Mesures du courant induit par faisceau x pour la microscopie multimodale de rayons X des cellules solaires

Engineering
 

Summary

Une configuration pour les mesures de courant induites par le faisceau de rayons X aux lignes de faisceau synchrotron est décrite. Il dévoile les performances nanométriques des cellules solaires et étend la suite de techniques de microscopie multimodale aux rayons X. Du câblage à l'optimisation du signal au bruit, il est montré comment effectuer des mesures XBIC de pointe à une micro-sonde à rayons X dur.

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

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Abstract

Les mesures du courant induit par faisceau x (XBIC) permettent de cartographier les performances nanométriques des appareils électroniques tels que les cellules solaires. Idéalement, XBIC est utilisé simultanément avec d'autres techniques dans le cadre d'une approche multimodale de microscopie aux rayons X. Un exemple est donné ici combinant XBIC avec la fluorescence de rayon X pour permettre des corrélations point par point de la performance électrique avec la composition chimique. Pour le rapport signal-bruit le plus élevé dans les mesures XBIC, l'amplification par verrouillage joue un rôle crucial. Par cette approche, le faisceau de rayons X est modulé par un hélico optique en amont de l'échantillon. Le signal électrique induit par le faisceau de rayons X modulé est amplifié et démodulé à la fréquence de l'hélico à l'aide d'un amplificateur de verrouillage. En optimisant les réglages de filtre à faible passage, la fréquence de modulation et les amplitudes d'amplification, le bruit peut être efficacement supprimé pour l'extraction d'un signal XBIC clair. Une configuration similaire peut être utilisée pour mesurer la tension induite par le faisceau de rayons X (XBIV). Au-delà des mesures Standard XBIC/XBIV, XBIC peut être mesurée avec la lumière de biais ou la tension de biais appliquée de telle sorte que les conditions de travail extérieures des cellules solaires peuvent être reproduites pendant les mesures in situ et operando. En fin de compte, l'évaluation multimodale et multidimensionnelle des appareils électroniques à l'échelle nanométrique permet de mieux comprendre les dépendances complexes entre la composition, la structure et la performance, ce qui est une étape importante vers la résolution des matériaux. Paradigme.

Introduction

Dans un monde où la demande d'énergie électrique ne cesse d'augmenter, une source d'énergie propre et durable est de plus en plus nécessaire. Une possibilité de répondre à ces demandes sont photovoltaïques (PV) systèmes1,2,3. Pour un moyen dirigé et efficace de développer les cellules solaires de prochaine génération, il est nécessaire de comprendre comment la composition et la structure des cellules solaires affectent leurs performances4. Les questions typiques dans le développement des cellules solaires comprennent: Quels types de défauts sont les plus préjudiciables, et où sont-ils situés5,6? Y a-t-il des inhomogénéités dans la distribution élémentaire, et quel est leur impact7,8,9? Comment les cellules solaires changent-elles lors de l'assemblage du module et du vieillissement10,11?

Comme une cellule solaire est seulement aussi bonne que sa partie la plus faible, il est particulièrement important de comprendre l'effet de la variation compositionnelle et structurelle sur la performance dans les cellules solaires polycrystalline qui souffrent intrinsèquement d'inhomogénéités7, 8. Cela est particulièrement vrai pour les cellules solaires à couches minces (TF), qui contiennent des couches d'absorbeurs de tailles cristallines dans la gamme des micromètres. Ici, l'effet des limites de grain sur la performance est d'un intérêt supérieur, mais leur petite taille et le fait qu'ils sont enterrés dans une pile de couches entières posent des défis de caractérisation uniques. En outre, la chimie complexe des couches d'absorbeur multi-composants avec des phases co-existantes et des gradients internes nécessitent des méthodes de caractérisation sophistiquées12.

Les microscopes à rayons X durs à base de synchrotron sont capables de relever les défis de caractérisation des cellules solaires TF : ils fournissent des tailles de taches à rayons X jusqu'à l'échelle nanométrique13,14,15,16 et le la profondeur de pénétration des rayons X durs permet de sonder les différentes couches d'appareil17,y compris les couches d'absorbeur enterrées. Avec une multitude de différentes techniques de mesure à un microscope à rayons X de balayage, il devient possible d'étudier simultanément non seulement un, mais de nombreux aspects différents des cellules solaires dans les mesures multimodales et de corréler les caractéristiques observées. Par exemple, les mesures induites par le faisceau de rayons X (XBIC) ont été combinées avec succès avec la fluorescence des rayons X (XRF)7,18,19, la luminescence optique excitée à rayons X (XEOL)20, 21, et diffraction de rayon X (XRD)22 pour corréler la performance électrique avec la composition, la performance optique, et la structure, respectivement23.

Pendant les mesures XBIC des cellules solaires ou d'autres dispositifs en cours d'essai (DUT)24,25, les photons de rayons X incident ont déclenché des douches de particules composées d'électrons et de photons, résultant en une multitude de paires d'électrons-trous excités par photon de rayon X incident dans le matériel semiconducteur d'absorbeur. Enfin, les paires électron-trous se thermiquent aux bords de la bande de l'absorbeur de cellules solaires. Par conséquent, ces porteurs de charge excités de rayon X peuvent être traités comme des porteurs de charge qui sont générés par l'absorption des photons avec des énergies juste au-dessus du bandgap pendant le fonctionnement normal de cellules solaires, et le courant ou la tension résultantpeut peut être mesuré comme rayon X courant induit par le faisceau23,26,27 ou tension (XBIV)28,29 semblable à des mesures plus courantes comme le courant induit par le faisceau électronique (EBIC) ou le courant induit par faisceau laser (LBIC). Par conséquent, le signal XBIC/XBIV dépend non seulement de l'épaisseur de la couche absorbante, mais aussi de la performance électrique du DUT, tant au niveau microscopique que macroscopique, y compris le bandgap local, le fractionnement au niveau Fermi et la recombinaison. Ainsi, nous sommes en mesure de cartographier les variations locales de l'efficacité de collecte porte-charge qui est définie comme la probabilité qu'une paire électron-trou excitée à l'extérieur dans la couche d'absorbeur soit recueillie aux contacts électriques du DUT.

Notez que seules les paires électron-trous générées dans la couche absorbante du DUT contribuent au signal XBIC/XBIV. Les porteurs de charge générés dans d'autres couches telles que les contacts métalliques ou le substrat se recombinent immédiatement, car ils n'ont aucune possibilité d'être séparés par la jonction. Par conséquent, d'autres couches n'affectent que les mesures XBIC/XBIV par des effets secondaires tels que l'absorption parasitaire des rayons X ou l'émission de photons et d'électrons secondaires qui peuvent être réabsorbés dans la couche absorbante. En revanche, toutes les couches peuvent potentiellement contribuer au signal XRF.

Étant donné que les signaux XBIC et XBIV peuvent être petits (souvent, les variations de la gamme sous-picoampère et nanovolt sont d'intérêt), les signaux sont facilement enfouis dans le bruit. Par conséquent, nous avons suggéré d'utiliser l'amplification de verrouillage pour extraire les signaux XBIC et XBIV30. À cette fin, le faisceau de rayons X entrant est modulé par un hélico optique tel qu'indiqué à la figure 1. Cette modulation se transmet au signal produit par le DUT. Avant que le signal ne soit introduit dans l'amplificateur de verrouillage (LIA), un préamplificateur (PA) est généralement utilisé pour faire correspondre l'intensité du signal brut avec la portée du convertisseur analogique-numérique à l'entrée de la LIA numérique. La LIA mélange le signal de mesure modulée avec le signal de référence. En utilisant un filtre à faible passage, seules les fréquences proches du signal de référence sont passées à travers et amplifiées31. Cela permet une extraction efficace du signal XBIC ou XBIV à partir d'un fond bruyant.

Dans le protocole, nous introduisons les conditions préalables et les mouvements nécessaires pour prendre des mesures XBIC réussies, y compris le signal brut (courant direct, DC) et le signal modulé (courant alternatif, AC). Au-delà de la description des détails techniques, nous discutons d'une configuration XBIC dans le contexte des mesures multimodales à la ligne de faisceau P06 à PETRA III13. Veuillez noter que, comparativement à la plupart des expériences en laboratoire, l'environnement des huches des nanosondes à rayons X durs nécessite une planification et une considération particulières. Plus précisément, les mesures multimodales à l'échelle nanométrique défient les expérimentateurs avec une variété de contraintes spécifiques. Par exemple, le bruit électronique est souvent présent avec de grandes amplitudes de moteurs à piezo et d'autres équipements, tels que l'alimentation des détecteurs. En outre, une multitude de dispositifs et de détecteurs doivent être disposés à une géométrie optimisée sans interférer les uns avec les autres ni induire des vibrations. Figure (en) 1 représente une configuration typique pour les mesures XBIC en combinaison avec les mesures de diffusion de rayons X (SAXS/WAXS) à angle faible/grand.

