas som linje artefakter i kartor (smetas ut ur XBIC-signalen över flera pixlar), kräver system svaret från DUT och PA inspektion av signalen med en räckvidd, som kan integreras i LIA.

c) strålskador

Röntgenstråle inducerad skada är en vanlig fråga och har diskuterats för många system, från biologiska prover till kiselsolceller och detektorer^46,47. Även oorganiska halvledare är i allmänhet mer robust mot röntgenstrålning jämfört med organiska halvledare eller biologiska system, röntgenstråle inducerad skada är vanligt också i tunnfilms-solceller. Specifikt har vi observerat röntgenstråle inducerad skada av solceller med CdTe, CIGS²⁹, perovskit¹⁸, och organiska absorbatorn lager. Observera att det elektroniska svaret av DUT som solceller är känsligt för defekt koncentrationer under ppm-nivå, där laddning-Carrier rekombination påverkar prestandan utan uppenbara kemiska skador.

Därför är det i allmänhet krävs för att testa känsligheten hos en DUT att strålen skador. I praktiken utvärderar vi röntgenstrålen inducerad nedbrytning av någon DUT före faktiska XBIC mätningar, och fastställa villkor som gör att mätningar som minst påverkas av nedbrytnings effekter.

Det finns olika strategier för att klara av röntgenstråle inducerad skada, men vad de alla har gemensamt är att de syftar till att minska strålnings doseringen vid en mätpunkt innan utvärderingen av prestandan där. Med andra ord, målet är att springa ifrån nedbrytning efter paradigmet "åtgärd snabbare än DUT degraderar". Strategierna omfattar: (1) Använd korta uppehållstider. (2) öka stegstorleken och minska Mät upplösningen. (3) minska röntgenstrålens intensitet genom dämpning filter. Beroende på fd och DUT, olika metoder kan väljas eller en kombination därav. Till exempel avsaknaden av snabba fönsterluckor eller fly-Scan lägen utesluta (1), och bred spridning röntgenstrålar profiler som de som genereras av zon plattor kan leda till betydande nedbrytning långt bort från den centrala strålen position.

Lyckligtvis, de flesta Degraderingsmekanismer endast leda till lokalt förbättrad laddning Carrier rekombination. Detta begränsar den laterala effekten av nedbrytningen till diffusions längden av laddningsbärare, och XBIC mätningar längre bort från de försämrade områdena förblir nästan opåverkade. Om, i stället, Degraderingsmekanismer leder till lokal växling av DUT, skulle ytterligare XBIC-mätningar allvarligt hämmas. För att hålla den deponerade stråldos till ett minimum, bör de kritiska mätningarna utföras först på en ny plats och sedan efteråt, fotonen-hungriga metoder, som XRF, som är mer likgiltiga för strålskador, kan utnyttjas på samma plats.

d) multimodala mätningar

Kompatibiliteten för XBIC med ytterligare mätmetoder möjliggör direkt korrelation av den elektriska prestandan med samtidigt bedömda parametrar²³. Här diskuterar vi inom kortkombinationen av XBIC mätningar med XBIV, XRF, SAXS, WAXS, och XEOL mätningar. Kombinationen med ytterligare mätmetoder såsom elektron avkastning eller holografi kan lätt föreställas, men dessa lägen är inte generellt kompatibla med uppställningar eller lägen för scanning mätningar.

Även om det geometriska arrangemanget av detektorer och prover för samtidig mätning av XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS och XEOL är möjligt, finns det grundläggande och praktiska aspekter som förbjuder samtidig bedömning av alla transportsätt.

(1) tillståndet i solcellen förbjuder samtidig mätning av XBIC (kortslutning) och XBIV (Open Circuit) mätningar. Som xeol^48,49 mäter strålnings rekombination av elektron-hålpar, en uppmätt ström av solcellen (xbic) skulle vara en konkurrenskraftig process. Därför utförs XEOL-mätningar vanligtvis under förhållanden med öppen krets, vilket är kompatibelt med samtidiga XBIV-mätningar.

(2) om strålskador är ett problem för XBIC-eller XBIV-mätningar, får de inte kombineras med fotons törstiga tekniker som XRF eller XEOL. Som en tumregel, strålar skador effekter syns först i den elektriska (XBIC & XBIV) och den optiska (XEOL) prestanda, är känslig för laddning-Carrier rekombination via elektroniska defekter. För det andra, strukturella skador uppstår (synlig i SAXS & vaxer), följt av kompositionella modifiering synlig i XRF.

(3) även hackning av röntgenstrålen är i allmänhet kompatibel med alla mätmetoder, kan det leda till artefakter: för det första, den integrerade fotonen Flux per pixel varierar genom det integrerade Flux passerar helikoptern hjulet i en period. Denna verkställer blir större med ett mindre förhållande mellan hugga av och scannings frekvensen. För det andra kan samspelet mellan hackerhjulet och röntgenstrålen leda till spridda, diffragerade och fluorescerande fotoner. För det tredje reduceras det integrerade fotonflödet med 50%, vilket är särskilt viktigt för fotons törstiga mätmetoder.