Protocol

1. Mise en place de l'environnement de mesure

  1. Exigences pour les mesures XBIC amplifiées par verrouillage
    1. Assurez-vous d'avoir les éléments suivants : une ligne de faisceaux de rayons X nano- ou micro-focalisé; un hélicoptère à rayons X qui absorbe périodiquement la majorité des rayons X; a PA; une LIA; modules pour la télécommande de l'hélico, PA, et LIA; un système d'acquisition de données (DAQ); un DUT.
  2. Fabrication de porte-échantillons
    1. Utilisez une base cinématique pour le porte-échantillon. Cela permet de repositionner des échantillons à l'intérieur de la précision micromètre et permet d'économiser du temps de faisceau précieux. En outre, il permet le positionnement d'échantillons sur différentes plates-formes de mesure avec différents systèmes de montage.
    2. Concevoir le support de l'échantillon de manière à ce qu'il offre une liberté maximale pour placer différents détecteurs à proximité autour de l'échantillon, tout en étant compatible avec les échantillons transparents aux rayons X et les techniques de mesure telles que SAXS ou WAXS. Typiquement, cela se traduit par une taille minimale du support d'échantillon, la rigidité jusqu'à l'échelle nanométrique et d'être léger.
    3. Concevoir un circuit imprimé (PCB) qui servira de monture pour l'appareil électronique pour les mesures XBIC. Bien qu'un BPC dédié avec connexion directe à un câble coaxial ne soit pas nécessaire à proprement parler, il peut jouer un rôle important dans la réduction du bruit par rapport au câblage lâche, où les fils agissent comme des antennes.
      REMARQUE : Idéalement, une cage de Faraday protégerait l'échantillon des champs électromagnétiques. Cependant, cela n'est pas compatible dans la plupart des cas avec les géométries de mesure.
  3. Contact d'échantillon
    1. Collez le DUT électronique sur le PCB. Selon les matériaux et les exigences pour l'enlèvement ultérieur de la DUT, il est recommandé d'utiliser du vernis à ongles, de la colle instantanée, de la colle composite ou de la colle de silicium.
    2. Assurez-vous qu'aucune pièce de montage ou câblage ne bloque le faisceau de rayons X incident ni n'obstrue la ligne de vue des autres détecteurs utilisés, comme pour les mesures XRF.
    3. Contactez les deux terminaux du DUT.
      REMARQUE : Il existe différentes façons de contacter les appareils électroniques, et le meilleur choix dépend des propriétés spécifiques de l'échantillon, où l'adhérence, la résistance chimique ou mécanique, et l'espace disponible sont des arguments pour l'une ou l'autre méthode de contact.
    4. Connectez le contact frontal (le contact en amont face au faisceau de rayons X incident) avec le bouclier du câble coaxial.
    5. Connectez le contact arrière (le contact en aval) avec le noyau du câble coaxial.
    6. Au sol le contact frontal (bouclier du câble coaxial).
      REMARQUE : Le faisceau entrant conduit à l'éjection des électrons du DUT, ce qui conduit à un courant de compensation dans le circuit de mesure qui est facilement mal interprété comme XBIC. Par conséquent, le contact frontal doit toujours être mis à la terre23. Il peut être nécessaire de tester différentes méthodes de mise à la terre pour minimiser les variations potentielles.
    7. Considérez la figure 2 comme exemple d'un porte-échantillon composé d'une base cinématique, d'un support en aluminium et d'un BPC avec une cellule solaire reliée à l'un des deux connecteurs coaxiaux.
  4. Arrangement de l'échantillon et des détecteurs
    1. Montez l'échantillon sur le support.
    2. Montez le porte-échantillon sur la scène de l'échantillon.
    3. Placez le centre de rotation de la scène dans le foyer du faisceau de rayons X.
    4. Placez l'échantillon au centre de rotation de l'étape de rotation.
    5. Faites pivoter la scène de telle sorte que le plan d'intérêt est perpendiculaire au faisceau incident afin de minimiser l'empreinte du faisceau et de maximiser la résolution spatiale.
    6. En cas de mesures multimodales, placez le détecteur autour de l'échantillon.
      REMARQUE : Selon l'optique de rayon X, il y a peu de place pour placer des détecteurs en amont de l'échantillon. Pour les échantillons non transparents aux rayons X, le détecteur de fluorescence devrait examiner le point de focalisation des rayons X sous un angle de 10-20 degrés à l'avion de l'échantillon de sorte que l'auto-absorption des éléments d'intérêt et les comptes de la dispersion sont réduits au minimum.
  5. Installation de l'hélico
    1. Montez une scène motorisée, avec la capacité de se déplacer perpendiculairement au faisceau de rayons X, en amont de l'échantillon.
      REMARQUE : Bien que cette étape motorisée ne soit pas nécessaire, elle permet de déplacer l'hélico dans et hors du faisceau de rayons X sans entrer dans la huche, permettant ainsi un débit plus élevé et une plus grande stabilité.
    2. Installez un hélico optique sur l'étape motorisée pour moduler le signal entrant.
      REMARQUE : Idéalement, l'hélico est placé loin en amont de l'échantillon de sorte qu'il n'induit aucune vibration sur l'optique de rayon X ou l'échantillon par le moteur ou la turbulence d'air, respectivement. Néanmoins, de bons résultats avec des amplitudes de vibration inférieures à 100 nm ont été obtenus avec la roue d'hélico étant aussi près que 10 mm à l'échantillon, tout en coupant à 'gt; 6 kHz.
  6. Réduction de la lumière de fond
    1. Éteignez les sources de lumière dans la huche chaque fois que possible et protégez les autres, y compris les petites lumières sur le contrôleur de roue LIA et l'hélico. À certaines lignes de faisceaux, il y a une lumière qui est allumée quand la huche est recherchée. Toutefois, cette lumière ne doit pas rester allumée pendant la mesure.

2. Configuration des mesures XBIC

  1. Voir La figure 1 pour une représentation schématique des composants matériels et du câblage nécessaires.
  2. Configuration d'un pré-amplificateur
    1. Placez un PA à proximité de l'échantillon.
      REMARQUE : Certaines LIT sont équipées d'une PA intégrée. Dans ce cas, les paramètres DE PA sont appliqués de la même manière que les paramètres de la LIA.
    2. Connectez l'AP à une unité de contrôle à l'extérieur de la huche pour permettre le changement à distance des paramètres d'amplification sans entrer dans la huche. Idéalement, l'unité de contrôle est connectée au contrôle de la ligne de faisceau, et les paramètres de sonorisation sont automatiquement enregistrés.
    3. Alimentez l'AP à partir d'un circuit d'alimentation propre.
      REMARQUE : Les appareils comme les pompes à vide peuvent polluer le circuit d'alimentation et doivent donc être alimentés séparément de l'électronique de haute précision comme PA et LIA qui peuvent transférer des variations dans l'alimentation au signal de mesure. Pour cette raison, les lignes de faisceau ont généralement des circuits électriques propres et pollués. De nombreux amplificateurs peuvent même être actionnés à partir de batteries.
    4. Connectez l'échantillon à travers le connecteur BNC sur le montage de l'échantillon.
    5. Assurez-vous que le câblage de l'échantillon est soulagé de la tension de sorte qu'il ne limitera pas les mouvements de l'échantillon.
    6. Appliquer une tension de biais via l'AP si le signal XBIC ne doit pas être mesuré dans des conditions de court-circuit. N'appliquez aucune tension de biais si le signal XBIV doit être mesuré dans des conditions de circuit ouvert.
    7. Mesurer l'amplitude du signal du DUT dans des conditions de mesure (c.-à-d. généralement dans l'obscurité) et dans des conditions de travail (p. ex., avec la lumière ambiante et la lumière du microscope à faisceaux) pour tester la plage de signal.
    8. Assurez-vous que l'amplitude du signal du DUT correspond à la plage d'entrée de l'AP, et prenez des précautions pour éviter la sursaturation dans des conditions de signal élevé (par exemple, allumé la lumière de la pièce), car la sursaturation peut détruire l'AP.
    9. Assurez-vous que la sensibilité de l'AP correspond à sa plage de sortie et la plage d'entrée de la LIA. Il est de bonne pratique de maintenir l'amplification de l'AP à la sensibilité minimale chaque fois qu'aucune mesure n'est en cours pour éviter la sursaturation accidentelle.
    10. Connectez le DUT à l'AP. Compte tenu de la petite amplitude du signal, il est essentiel de garder le câblage court.
      REMARQUE : Les câbles transportant le signal XBIC ne doivent pas être entrelacés avec d'autres câbles, car ceux-ci pourraient induire du bruit. Les sources de bruit comprennent les stades de balayage et les détecteurs tels qu'ils sont utilisés pour XRF. Différentes positions de fil peuvent être testées pour minimiser le bruit. Pour d'autres réductions de bruit, le fil peut être enveloppé dans du papier d'aluminium moulu ou des câbles triaxiaux peuvent être utilisés.
    11. Divisez le signal préamplifié en trois branches de signal parallèles pour enregistrer séparément les composants DC (positifs et négatifs) et modulés DeC.
      Remarque : Les chemins de signalisation alternatifs sont mentionnés en partie (a) de la section de discussion.
    12. Connectez deux branches de signal aux convertisseurs de tension à fréquence (V2F), dont l'un avec une plage de signal d'entrée inversée pour accepter le signal DC négatif.
  3. Configuration électrique d'un amplificateur de verrouillage
    1. Connectez la LIA à une unité de contrôle à l'extérieur de la huche pour permettre le changement à distance des paramètres d'amplification sans entrer dans la huche. Idéalement, l'unité de contrôle est connectée au contrôle de la ligne de faisceau, et les paramètres LIA sont automatiquement enregistrés.
    2. Alimentez le LIA à partir d'un circuit d'alimentation propre et gardez-le à distance des instruments potentiellement bruyants.
    3. Assurez-vous que la sortie de l'AP correspond à l'entrée de la LIA dans toutes les conditions, car la sursaturation peut endommager la LIA. Il est de bonne pratique de maintenir la plage d'entrée LIA à son maximum chaque fois qu'aucune mesure n'est en cours pour éviter la sursaturation accidentelle.
    4. Alimentez la fréquence de modulation de l'hélico optique comme signal de référence dans la LIA.
      REMARQUE : La fréquence de référence peut être fournie par un oscillateur de la LIA, conduisant l'hélico et permettant ainsi de le contrôler à distance, ou d'être entrée du contrôleur d'hélico comme référence à la LIA. Une combinaison des deux est également possible.
    5. Connectez la troisième branche du signal XBIC préamplifié à l'entrée LIA.
    6. Sortie de l'amplitude root-mean-squared (RMS) du signal amplifié de verrouillage comme signal Analogique AC du DUT.
      REMARQUE :  Comme toujours positif, une fractionnement du signal et l'inversion d'une branche ne sont pas nécessaires tant que l'entrée du signal au convertisseur V2F n'est pas négative. Si l'information de phase doit également être enregistrée, il est recommandé de produire la phase en plus de , ou la composante en phase et la composante quadrature .
    7. Connectez la sortie de la LIA à un troisième canal V2F.
    8. Connectez les convertisseurs V2F aux unités DAQ et aux logiciels de beamline pour stocker les trois composants de signal XBIC avec des informations correspondantes sur le temps et les pixels.
      REMARQUE : Il existe d'autres méthodes aux convertisseurs V2F pour XBIC DAQ. Par exemple, la sortie de tension de PA et de LIA peut être numérisée directement, ou la lecture numérique des amplificateurs peut être intégrée dans le système de contrôle de la ligne de faisceau. Cependant, l'approche présentée est compatible avec la plupart des lignes de faisceaux synchrotron, car les convertisseurs V2F sont généralement disponibles.

3. Mesures XBIC

  1. Choisir des conditions de mesure XBIC bien adaptées
    1. Méfiez-vous du compromis entre la vitesse de numérisation, la fréquence de l'hélico et les paramètres de filtre à faible passage, comme nous l'avons vu plus loin dans le manuscrit.
  2. Optimisation des paramètres de mesure XBIC
    1. Assurez-vous que le DUT est protégé de toutes les lumières dans la huche.
    2. Définir toutes les amplifications de PA et DE LIA au minimum, et les plages d'entrée au maximum pour éviter la sursaturation.
    3. Définir la fréquence de l'hélico, qui est la fréquence de modulation du signal et la fréquence de référence pour sa modmodation.
      REMARQUE : En règle générale, la fréquence sélectionnée doit être aussi élevée que possible sous les contraintes de (a) réponse assez rapide du DUT, b) chaîne d'amplification assez rapide, c) niveau acceptable de vibrations induites par l'hélico. En outre, les fréquences qui sont multiples de fréquences sonores communes telles que 50/60 Hz ou 45 kHz doivent être évitées.
    4. Définir l'amplification de l'AP de telle sorte que (a) l'amplitude maximale de sortie est bien dans la plage d'entrée maximale de la LIA et (b) la réponse de l'AP est assez rapide pour la fréquence d'hélico choisie. Pour l'optimisation des paramètres de l'amplificateur dans ce compromis, nous nous référons à la sous-section b) de la section de discussion.
      CAUTION : Avant d'autoriser plus de photons sur le DUT (p. ex., en entrant dans la huche), remettez les amplificateurs à leur plage d'entrée maximale et à leur ampliification minimale pour éviter la surcharge. Idéalement, cela est implémenté directement dans les commandes d'analyse.
    5. Définir la plage d'entrée de la LIA pour correspondre à l'amplitude du signal après la pré-amplification pour la région d'intérêt avec le signal le plus fort.
    6. Dans la LIA, diviser et mélanger le signal du DUT avec le signal de référence de l'hélico et un signal de référence décalé de 90 degrés comme il est discuté dans la sous-section c) des résultats représentatifs.
    7. Définir la fréquence de filtre à faible passage de la LIA au minimum compatible avec la vitesse de numérisation.
      REMARQUE : En règle générale, fixez-le à au moins un ordre de grandeur inférieur à la fréquence de hachage et à un ordre de grandeur supérieur au taux d'échantillonnage. Idéalement, la fréquence du filtre à faible passage devrait être choisie de telle sorte que les fréquences de bruit courantes ne soient pas passées, surtout en dessous de 50/60 Hz pour couper la fréquence du réseau. Pour plus de détails, nous nous référons à la sous-section e) des résultats représentatifs.
    8. Définir l'échelle d'amplification pour la sortie analogique du signal amplifié de verrouillage de telle sorte qu'il correspond à la plage d'entrée du V2F et ne le dépasse pas.
    9. Définir des limites de soft ou de matériel pour les sorties d'amplificateurs en fonction de la plage d'entrée des périphériques suivants afin d'éviter la saturation.
  3. Prendre des mesures XBIC
    REMARQUE : Avec des paramètres d'amplification appropriés pour les mesures XBIC, et un contrôle et une lecture automatisés mis en œuvre, il n'y a aucune autre mesure requise pour prendre des mesures XBIC en dehors du démarrage d'un scan.
  4. Post-traitement des données XBIC
    1. Aller le long de la chaîne de signal de la DUT à l'unité d'acquisition de données, où le signal est enregistré en tant que taux de comptage (Hz), pour convertir le taux de comptage en courant.
      1. Obtenez le facteur d'amplification (V/A) à l'AP, où le signal (mesuré en ampère) est amplifié et converti en tension.
      2. Obtenez le facteur d'amplification (V/V) à la LIA.
      3. Obtenez la plage d'acceptation de tension (V) du convertisseur V2F qui est projetée sur la plage de fréquences (Hz).
      4. Considérez d'autres facteurs de forme d'onde : le signal de sortie de la LIA est l'amplitude RMS, mais le signal d'intérêt est la valeur de pointe à pointe du signal d'entrée modulé.
    2. Multipliez le taux de comptage de chaque pixel avec le terme de conversion dans l'équation suivante pour obtenir les valeurs XBIC en ampère à partir des valeurs de fréquence triées par le DAQ :
      (1) avec ,
      est un facteur qui dépend de la forme d'onde de la modulation32.
      REMARQUE: Pour une vague sinoïque entrante,; pour une vague triangle, ; et pour une vague carrée, . Les valeurs typiques pour la mesure des cellules solaires à couches minces aux nanoprobes à rayons X durs sont : , , .
    3. Pour la correction éventuelle du signal XBIC brut pour les variations topologiques, utilisez28:
      (2) ,
      avec être le coefficient d'atténuation des rayons X33 et la densité de masse pour l'élément absorbant qui peut être mesurée par des mesures simultanées XRF17.
    4. Pour la conversion éventuelle du signal XBIC en efficacité de collecte de charge, utilisez23:
      (3) ,
      et sont le taux de génération et de collecte des paires électrons-trous, est le taux de photons incident, est la charge élémentaire, et est une constante matérielle.
    5. Pour le calcul éventuel de la constante matérielle, utilisez :
      (4) ,
      est l'énergie déposée dans la couche d'absorbeur du PHOTOn à rayons X DUT par incident, est le bandgap du matériau absorbant, et est une constante.
      REMARQUE : Le facteur explique l'efficacité énergétique de la génération de paires électron-trous. Il est souvent approximatif 23,34 comme .
    6. Pour l'estimation éventuelle du niveau d'injection, , à partir du signal XBIC, utilisez :
      (5) ,
      est interprété comme le nombre d'équivalents soleil, est la section transversale du faisceau de rayons X, et est la densité de courant court-circuit dans des conditions de mesure standard35.

Representative Results

L'avantage principal de l'utilisation de l'amplification de verrouillage pour les mesures XBIC est l'augmentation spectaculaire du rapport signal-bruit par rapport aux mesures avec amplification standard. Les paramètres de mesure qui sont particulièrement critiques pour réussir les mesures XBIC amplifiées par verrouillage seront discutés dans les cinq premières sections. Ils sont: (a) modulation du signal; b) la préamplification; c) le mélange de signaux dans la LIA; d) fréquence de filtre à faible passage de la LIA; e) le déroulage du filtre à faible passage de la LIA.

Les illustrations des impacts de ces paramètres sont démontrées dans la figure 3, Figure 4, Figure 6. Pour les mesures, une configuration de laboratoirea utilisé un laser rouge ( ) à la place d'un faisceau de rayons X, modulé à 2177,7 Hz par un hélico optique. Les tubes fluorescents ont servi de source de lumière de biais. Le DUT était une cellule solaire à couches minces avec un absorbeur Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Bien que différents paramètres de mesure seraient choisis pour d'autres DUT, les lignes directrices générales décrites ici pour trouver des paramètres appropriés sont valables pour une variété de DUT tels que les cellules solaires avec différentes couches d'absorbeur ou nanofils. L'AP a été utilisé avec un facteur d'amplification de . Les effets discutés ici s'appliquent également à d'autres préamplificateurs. Si rien d'autre n'est spécifié, le déroulage du filtre à faible passage de la LIA était de 48 dB/oct.

Les sections suivantes (f)-(i) montrent des résultats exemplaires pour afficher les possibilités et les défis des mesures XBIC en conjonction avec d'autres modes de mesure. Dans (f), des défis spécifiques des mesures XBIC en mode de balayage de mouche sont discutés. Dans (g), les mesures XBIC et XRF d'une cellule solaire CIGS sont combinées, et l'effet de l'amplification de verrouillage est discuté avec la tension de biais appliquée. Dans (h), XBIV est ajouté comme mode de mesure pour une cellule solaire CIGS. Dans (i), xBIC et les données de composition de XRF d'un nanofil CdS sont montrées. Pour toutes les mesures XBIC dans les sections (f) à (i), nous avons utilisé un PA et un LIA tel que spécifié dans le tableau des matériaux et des réactifs.

a) Modulation du signal entrant

La figure 3 montre la réponse DUT préamplifiée mesurée par une portée sans (rangée supérieure) et avec la lumière de biais (rangée inférieure) activée. Comme le PA convertit les courants en tensions, le signal affiché est en volts. Il est négatif en raison du contact de la cellule solaire, avec les contacts de type p et n connectés au bouclier et au noyau de l'entrée de l'AP, respectivement. Dans les mesures XBIC, le contact de la cellule solaire est régi par l'échouement nécessaire du contact frontal, tel que discuté à la section 1.3.6. du protocole.

En comparant la figure 3A et la figure 3D, nous notons un signal de compensation de l'ordre de 8 mV qui est déplacé à -65 mV en allumant la lumière de biais des tubes de fluorescence. En outre, la variation du signal sur des échelles de temps courtes est considérablement améliorée par la lumière de biais. Une telle compensation de biais d'environ 70 mV peut s'avérer problématique, en raison des limites dans la gamme d'acceptation de l'AP et de la LIA. Comme nous aimerions utiliser la gamme complète de l'AP, un petit décalage comme dans la figure 3A-C est préférable. Par conséquent, toutes les sources de biais involontaire, comme l'éclairage ambiant, devraient être éliminées.

L'ajout d'une source de photon haché, telle qu'elle est affichée dans la figure 3B,C,E,F, augmente le signal induit par la même quantité - environ 66 mV - pour la lumière avec et sans biais, lorsque le faisceau passe à travers la lame de l'hélico; lorsque le faisceau est bloqué par la lame, le signal reste au niveau du décalage respectif, comme prévu. La fréquence de l'hélico est distincte dans le signal de la figure 3B et 3E avec une période de ms.