Som en konsekvens av dessa överväganden beror det ideala mätsystemet på den givna DUTEN och prioriteringen av mätmetoder. Det är dock ofta klokt att börja med en mätning optimerad för XBIC. Om du måste låsa in förstärks xbiv är detta vanligtvis den andra genomsökningen. Annars kan helikoptern tas bort, och alla andra mätningar, inklusive standard XBIV, kan utföras med längre Dwell tid som krävs för den mest Photon-hungrig teknik. Helst, XRF data mäts under alla skanningar, vilket möjliggör bild registrering i efter bearbetning för att redogöra för provdrift.

e) olika sonder för Strålinducerade mätningar

Det finns alternativa sonder till röntgenstrålar för bedömning av den rumsligt lösta elektriska prestandan hos en DUT med specifika fördelar och nackdelar. Därför anges en kvalitativ jämförelse av XBIC med elektronstråle inducerad ström (EBIC) och laserstråle inducerad ström (LBIC) mätt i elektronmikroskop eller med optiska uppställningar i tabell 2.

Elektron håls paret generationen av en laser kommer närmast utomhus driften av solceller. Den rumsliga upplösningen av LBIC är dock i grunden begränsad av laserns våglängd. EBIC-mätningar ger en större rumslig upplösning som vanligtvis begränsas av elektronstrålens interaktionsradie med DUT. Den största nackdelen med EBIC-mätningar är deras ytkänslighet, vilket hindrar bedömningen av absorbatorn skikt prestanda genom lager stacken eller ens i inkapslade enheter. Dessutom leder ojämna ytor av DUT i kombination med icke-linjära sekundära elektron emissions effekter ofta till förvrängda EBIC-resultat. Däremot XBIC mätningar knappast lider av topologiska variationer, eftersom de flesta signalen genereras djupt i bulk material och ytladdning effekter mildras genom ordentlig grundstötning.

Alla tre balk-inducerad tekniker har gemensamt att laddningen injektion är mycket inhomogena, topp på strålen position. Som en följd är överskottet transportör koncentration och strömtäthet inhomogeneously fördelas. I en förenklad bild, majoriteten av solcellen fungerar i mörker, och en liten fläck fungerar på en hög injektion nivå som kan nå hundratals sol ekvivalenter för fokuserade balkar. Fördelningen på injektions nivå beror inte bara på strålens storlek och form, utan även på strålens energi, enhets stacken och tidsstrukturen för injektionen. Hittills har röntgenstrålen behandlats som en kontinuerlig balk, vilket är motiverat för laddning-Carrier insamlings processer som är långsammare än mikrosekunder. Men Synchrotron-inköpta röntgenstrålar består av sub-100-PS pulser med intensiteter och pulsfrekvens beroende på lagrings ring fyllningsmönstret. Även om vi inte har märkt någon inverkan av fyllningsmönstret på comparably långsamma XBIC mätningar, den kortsiktiga insprutnings nivån beror på det. Däremot kan man använda sig av tidsstrukturen för röntgenstrålar: liknande som har visats för tidslösta XEOL²¹, kan man tänka sig TIDSLÖSTA xbic eller xbiv mätningar, eller låsa xbic/xbiv signalen i elektron-gäng frekvens.

En adekvat diskussion om konsekvenserna av inhomogena insprutnings nivåer kräver full 3D-simulering av alla relevanta balk och parametrar enhet inklusive faltning av tidsberoende injektion nivå med 3D rörlighet och livstid i DUT, som är bortom tillämpningsområdet för detta manuskript. Det är dock begreppsmässigt detsamma för alla beam-inducerad ström och spänning mätningar och vi hänvisar till litteraturen diskuterar injektion-nivå beroendet av EBIC⁵⁰ och lbic⁵¹ mätningar.

De negativa konsekvenserna av lokal laddning injektion kan experimentellt mildras genom tillämpning av bias ljus med intensiteten av 1 sol motsvarande, och balk-inducerad excitation lägga endast en försumbar mängd överskott laddningsbärare. I praktiken är detta begrepp tekniskt begränsad av den dynamiska reserven på 100-120 dB i State-of-the-art lock-in förstärkare, vilket motsvarar en signal-brus-förhållande på 10⁵ till 10⁶. Även om detta räcker för enheter av storlek som är jämförbara med BOM storleken, tillåter den inte tillämpning av bias-ljus på relevanta nivåer för makroskopiska anordningar. Den självklara lösningen är att minska urvalsstorleken. Tyvärr är detta ofta begränsas av elektriska gränseffekter upp till flera hundra mikrometrar utanför provet gränsen eller kontaktpunkter.

Observera också att man kan använda sig av injektion-nivå beroendet av XBIC mätningar: liknar EBIC och LBIC, utföra injektion nivå serie genom att variera röntgenstrålar intensitet kan avslöja information om dominerande återkombinationsmekanismer och laddning bärare diffusion^52,53.

Sammanfattningsvis penetrationdjupet av röntgenstrålar kombinerat med den höga rumsliga upplösningen gör XBIC den mest passande teknik för att studera DUT med begravda strukturer som TF solceller i en korrelat mikroskopi strategi. Interaktionsradien för XBIC-mätningar är vanligtvis mindre än för EBIC, och den rumsliga upplösningen begränsas ofta av laddlufthållens diffusions längd. Den största nackdelen med XBIC mätningar är den begränsade tillgången på röntgen nanosonder.

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