Dans la figure 3D-F, nous notons une modulation supplémentaire à une fréquence de 90 kHz. La source de cette modulation à haute fréquence est le ballast électronique du tube fluorescent, qui est entraîné à 45 kHz. Bien que l'amplification de verrouillage soit capable de différencier les contributions des différentes fréquences de modulation, comme le montrera la figure6, la réduction du signal sonore est primordiale pour une bonne mesure. La lumière ambiante n'est qu'une source possible, mais d'autres appareils électroniques peuvent également induire du bruit, qui serait ensuite superposé au signal. Notez que la lumière de biais n'est pas toujours un bruit indésirable, mais souvent la lumière de biais est appliquée exprès pour définir le DUT dans des conditions d'exploitation.

Dans la figure 3B,C,E,F, nous notons en outre que la réponse du DUT lors du changement de l'intensité de l'irradiation est retardée. Ces effets de temps d'élévation seront discutés plus en détail dans la section suivante et proviennent ici de deux effets distincts : premièrement, l'augmentation et la diminution abruptes de la réponse du DUT sur la modulation 2177.7-Hz est retardée par le filtre de passage bas dans l'AP. Deuxièmement, le signal continue d'augmenter ou de diminuer à des échelles de temps plus lentes (p. ex., visibles entre 0,68 et 0,80 m s dans la figure 3C),que nous attribuons à la cinétique d'occupation des états défectueux de la cellule solaire.

b) Pré-Amplification

L'AP amplifie non seulement le signal modulé du DUT, mais peut modifier considérablement sa forme d'onde. Comme indiqué ci-dessus, les contacts de la cellule solaire sont tels qu'une tension négative est mesurée lors de l'illumination. Aucune lumière de biais n'a été ajoutée pour les mesures indiquées à la figure 4.

Les mesures ont été prises avec des temps d'élévation de filtre croissants pour démontrer leurs effets quand la force d'amplification est maintenue constante. Dans de nombreux cas, les temps d'élévation du filtre sont couplés au matériel à l'amplification. Plus l'amplification est forte, plus le temps de réponse est long, et plus la fréquence de coupure du filtre à passage bas dans le PA36,37.

Avec un temps d'élévation du filtre de 10 degrés comme dans le panneau supérieur de la figure 4, le signal est à peine retardé, s'étend sur la plage nominale de pointe à pic d'environ 10 mV à -65 mV, et atteint des plateaux aux valeurs maximales. Avec un temps d'élévation du filtre de 100 degrés, les effets de retard sont visibles dans le signal modulé, mais la modulation est toujours distincte et l'amplitude est dans une plage similaire à celle de 10 euros. Un temps d'élévation du filtre de 1 ms est plus long que la période de modulation (0,46 ms). Par conséquent, la modulation est supprimée aux amplitudes inférieures à 10 mV et la forme reflète seulement le début du bord montant et tombant, qui n'est évidemment pas adapté aux mesures quantitatives de XBIC. Cette connexion entre gain et temps d'élévation du filtre doit être gardée à l'esprit en particulier pour la combinaison de fréquences de modulation rapide, avec une forte amplification.

c) Mélange de signaux

La principale différence entre l'amplification standard du signal et l'amplification de verrouillage est le mélange du signal DUT avec un signal de référence et la suppression subséquente des hautes fréquences par un filtre à faible passage.

La trajectoire du signal pour le mélange est représentée dans la figure 5. Pour la discussion du mélange de signaux, quelques simplifications sont faites. Le signal de référence peut être décrit comme un signal sinusoïdal

(6) ,

est l'amplitude et est la fréquence de modulation du signal de référence. Le signal modulé du DUT introduit dans la LIA peut être représenté de la même manière que

(7) ,

est l'amplitude et est la fréquence de modulation du signal DUT, et est un décalage de phase du signal DUT au signal de référence.

Après (1) et (2), le signal mitigé est :

(8) .

La fréquence de modulation du DUT est la fréquence de référence, . Par conséquent, le principe trigonométrique

(9) 

peut être utilisé pour réécrire comme la somme de deux termes avec des fréquences différentes:

(10) .

Le filtre à faible passage atténue le signal rapide de telle sorte que le signal amplifié de verrouillage peut être approximatif38,39

(11) .

Le signal DUT mélangé au signal de référence est appelé la composante en phase, et le signal DUT mélangé avec la référence décalée de 90 degrés est appelé la composante quadrature :

(12) 

(13) .

De Eq. (12) et (13), l'amplitude RMS

(14)

ainsi que la phase

(15)

du signal mélangé peut être obtenu avec la fonction tangente d'arcus de deux-argument. Beaucoup de LIA ont une phase interne ajuster à zéro pendant les mesures.

d) Fréquence de filtre à faible pass

La figure 6 montre l'effet de la lumière de biais et des différents paramètres de filtre à faible passage sur l'amplitude RMS amplifiée par verrouillage, . Nous avons utilisé une LIA qui nous a permis d'enregistrer le signal résultant de différents paramètres de filtre simultanément.

La fréquence de coupure d'un filtre à faible passage définit la fréquence, à laquelle le signal est atténué à 50%. Tandis que les fréquences inférieures sont transmises, les fréquences plus élevées sont supprimées. Figure 6A,E montrer le signal direct avec 466,7 kHz, qui effectivement n'élimine pas le bruit ou les modulations de basse fréquence, mais les laisse passer avec le signal brut. La conversion du signal brut préamplifié à l'amplitude  RMS conduit à un facteur supplémentaire de fréquences suffisamment inférieures. Par exemple, une tension d'entrée constante de est sortie comme .

Alors que la compensation moyenne de la figure 6E est négligeable sans biais léger (en moyenne 2 mV), elle passe à une moyenne d'environ 75 mV avec biais léger (Figure 6A). La différence est d'une résistance comparable entre la figure 3A et la figure 3D, mais attention au fait qu'il s'agissait de mesures distinctes. Dans les deux cas, l'arrêt de la source de hachage entraîne  une augmentation significative de la variation de pointe à pic correspond à la variation de pointe à pic du signal brut indiqué dans la figure 3B et la figure 3E .

Dans la figure 6B,F, l'amplitude RMS est affichée après l'utilisation d'un filtre à faible passage avec 1000 Hz. Encore une fois, on peut observer une compensation dans la figure 6B en raison de la lumière de biais, mais la compensation est plus petite avec environ 18 mV en moyenne. Ce décalage est causé par la modulation de 100 Hz de la lumière fluorescente, alors que la modulation de 90 kHz est bloquée par le filtre à faible passage. En outre, le niveau de bruit de l'état de « faisceau sur » est toujours significatif avec une variation de pointe à pic autour de 46 mV, tandis que la valeur moyenne du signal s'élève à 32 mV. Sans lumière de biais (Figure 6F) la variation de pointe à pic s'élève à environ 17 mV pendant le « faisceau sur » avec une valeur moyenne de 23,5 mV. Le décalage moyen pendant le « faisceau hors » est inférieur à 0,5 mV. Ces mesures montrent que la combinaison d'un filtre à faible passage avec 1000 Hz et d'une fréquence de hachage de 2177,7 Hz n'est pas idéale : le signal transportant la fréquence de modulation n'est que partiellement supprimé mais pas entièrement supprimé par le passage bas filtre. La partie restante conduit à des variations  significatives de pic à pic de l'état de « faisceau sur ». Lorsque la lumière de biais est présente, la modulation de 100 Hz due à la fréquence nette des lampes de fluorescence augmente encore les valeurs de pointe à crête.

Dans la figure 6C,G, l'influence de la lumière de biais peut être considérée comme minime : le filtre de 10,27 Hz coupe la plupart du bruit et la modulation de la lumière fluorescente, et un signal clair induit par le faisceau peut être extrait. Bien qu'à peine visible ici, le décalage et la propagation du bruit sont encore légèrement plus grande avec la lumière de biais. Cela peut être causé par la lumière parasite passant à travers la roue de l'hélico sur le DUT. Par conséquent, il est conseillé de mettre en œuvre l'hélico loin en amont pour éviter la modulation de la lumière parasite.

Figure 6D,H sont un zoom dans le changement de «faisceau sur» à «faisceau off» après 6 s dans la figure 6B,C,F,G, respectivement. La modulation superposée à 100 Hz (fréquence des lampes à fluorescence) est visible dans la figure 6D pour le filtre à faible passage avec 1000 Hz. Notez également le retard dans le signal après le filtre avec 10,27 Hz par rapport au signal après le filtre avec 1000 Hz, lorsque le faisceau est éteint. Semblable à l'affaire pour les temps d'élévation lente de l'AP, faible du filtre à faible passage dans le LIA provoquer une adaptation plus lente des changements de signal.

Au total, nous avons constaté qu'un filtre à faible passage avec 10,27 Hz et un roll-off de 48 dB/oct (voir la section suivante) offre dans ce cas le meilleur compromis entre la vitesse de numérisation rapide (en faveur de valeurs élevées) et la suppression de la lumière ou du bruit de biais (dans faveur de faibles valeurs, surtout en dessous de la fréquence du réseau 50 Hz).

e) Déroulant le filtre Low-Pass

Comme beaucoup d'amplificateurs de verrouillage numérique, le modèle qui a été utilisé ici emploie ce que l'on appelle discret-temps filtres RC ou des filtres de fonctionnement exponentiel moyenne dont les caractéristiques sont très proches de celles d'un filtre antirésistant-condensateur analogiqueRC 40. Mis à part la fréquence de coupure de filtre qui a été discutée dans la section précédente, il n'y a qu'un seul paramètre libre, l'ordre de filtre, qui définit la pente de la coupure comme dB/oct.

La figure 7A montre l'effet de l'ordre du filtre sur l'atténuation dépendante de la fréquence pour différentes fréquences de coupure qui correspondent aux constantes temporelles ms et ms. Les constantes temporelles entre ces deux extrêmes conviennent à la plupart des XBIC Mesures. L'atténuation du filtre a été calculée40 dans le domaine de fréquence comme valeur absolue au carré de la fonction de transfert complexe

(16) 

en fonction de la fréquence et d'un filtre d'ordre avec un temps constant. Les fonctions de transfert des filtres d'ordre supérieur sont obtenues par la multiplication des fonctions de transfert des filtres individuels connectés en série. Semblable à , nous définissons et comme les fréquences, à laquelle l'atténuation est de 5% et 95%, respectivement. Le produit de ces fréquences et est constant et donné dans le tableau 1 pour la conversion entre les fréquences de coupure et le temps de filtre constant.

Dans le domaine temporel, la réponse du filtre pour est recursivement calculée à partir d'un signal d'entrée qui est défini à des moments discrets, , etc., espacé par le temps d'échantillonnage :

(17) 

La réponse des filtres avec est calculée par itération multiple d'Eq. 17 avec calculé à partir et . La réponse du filtre à une fonction d'étape croissante (à 0) et décroissante (à l'époque) est indiquée dans la figure 7B pour les commandes de filtre 1 à 8, en fonction du temps dans les unités de . Notez que la réponse est retardée en ce qui concerne le signal d'entrée et que ce délai augmente avec . Le délai est quantifié dans le tableau 1 au fur et à mesure que le temps est atteint, et , dans lequel le signal transmis atteint 5 %, 50 % ou 95 %, respectivement.

Le choix du bon désachemin du filtre est aussi critique que la fréquence de coupure lors de la conception de l'expérience. Dans l'application 1 présentée dans la section (g), des mesures XBIC de haute qualité ont été obtenues avec une fréquence d'hélico de 1177 Hz, un temps d'arrêt de 100 met et une fréquence de coupure de 40 Hz à l'ordre du filtre 8. Avec les chiffres du tableau1 , cela se traduit par , et . Ce temps est considérablement plus court que le temps d'attente de telle sorte qu'aucun retard-artefacts ne sont introduits.

f) Correction du temps d'habiter

Dans les mesures classiques en mode step, l'étape de numérisation passe à la position nominale, et le début de la mesure à cette position de pixel est déclenché après que la position précise est atteinte. Pour les temps d'attente courts, le temps de décantation devient limitatif pour le temps global d'analyse, ce qui motive ce que l'on appelle les modes de balayage de mouche ou de mesure continue : là, l'étape de balayage se déplace continuellement, et les données de mesure sont attribuées aux pixels avec le codé poste en post-traitement. Toutefois, cela peut entraîner d'autres problèmes, comme le montre la figure 8. Dans ce cas, les moteurs de l'étape de l'échantillon ne se déplaçaient pas uniformément dans la direction, ce qui a entraîné des temps d'attente variables par pixel (voir la figure 8A). Les variations du temps d'atbese se traduisent directement par des variations dans les mesures XBIC, comme on le voit dans la figure 8C. Par conséquent, le signal XBIC doit être normalisé au moment de l'arrêt, dont les résultats sont indiqués dans la figure 8D. De même, les variations de l'intensité du faisceau (affichées dans la figure 8B)doivent souvent être prises en compte par la normalisation du flux de photons. Le signal XBIC normalisé au flux de photons peut être vu dans la figure 8E; pour une erreur minimale sur la quantification xBIC absolue, le flux de photon lui-même a été normalisé à sa valeur médiane. La figure 8F montre la carte XBIC normalisée au moment de la vie ainsi qu'au flux de photons, ce qui a réduit l'impact de la plupart des artefacts de mesure. Enfin, la figure 8G montre les données XBIC après la conversion d'un taux de comptage au courant à l'aide d'Eq. (1).

g) Application 1: XBIC d'une cellule solaire avec tension de biais et XRF

La figure 9A-B montre l'impact de l'amplification de verrouillage sur le rapport signal-bruit dans les mesures de courant induites par le faisceau de rayons X. Le clin d'œil du signal direct est évident dans la figure 9A: les contrastes d'intensité forte d'une ligne à l'autre sont indicatifs d'artefacts de mesure, et les fines variations XBIC du DUT sont enfouies dans le signal changeant arbitrairement. D'autre part, ces caractéristiques fines sont clairement visibles dans la figure 9B. Notez que le niveau de bruit dans la figure 9A est exceptionnellement élevé pour des raisons inconnues malgré l'optimisation de la configuration avant les mesures. Dans de tels cas, l'amélioration du rapport signal-bruit par amplification de verrouillage est considérablement plus élevée que dans les cas de rapport signal-bruit déjà élevé avec l'amplification standard (p. ex., application 3 dans la section (i)), où l'amplification de verrouillage ne ferait que conduire à des améliorations marginales.

Avec l'AP, des tensions de biais avant (figure9C) et inverses (figure9D) de -50 mV et de 50 mV, respectivement, ont été appliquées à l'échantillon et à la zone de la figure 9A-B rescanné. Les caractéristiques dominantes visibles dans la figure 9B sont encore visibles dans la figure 9C et la figure 9D, mais elles sont moins distinctes car les cartes sont plus bruyantes. C'est parce que l'application de tension de biais ou de lumière de biais induit un courant direct qui est souvent des ordres de grandeur plus grand que le signal xBIC modulé. En fin de compte, le rapport entre le signal direct et le signal modulé limite l'applicabilité de l'amplification de verrouillage. Malgré le faible rapport signal-bruit, il convient de souligner que l'amplification de verrouillage permet la cartographie de la performance des cellules solaires à l'échelle nanométrique avec la tension de biais et la lumière de biais appliquée, ce qui ne serait guère possible autrement30.

Comme la performance de la cellule solaire CIGS est corrélée à la composition de la couche d'absorbeur7,41, nous avons mesuré le signal XRF simultanément avec le XBIC. Dans la figure 9E-F, les concentrations de Ga et In sont présentées. Les deux éléments font partie de la couche d'absorbeur et leur rapport est considéré comme d'une grande influence sur la performance de la cellule solaire7. Les statistiques de Ga sont beaucoup plus grandes que pour In, qui est due au coefficient d'absorption plus élevé et moins d'auto-absorption à l'énergie d'excitation de 10,4 keV. En raison des statistiques faibles, les caractéristiques de la carte In sont presque invisibles, tandis que la concentration de Ga est suffisamment claire pour être corrélée avec les performances électriques de la figure 9B. Pour un plus élevé Dans le signal, on pourrait choisir des temps d'attente plus longs ou choisir une énergie d'absorption avec plus grande Dans la section transversale d'absorption. Cela illustre l'importance d'un temps d'arrêt suffisamment long ainsi que l'adaptation de l'énergie du faisceau aux éléments d'intérêt.

Avec de longues périodes d'attente et de grandes cartes, un autre point doit être gardé à l'esprit: lors de mesures couvrant plusieurs heures, la dérive de l'échantillon peut devenir un problème critique. Les fluctuations thermiques (en particulier après le changement d'échantillon ou les grands mouvements moteurs avec une faible dissipation de la chaleur) et l'instabilité des composants mécaniques de l'étape entraînent souvent une dérive de l'échantillon, comme on peut le voir en comparant les positions verticales de la figure 9D et Figure 9B.

h) Application 2: XBIC d'une cellule solaire avec XBIV et XRF

La figure 10 montre un balayage multimodal d'une cellule solaire CIGS, où la cellule est exploitée en court-circuit mesurant XBIC à la figure 10A, et en état de circuit ouvert mesurant XBIV à la figure 10B. La mesure XRF montrée dans la figure 10C a été prise simultanément avec la mesure XBIV. Pour recueillir suffisamment de nombres de XRF, le temps d'arrêt par pixel était de 0,5 s pour la figure 10B-C par rapport à 0,01 s dans la figure 10A. En conséquence, une fréquence de coupure plus faible dans le filtre à faible passage pour la mesure XBIV pourrait être utilisée par rapport à la mesure XBIC (10,27 Hz vs 501,1 Hz, tous deux avec le roulis 48 dB/oct). Pour les seules mesures XBIV, nous aurions pu utiliser les mêmes réglages de filtre de temps d'occupation et de faible passage que pour la mesure XBIC avec un rapport signal-bruit similaire. Cependant, il était globalement plus efficace en temps de combiner XBIV avec des mesures XRF avec la mesure XRF régissant le temps d'arrêt, que d'effectuer des mesures séparées XBIV et XRF.

En comparant la figure 10A, et la figure 10B, nous notons que le courant court-circuit , mesuré comme XBIC, et la tension du circuit ouvert , mesurée comme XBIV, sont corrélés : de grandes zones à haut et à faible rendement sont visibles dans les deux modes de mesure. Cela indique que les variations d'épaisseur locales et/ou la recombinaison dominent la performance ici, plutôt que les variations de bandgap, ce qui conduirait à des tendances opposées dans XBIC et XBIV28.

De plus, en tenant compte de la figure 10C, on peut voir que certaines zones à faible rendement, comme le taux de numération de Cu, sont corrélées avec le taux de comptage Cu, alors que le rendement n'est pas corrélé avec le taux de comptage cu dans d'autres domaines.

(i) Application 3: XBIC et XRF d'un Nanowire

Au-delà des cellules solaires, les nanofils contactés24 ou nano-feuilles, ainsi que les points quantiques, sont d'autres exemples de DUT qui peuvent bénéficier de verrouillage des mesures XBIC amplifiées. Pour la démonstration, la figure 11A montre la distribution élémentaire des mesures XRF, et la figure 11B la carte XBIC correspondante d'un nanofil CdS. Les deux contacts établis avec Pt et le fil CdS sont clairement distinguables, et le signal XBIC montre une réponse électrique correspondante. Particulièrement remarquable est le fait que XBIC peut dévoiler la performance électrique du nanofil sous le contact Pt, qui est unique aux nanosons à rayons X et attribuable à la profondeur de pénétration élevée des rayons X durs. La complémentarisation de la composition des matériaux et des propriétés électriques du nanofil démontre de façon exemplaire les avantages des mesures multimodales des rayons X.

Figure 1
Figure 1 : Configuration des mesures de courant induitparparépar par le faisceau de rayons X (XBIC) sur un appareil en cours d'essai (DUT). Le chemin de faisceau est représenté en rouge. Les formes vertes indiquent la fluorescence de rayon X facultative (XRF) et les détecteurs de secteur pour des mesures multimodales, le jaune indique la lumière facultative de biais. Les composants matériels pour les mesures XBIC sont de couleur noire, tandis que les trajectoires de signal XBIC sont bleues avec des sorties de signal et des entrées indiquées sous forme de cercles remplis et vides, respectivement. Avant l'acquisition de données (DAQ), le signal DC (courant direct) et AC (courant alternatif) est converti d'une tension à une fréquence (V2F). Pour les chemins de signalisation alternatifs, nous nous référons à une partie (a) de la section de discussion. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Exemple d'un support d'échantillon cinématique optimisé pour les mesures multimodales de microscopie à rayons X, y compris le courant induit par le faisceau de rayons X. De minces fils de cuivre sont montés sur les contacts avant et arrière d'une cellule solaire Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) avec de la peinture argentée, et connectés aux contacts PCB. Le ruban polyimide est utilisé pour séparer les fils, évitant ainsi le court-circuit de l'échantillon. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Réponse préamplifiée des cellules solaires à l'irradiation avec la lumière de biais et le faisceau modulé. Rangée supérieure sans lumière de biais, rangée inférieure avec la lumière de biais : A et D - faisceau outre de ; B et E - faisceau sur; C et F - zoomez sur le rectangle rouge de B et E. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Réponse des cellules solaires après pré-amplification avec trois temps d'élévation différents du filtre (10 degrés - bleu, 100 s - rouge, 1 ms - vert) dans le préamplificateur. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Traitement du signal par l'amplificateur de verrouillage31. est l'entrée de signal du DUT et est le signal de référence de l'hélico. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.   

Figure 6
Figure 6 : Amplitude RMS amplifiée par verrouillage avec des fréquences de coupure de filtre à faible passage 466,7 kHz (bleu), 1 kHz (violet), 10,27 Hz (rouge) et un arrêt constant du filtre 48 dB/oct. Le DUT était une cellule solaire Cu(In,Ga)Se2 avec (A, B, C, D) et sans (E, F, G, H) lumière de biais appliquée. Les heures où le faisceau de photon haché a été allumé et éteint sont indiqués dans les figures comme des lignes verticales pointillées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.  

Figure 7
Figure 7 : Effet des réglages de filtre à faible passage dans l'amplificateur de verrouillage. A - Atténuation par le filtre à faible passage dans le domaine de fréquence pour deux constantes de temps (ms et ms) et pour les commandes de filtre 1 à 8. B - Réponse de signal transmise du filtre de passage bas dans le domaine de temps, dans les unités du temps constant, pour les ordres de filtre 1 à 8 sur le changement d'étape-comme du signal d'entrée de 0 à 1 au moment 0 et de 1 à 0 à la fois. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.  

Figure 8
Figure 8 : Mesure de balayage de mouche d'une cellule solaire Cu(In,Ga)Se2 à la ligne de faisceau P06 à PETRA III, prise à 15.25 keV d'énergie de photon avec un flux focalisé d'environ ph/s. L'AP a   été utilisé avec 106 V/A, et le LIA avec Hz (48 dB/oct). A - temps d'habiter, B - flux de photon, C - faisceau de rayons X induit le courant (XBIC); Carte XBIC normalisée à: D - temps d'attente, E - flux de photon normalisé à sa valeur médiane, F - temps d'attente et flux photon normalisé. G - signal XBIC normalisé après conversion du taux de comptage au courant à l'aide d'Eq. (1). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 

Figure 9
Figure 9 : Mesures du courant induit par faisceau x (XBIC) et de la fluorescence des rayons X (XRF) d'une cellule solaire Cu(In,Ga)Se 2, prise à la ligne de faisceau ID16B à l'installation européenne de rayonnement synchrotron avec un flux focalisé de l'ordre de ph/s. Le PA a été utilisé avec V/A, le LIA avec Hz (48 dB/oct). L'énergie du faisceau était de 10,4 keV, la fréquence de l'hélico était de 1177 Hz, et le filtre à faible passage coupé à 40 Hz. Le temps d'assise était de 100 ms et la taille du pixel était de 40 nm x 40 nm. Les cartes A, B, E et F ont toutes été prises en même temps; C et D sont repris après 50 min et 113 min, avec 50 mV avant et la tension de biais inverse appliquée, respectivement. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.      

Figure 10
Figure 10 : Mesure multimodale d'une cellule solaire Cu(In,Ga)Se 2, prise à la ligne de faisceau P06 à PETRA III avec un flux focalisé d'environ ph/s. L'énergie du faisceau était de 15,25 keV, la fréquence de l'hélico était de 8015 Hz, et la taille du pixel 50 nm x 50 nm. A - Rayon X faisceau induit courant (XBIC) mesurée avec un temps d'arrêt de 0,01 s, un PA avec 106 V/ A, et une LIA avec Hz (48 dB/oct); B - Tension induite par le faisceau de rayons X (XBIV) couvrant la même zone que le panneau A, mesurée avec un temps d'arrêt de 0,5 s et une LIA avec Hz (48 dB/oct); C - Taux de comptage Cu à partir d'une mesure de fluorescence des rayons X (XRF), prise simultanément avec la mesure XBIV. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.         

Figure 11
Figure 11 : Mesure multimodale d'un nanofil CdS avec contacts Pt, prise à la ligne de faisceau 26-ID-C de la source de photon avancé avec une énergie de faisceau de 10.6 keV. A - Distribution de Pt et de Cd à partir d'une mesure de fluorescence aux rayons X. B - Mesure induite par le faisceau de rayons X (XBIC) prise simultanément avec la mesure XRF, sans amplification de verrouillage. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 

Table 1
Tableau 1: Pour les filtres RC discrets des commandes 1 à 8, le produit du temps constant et la fréquence, à laquelle le signal est atténué de 5% (), 50% (), et 95% (), , est constant et donné dans la partie supérieure . Dans la partie inférieure, le délai est donné, danslequel lesignal atteint 5%( ), 50% ( ), et 95% ( ), dans les unités du temps constant et de la fréquence de coupure inverse . S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier Excel.

XBIC XBIC EBIC (EBIC) LBIC (LBIC)
Capacité multimodale ++ + +
Résolution spatiale ++ ++ -
Profondeur de pénétration ++ -- +
disponibilité -- - +
Dommages de l'échantillon - -- ++

Tableau 2 : Évaluation qualitative du courant induit par le faisceau de rayons X (XBIC), du courant induit par le faisceau électronique (EBIC) et du courant induit par le faisceau laser (LBIC).

Discussion

Dans ce chapitre, nous discutons d'abord de la pertinence des paramètres de mesure xBIC généraux en ce qui concerne le bruit (a) et la vitesse de numérisation (b). Ensuite, nous mettons les mesures XBIC dans le contexte des mesures multimodales et discutons des aspects des dommages induits par les rayons X (c) et des défis spécifiques liés aux mesures simultanées de plusieurs paramètres (d). Enfin, nous comparons les mesures XBIC avec les mesures connexes à l'aide de faisceaux d'électrons et de faisceaux laser sous forme de sondes (e).

a) Bruit et erreur

Bien que l'amplification de verrouillage permette un rapport signal-bruit plus élevé par rapport à l'amplification directe, il est essentiel d'éviter l'introduction du bruit à tous les niveaux comme cela a été souligné à plusieurs reprises tout au long de ce manuscrit. Pour plus de discussion, nous nous référons à la littérature discutant de la mesure des petits signaux électriques42,43,44,45. Bien que les amplificateurs de verrouillage à la fine pointe de la technologie soient basés sur le traitement numérique du signal aujourd'hui, la plupart des stratégies visant à réduire le bruit à l'aide d'amplificateurs de verrouillage analogiques s'appliquent toujours.

En résumé, il convient de garder à l'esprit que les câbles sont enclins à agir comme des antennes et donc introduire du bruit dans le système. Cela est particulièrement vrai dans l'environnement des nanosondes à rayons X, où de forts champs électromagnétiques sont souvent inévitables, leurs sources peuvent même rester inconnues. Par conséquent, les câbles doivent être aussi courts que possible et orientés de telle sorte que le niveau de bruit induit soit réduit au minimum. Un blindage supplémentaire des câbles de signalisation peut réduire davantage le niveau de bruit.

Le contact approprié du DUT est tout aussi important pour la minimisation du bruit. Une méthode propre et robuste avec de petits points de contact est la liaison de fil. Pour les cellules solaires TF, cela ne fonctionne pas toujours en raison de problèmes d'adhérence. Alternativement, le ruban conducteur basé sur le graphite, le cuivre, ou l'aluminium est adapté pour de plus grands échantillons. Dans de nombreux cas, les meilleurs résultats sont obtenus avec l'application manuelle de peinture argentée pour contacter le cuivre mince, l'or, ou les fils de platine à l'appareil. Tandis que le ruban adhésif et la pâte de graphite pourraient ne pas donner le meilleur contact, la peinture argentée peut facilement court-circuiter l'appareil et doit être déposée avec le plus grand soin. Le ruban polyimide peut être utilisé pour empêcher le court-circuit du contact avant et arrière.

Notez que la disposition du câblage entre le contact et le transport du signal doit être adaptée aux conditions limites spécifiques à la ligne de faisceau. Par exemple, la disposition représentée à la figure 1 avec le signal préamplifié étant divisé à la LIA et aux convertisseurs V2F est risquée, si les convertisseurs V2F sont situés à l'extérieur de la huche. Dans ce cas, le long câble entre pré-amplificateur et convertisseur V2F peut capter le bruit qui est transféré à la LIA. Par conséquent, nous distinguons trois cas de voies de signal communes pour les mesures XBIC ou XBIV :

Cas A : XBIC est mesuré à l'aide d'un préamplificateur, et le signal DC/AC est divisé après l'AP tel qu'il est représenté à la figure 1. Dans ce cas, un décalage courant peut être appliqué dans l'AP de telle sorte que le signal est toujours positif, évitant la nécessité d'enregistrer le signal positif et négatif via deux convertisseurs V2F distincts. Comme inconvénient, ceci réduirait la gamme disponible d'acceptation de tension dans le LIA et conduirait à la sensibilité réduite.

Cas B : En évitant le fractionnement du signal préamplifié, qui n'est qu'une entrée à la LIA, un démodulateur supplémentaire peut être utilisé dans la LIA avec un filtre à faible passage à la valeur maximale (c'est-à-dire ne pas verrouiller la fréquence de modulation) de sorte que le le signal préamplifié peut être effectivement extradé vers l'unité DAQ, comme le démontre la figure 6A,E. Dans ce cas, un décalage de tension sur la sortie peut être appliqué à la fois le signal AC et DC, évitant la nécessité d'enregistrer le signal positif et négatif via deux convertisseurs V2F distincts. Cela n'a pas d'inconvénients majeurs en dehors d'une réduction de la plage de fréquence disponible de la V2F, qui est rarement limitante.

Cas C : XBIV est mesuré et le signal DC/AC est divisé entre le DUT et l'amplificateur de verrouillage. Dans ce cas, aucun décalage de tension sur le signal DC ne peut être appliqué sans appliquer une tension de biais indésirable sur le DUT, de sorte que toujours deux convertisseurs V2F distincts sont nécessaires pour les pièces de signal positif et négatif.

Dans tous les cas, lorsque les parties négatives et positives d'un signal sont enregistrées via deux convertisseurs V2F différents, le signal total XBIC ou XBIV est obtenu comme la différence entre le canal positif et négatif. Si une LIA avec deux démodulateurs ou plus est disponible, nous préférons généralement le cas B, car il minimise le câblage du signal brut et permet de passer facilement entre les mesures XBIC et XBIV.

L'erreur des mesures XBIC dépend fortement de l'équipement et des paramètres utilisés de telle sorte qu'aucune quantification d'erreur ne peut être donnée ici. L'erreur absolue est plus élevée que l'on pourrait s'y attendre en raison d'erreurs expérimentales et systématiques. Cela est particulièrement vrai si le signal XBIC est converti pour charger l'efficacité de la collecte en évoluant avec une constante comme décrit dans le protocole. Par exemple, la relation empirique entre l'énergie de bandgap et d'ionisation décrite par le ''''''''''' (voir Eq. 4) souffre d'une dispersion significative; les mesures de flux de photons ne sont souvent pas disponibles avec des erreurs absolues inférieures à 10 %; et la structure nanoscopique du DUT est mal connue. Cependant, nous soulignons que la force des mesures XBIC et XBIV amplifiées par verrouillage réside dans la grande précision relative dans les cartes ou les mesures comparables.

b) Vitesse de numérisation

Dans de nombreux modes de mesure qui sont basés sur la détection de photons tels que la diffusion De La XRF ou les rayons X, l'intensité du signal augmente de façon linéaire en première approximation avec le temps d'acquisition, avec en conséquence un rapport signal-bruit accru. Ce n'est pas le cas pour les mesures XBIC, où la fenêtre des vitesses de numérisation possibles n'est pas dictée par les statistiques de comptage, mais par des considérations plus complexes telles que la dynamique du transporteur et la structure de l'appareil.

Néanmoins, les mesures lentes avec de nombreuses périodes de signal modulé par pixel conduisent généralement au meilleur rapport signal-bruit dans les mesures XBIC amplifiées par verrouillage, et à l'échantillonnage excessif avec lissage pendant le post-traitement (par exemple en binning ou en appliquant filtres) peut réduire davantage les niveaux de bruit si le temps de mesure le permet. Toutefois, outre les considérations de débit, d'autres contraintes peuvent fixer des limites plus basses à la vitesse de mesure, notamment : (1) dégradation induite par les rayons X (voir la section suivante) ou des changements d'échantillons induits par l'environnement au cours de la période in situ. les mesures réduisent souvent le temps d'arrêt autorisé. (2) La dérive des échantillons et la reproductibilité des mouvements de stade peuvent être limitatives, en particulier pour les mesures à l'échelle nanométrique. (3) Les variations du niveau de bruit électromagnétique peuvent être dépassées par des mesures plus rapides. (4) Alors que les mesures de comptage des photons peuvent facilement être normalisées au flux de photon incident, le signal XBIC (et plus encore le signal XBIV) n'est que dans une certaine mesure linéaire au flux de photon incident28. Par conséquent, la normalisation du flux de photons ne compense qu'une partie des effets de la variation photon-flux, et il faut éviter de prendre des mesures XBIC (comme des cartes ou des séries chronologiques) alors que le flux est varié. Il s'agit d'un problème particulier lorsque l'anneau de stockage est rempli au cours d'une carte XBIC.

Si la vitesse de mesure XBIC n'est pas régie par d'autres modes de mesure (voir la section (d)), les mesures XBIC sont généralement prises avec la vitesse maximale qui fournit un rapport signal-bruit satisfaisant. Les limites supérieures de la vitesse de mesure sont fixées par les contraintes suivantes : (1) Une limite supérieure fondamentale à la vitesse de mesure est le temps de réponse du DUT. En fin de compte, le temps de réponse est limité par le temps de perception des frais. Pour la plupart des cellules solaires à couches minces avec des durées de vie de charge-porteur dans la gamme nano- ou microseconde, ceci est non critique, mais ceci doit être gardé à l'esprit pour les cellules solaires cristallines-silicium de haute qualité avec des durées de vie de plusieurs millisecondes. Cependant, les effets de capacité peuvent augmenter le temps de réponse également des cellules solaires de TF de telle sorte qu'il peut limiter la vitesse de mesure. (2) Les pales d'hélico rotatives utilisées pour moduler le faisceau de rayons X ont des limites de vitesse supérieures. Selon leur emplacement dans le faisceau de rayons X, la taille du faisceau peut être jusqu'à 1 mm de large, ce qui définit la période minimale de la lame. Si l'hélico est exploité dans le vide, la fréquence de rotation est rarement limitante, correspondant dans certains cas même à la fréquence électron-bunch. Cependant, le fonctionnement des hélicos à de telles vitesses dans le vide est difficile, de sorte que la plupart des hélicos sont exploités dans l'air. Dans ce cas, la vitesse de rotation est limitée par des vibrations mécaniques et, en fin de compte, par la vitesse de la partie la plus éloignée de la lame qui doit être plus petite que la vitesse du son. D'après notre expérience, la fréquence de hachage est souvent limitée à 7000 Hz dans l'air. (3) Dans de nombreux cas, le temps de réponse de l'AP fixe la limite supérieure de la vitesse de mesure. Comme le montre la figure 4, les temps d'élévation rapide de l'AP sont nécessaires pour traduire la modulation du signal de l'hélico. Pour une grande amplification, des amplificateurs de courant à faible bruit sont utilisés, qui ont des temps d'élévation allant jusqu'à 100 ms. Avec de tels temps d'élévation, la fréquence de hachage peut être limitée à peu de Hz, ce qui nécessiterait des temps d'attente de plusieurs secondes. Par conséquent, la meilleure stratégie est souvent de choisir une amplification plus faible par l'AP avec un temps de réponse plus rapide qui correspond à la fréquence de hachage. Bien que cela se traduise par des niveaux plus faibles de signal-bruit après l'amplification préalable, l'amplification de verrouillage peut souvent encore récupérer un signal modulé de haute qualité.

Par exemple, l'AP utilisée fournit une bande passante de plus de 10 kHz pour l'amplification dans la gamme A/V, même pour le réglage à faible bruit37. Cela permet de couper à la plage kHz et des vitesses de mesure jusqu'à la plage de 100-Hz avec un filtre à faible passage avec une fréquence de coupure entre la fréquence de numérisation et de hachage. Ce sont des conditions de mesure que nous utilisons souvent.

Pour éviter les artefacts de mesure, il est d'une importance cruciale d'analyser le signal le long de la chaîne d'amplification : alors que la limitation par le filtre à faible passage de la LIA peut facilement être détectée sous forme d'artefacts linéaires dans les cartes (enduire du signal XBIC sur plusieurs pixels), la réponse du système du DUT et PA nécessite l'inspection du signal par une portée, qui peut être intégrée dans la LIA.

c) Dommages aux faisceaux

Les dommages induits par le faisceau de rayons X sont un problème commun et ont été discutés pour beaucoup de systèmes, des échantillons biologiques aux cellules solaires de silicium et aux détecteurs46,47. Bien que les semi-conducteurs inorganiques soient généralement plus robustes contre l'irradiation des rayons X que les semi-conducteurs organiques ou les systèmes biologiques, les dommages induits par les faisceaux de rayons X sont également fréquents dans les cellules solaires à couches minces. Plus précisément, nous avons observé des dommages induits par le faisceau de rayons X des cellules solaires avec CdTe, CIGS29, perovskite18, et des couches d'absorbeur organique. Notez que la réponse électronique de DUT comme les cellules solaires est sensible aux concentrations de défaut s'insinuer au-dessous du niveau de ppm, où la recombinaison charge-porteur affecte la performance sans dommages chimiques apparents.

Par conséquent, il est généralement nécessaire de tester la sensibilité d'un DUT aux dommages de faisceau. Dans la pratique, nous évaluons la dégradation induite par le faisceau de rayons X de toute DUT avant les mesures Réelles de XBIC, et établissons des conditions qui permettent aux mesures d'être les moins influencées par les effets de dégradation.

Différentes stratégies existent pour faire face aux dommages induits par les rayons X, mais ce qu'ils ont tous en commun, c'est qu'ils visent à réduire la dose de rayonnement à un point de mesure avant l'évaluation de la performance là-bas. En d'autres termes, l'objectif est de dépasser la dégradation suivant le paradigme "mesurer plus vite que le DUT se dégrade". Les stratégies comprennent : (1) Utiliser de courts temps d'attente. (2) Augmenter la taille de l'étape, ce qui réduit la résolution de mesure. (3) Réduire l'intensité du faisceau de rayons X par des filtres d'atténuation. Selon la ligne de faisceau et le DUT, différentes approches peuvent être choisies ou une combinaison de celle-ci. Par exemple, l'absence de volets rapides ou de modes de balayage de mouche excluent (1), et les profils de faisceaux de rayons X à large diffusion tels que ceux générés par les plaques de zone peuvent conduire à une dégradation significative loin de la position du faisceau central.

Heureusement, la plupart des mécanismes de dégradation ne conduisent qu'à une recombinaison de charge use use localement améliorée. Cela limite l'effet latéral de la dégradation à la longueur de diffusion des porteurs de charge, et les mesures XBIC plus éloignées des zones dégradées restent presque inchangées. Si, au contraire, les mécanismes de dégradation conduisent à la shunting locale de la DUT, d'autres mesures XBIC seraient sérieusement entravées. Pour réduire au minimum la dose de rayonnement déposée, les mesures critiques doivent être effectuées d'abord sur un endroit frais, puis ensuite, les méthodes avides de photons, comme XRF, qui sont plus indifférents aux dommages de faisceau, peuvent être employées au même endroit.

d) Mesures multimodales

La compatibilité de XBIC avec d'autres modes de mesure permet une corrélation directe point par point de la performance électrique avec les paramètres évalués simultanément23. Ici, nous discutons sous peu de la combinaison des mesures XBIC avec les mesures XBIV, XRF, SAXS, WAXS et XEOL. La combinaison avec d'autres modes de mesure tels que le rendement électronique ou l'holographie peut facilement être imaginée, mais ces modes ne sont généralement pas compatibles avec les configurations ou les modes des mesures de numérisation.

Même si l'arrangement géométrique des détecteurs et des échantillons pour la mesure simultanée de XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS et XEOL est possible, il existe des aspects fondamentaux et pratiques interdisant l'évaluation simultanée de tous les modes.

(1) L'état de la cellule solaire interdit la mesure simultanée des mesures XBIC (circuit court) et XBIV (circuit ouvert). Comme XEOL48,49 mesure la recombinaison radiative des paires électrons-trous, un courant mesuré de la cellule solaire (XBIC) serait un processus concurrentiel. Par conséquent, les mesures XEOL sont généralement effectuées en circuit ouvert, ce qui est compatible avec les mesures simultanées XBIV.

(2) Si les dommages causés par le faisceau sont un problème pour les mesures XBIC ou XBIV, ils ne peuvent pas être combinés avec des techniques avides de photons telles que XRF ou XEOL. En règle générale, les effets de dommages de faisceau sont d'abord visibles dans le électrique (XBIC et XBIV) et les performances optiques (XEOL), étant sensibles à la recombinaison de charge-porteur par des défauts électroniques. Deuxièmement, des dommages structurels se produisent (visibles dans SAXS et WAXS), suivis d'une modification de la composition visible dans XRF.

(3) Bien que le hachage du faisceau de rayons X soit généralement compatible avec tous les modes de mesure, il peut conduire à des artefacts : premièrement, le flux photon intégré par pixel varie selon le flux intégré passant la roue de l'hélico en une période. Cet effet devient plus grand avec un rapport plus faible entre le hachage et la fréquence de balayage. Deuxièmement, l'interaction entre la roue de l'hélico et le faisceau de rayons X peut conduire à des photons dispersés, diffarés et fluorescents. Troisièmement, le flux de photons intégré est réduit de 50 %, ce qui est particulièrement critique pour les modes de mesure avides de photons.

En conséquence de ces considérations, le schéma de mesure idéal dépend de la DUT donnée et de la priorisation des modes de mesure. Cependant, il est souvent sage de commencer par une mesure optimisée pour XBIC. Si le XBIV amplifié par verrouillage est nécessaire, il s'agit généralement de la deuxième analyse. Dans le cas contraire, l'hélico peut être enlevé, et toutes les autres mesures, y compris la norme XBIV, peuvent être effectuées avec plus de temps d'habitacle comme requis pour la technique la plus avide de photons. Idéalement, les données XRF sont mesurées au cours de toutes les scans, ce qui permet l'enregistrement d'images en post-traitement pour tenir compte de la dérive de l'échantillon.

e) Différentes sondes pour les mesures induites par les faisceaux

Il existe des sondes alternatives aux faisceaux de rayons X pour l'évaluation des performances électriques résolues spatialement d'un DUT avec des avantages et des inconvénients spécifiques. Par conséquent, une comparaison qualitative de XBIC avec le courant induit par le faisceau électronique (EBIC) et le courant induit par faisceau laser (LBIC) mesuré dans les microscopes électroniques ou avec des configurations optiques est donnée dans le tableau 2.

La génération de paires électrons-trous par laser se rapproche le plus de l'exploitation extérieure des cellules solaires. Cependant, la résolution spatiale de LBIC est fondamentalement limitée par la longueur d'onde du laser. Les mesures EBIC offrent une plus grande résolution spatiale qui est généralement limitée par le rayon d'interaction du faisceau d'électrons avec le DUT. Le principal inconvénient des mesures EBIC est leur sensibilité à la surface, entravant l'évaluation des performances de la couche absorbante à travers la pile de couches ou même dans les dispositifs encapsulés. En outre, les surfaces inégales du DUT en combinaison avec les effets d'émission secondaires-électrons non linéaires conduisent souvent à des résultats EBIC déformés. En revanche, les mesures XBIC souffrent à peine de variations topologiques, car la plupart des signaux sont générés profondément dans le matériau en vrac et les effets de charge de surface sont atténués par une mise à la terre appropriée.

Les trois techniques induites par le faisceau ont en commun que l'injection de charge est très inhomogène, avec un pic à la position du faisceau. En conséquence, la concentration excédentaire du porteur et la densité actuelle sont réparties de façon homogène. Dans une image simplifiée, la majorité de la cellule solaire fonctionne dans l'obscurité, et une petite tache fonctionne à un niveau d'injection élevé qui peut atteindre des centaines d'équivalents soleil pour les faisceaux focalisés. La distribution au niveau de l'injection dépend non seulement de la taille et de la forme du faisceau, mais aussi de l'énergie du faisceau, de la pile de l'appareil et de la structure temporelle de l'injection. Jusqu'à présent, le faisceau de rayons X a été traité comme un faisceau continu, ce qui est justifié pour les processus de collecte de charge-porteur qui sont plus lents que les microsecondes. Cependant, les rayons X de synchrotron-source se composent des impulsions de sous-100-ps avec des intensités et la fréquence d'impulsion selon le modèle de remplissage de stockage-anneau. Bien que nous n'ayons pas remarqué d'impact du modèle de remplissage sur des mesures XBIC relativement lentes, le niveau d'injection à court terme en dépend. En revanche, on peut utiliser la structure temporelle des rayons X : similaire comme cela a été démontré pour le XEOL21résolu dans le temps, on peut imaginer des mesures XBIC ou XBIV résolues dans le temps, ou verrouiller le signal XBIC/XBIV dans la fréquence électron-bunch.

Une discussion adéquate des conséquences des niveaux d'injection inhomogènes nécessite une simulation 3D complète de tous les paramètres pertinents du faisceau et de l'appareil, y compris la convolution du niveau d'injection dépendant du temps avec la mobilité 3D et la durée de vie dans le DUT, qui est au-delà de la portée de ce manuscrit. Cependant, il est conceptuellement le même pour toutes les mesures de courant et de tension induites par le faisceau et nous nous référons à la littérature discutant de la dépendance d'injection-niveau des mesures d'EBIC50 et de LBIC51.

Les conséquences négatives de l'injection de charge locale peuvent être atténuées expérimentalement par l'application de la lumière de biais avec l'intensité de 1 équivalent soleil, et l'excitation induite par le faisceau ajoutant seulement une quantité négligeable de porteurs de charge excédentaire. Dans la pratique, ce concept est technologiquement limité par la réserve dynamique de 100-120 dB dans les amplificateurs de verrouillage de pointe, ce qui correspond à un rapport signal-bruit de 105 à 106. Bien que cela suffise pour les appareils de taille comparable à la taille du faisceau, il ne permet pas l'application de la lumière de biais aux niveaux pertinents pour les dispositifs macroscopiques. La solution évidente est de diminuer la taille de l'échantillon. Malheureusement, cela est souvent limité par des effets de bordure électrique jusqu'à plusieurs centaines de micromètres au large de la frontière de l'échantillon ou des points de contact.

Notez également que l'on peut utiliser la dépendance au niveau de l'injection des mesures XBIC: similaire à EBIC et LBIC, l'exécution des séries de niveau d'injection en variant l'intensité du faisceau de rayons X peut révéler des informations sur les mécanismes de recombinaison dominantes et la charge diffusion transporteur52,53.

En conclusion, la profondeur de pénétration des rayons X combinée à la haute résolution spatiale fait de XBIC la technique la plus appropriée pour étudier le DUT avec des structures enfouies telles que les cellules solaires DEFO dans une approche de microscopie corrélative. Le rayon d'interaction des mesures XBIC est généralement plus petit que pour EBIC, et la résolution spatiale est souvent limitée par la longueur de diffusion des porteurs de charge. Le principal inconvénient des mesures XBIC est la disponibilité limitée des nanosondes à rayons X.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Nous remercions grandement J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Bràckner, J. Hagemann, K. Spiers, et T. Boese des Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) et A. Kolditz, J. Siebels, J. Flàgge, C. Strelow, T. Kipp, et A. Mews de l'Université de Hambourg pour l'Université de Hambourg de Hambourg mesures de soutien à la ligne de faisceau P06 à PETRA III, DESY; M. Holt, Z. Cai, M. Cherukara et V. Rose du Laboratoire national d'Argonne (ANL) pour les mesures à l'appui de la ligne de faisceau 26-ID-C à l'Advanced Photon Source (APS) de l'ANL; D. Salomon et R. Tucoulou de l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) pour soutenir les mesures à la ligne de faisceau ID16B à l'ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy et J. Bailey de MiaSolé Hi-Tech Corp., et E. Avancini, Y. Romanyuk, S. B'cheler et A. Tiwari des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux (EMPA) pour la fourniture de cellules solaires. Nous reconnaissons DESY (Hambourg, Allemagne), membre de l'association Helmholtz HGF, pour la fourniture d'installations expérimentales. Nous remercions l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (Grenoble, France) pour la fourniture d'installations de rayonnement synchrotron. Cette recherche a utilisé les ressources de l'Advanced Photon Source, un Bureau des utilisateurs scientifiques du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) exploité pour le DoE Office of Science par Argonne National Laboratory en vertu du contrat no. DE-AC02-06CH11357.

Materials

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

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