X-ray Beam geïnduceerde stroommetingen voor multimodale X-Ray microscopie van zonnecellen

Engineering
 

Summary

Een Setup voor X-Ray Beam geïnduceerde stroommetingen bij Synchrotron lijnen wordt beschreven. Het onthult de nanoschaal prestaties van zonnecellen en breidt de reeks technieken uit voor multimodale X-Ray microscopie. Van bedrading tot signaal-naar-ruis-optimalisatie, het is te zien hoe u State-of-the-art XBIC metingen uitvoert op een harde X-Ray microprobe.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

X-Ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC)-metingen maken het mogelijk om de nanoschaal prestaties van elektronische apparaten zoals zonnecellen in kaart te brengen. Idealiter wordt XBIC gelijktijdig gebruikt met andere technieken binnen een multimodale X-Ray microscopie benadering. Hier wordt een voorbeeld gegeven voor het combineren van XBIC met röntgenfluorescentie om de correlaties van de elektrische prestaties met chemische samenstelling op punt-voor-punt mogelijk te maken. Voor de hoogste signaal-ruis verhouding in XBIC-metingen speelt de lock-in-amplificatie een cruciale rol. Door deze benadering wordt de röntgenstraal gemoduleerd door een optische Chopper stroomopwaarts van het monster. Het gemoduleerde X-Ray Beam geïnduceerde elektrische signaal wordt versterkt en gedemoduleerd naar de Chopper frequentie met behulp van een lock-in versterker. Door het optimaliseren van low-pass filterinstellingen, modulatie frequentie, en amplificatie amplituden, kan ruis efficiënt worden onderdrukt voor de extractie van een duidelijk XBIC-signaal. Een soortgelijke Setup kan worden gebruikt om de X-Ray Beam geïnduceerde spanning (XBIV) te meten. Naast standaard XBIC/XBIV-metingen, kan XBIC worden gemeten met bias Light of bias voltage, zodat de arbeidsomstandigheden buitenshuis van zonnecellen kunnen worden gereproduceerd tijdens in-situ en operando metingen. Uiteindelijk maakt de multimodale en multidimensionale evaluatie van elektronische apparaten op nanoschaal nieuwe inzichten mogelijk in de complexe afhankelijkheden tussen samenstelling, structuur en prestaties, wat een belangrijke stap is op weg naar het oplossen van de materialen ' Paradigma.

Introduction

In een wereld waarin de vraag naar elektrische energie voortdurend toeneemt, is een schone en duurzame energiebron steeds noodzakelijk. Een mogelijkheid om deze eisen aan te pakken zijn fotovoltaïsche (PV) systemen1,2,3. Voor een gerichte en efficiënte manier om de volgende generatie zonnecellen te ontwikkelen, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe de samenstelling en structuur van de zonnecellen hun prestaties beïnvloeden4. Typische vragen in de ontwikkeling van zonnecel omvatten: welke soorten defecten zijn het meest schadelijk, en waar bevinden ze zich op5,6? Zijn er inhomogeniteiten in de Elemental Distribution, en wat is hun impact7,8,9? Hoe veranderen de zonnecellen bij module assemblage en veroudering van10,11?

Omdat een zonnecel slechts zo goed is als het zwakste deel, is het vooral belangrijk om het effect van de compositorische en structurele variatie op de prestaties in poly kristallijne zonnecellen die inherent zijn aan inhomogeneities7te begrijpen, 8. Dit geldt met name voor dunne film (TF) zonnecellen, die absorberende lagen met crystallite maten in het micrometer bereik bevatten. Hier is het effect van korrelgrenzen op prestaties van het hoogste belang, maar hun geringe omvang en het feit dat ze zijn begraven in een hele laag stack vormen unieke karakteriserings uitdagingen. Bovendien vereisen de complexe chemie van multicomponent absorberende lagen met co-bestaande fases en interne gradiënten geavanceerde karakterisatie methoden12.

Op Synchrotron gebaseerde hard X-Ray microscopen zijn in staat om de karakteriserings uitdagingen van TF-zonnecellen te beantwoorden: ze bieden X-Ray-spot maten tot op de nanometer schaal13,14,15,16 en de penetratie diepte van harde X-stralen maakt het mogelijk om de verschillende apparaatlagen te sonde17, met inbegrip van begraven absorberende lagen. Met een schat aan verschillende meettechnieken bij een Scanning X-Ray Microscoop wordt het mogelijk om tegelijkertijd niet slechts één, maar veel verschillende aspecten van zonnecellen binnen multimodale metingen te bestuderen en de waargenomen kenmerken te correleren. Zo zijn x-ray Beam geïnduceerde stroom (xbic)-metingen met succes gecombineerd met x-ray fluorescentie (XRF)7,18,19, X-Ray opgewonden optische luminescentie (xeol)20, 21, en röntgendiffractie (XRD)22 voor het correleren van de elektrische prestaties met de samenstelling, optische prestaties, en structuur, respectievelijk23.

Tijdens xbic-metingen van zonnecellen of andere apparaten die worden getest (DUT)24,25, zetten de incident Röntgen fotonen deeltjes douches op, bestaande uit elektronen en fotonen, resulterend in een veelheid van opgewonden elektronen gaten paren per incident X-Ray foton in het halfgeleidende absorberende materiaal. Tot slot koppelt het elektronen gat thermalize aan de randen van de zonnecel Absorber. Daarom kunnen deze X-Ray opgewonden laad dragers worden behandeld als charge carriers die worden gegenereerd door de absorptie van fotonen met energieën net boven de band kloof tijdens normale zonnecel werking, en de resulterende stroom of spanning kan worden gemeten als röntgenstraal Beam geïnduceerde stroom23,26,27 of voltage (xbiv)28,29 vergelijkbaar met meer gebruikelijke metingen zoals elektron-Beam geïnduceerde stroom (EBIC) of Laser-Beam geïnduceerde stroom (lbic). Bijgevolg hangt het XBIC/XBIV-signaal niet alleen af van de dikte van de absorberende laag, maar ook van de elektrische prestaties van de DUT, zowel op microscopisch als macroscopisch niveau, met inbegrip van de lokale band kloof, splitsing op Fermi-niveau en recombinatie. Zo zijn we in staat om lokale variaties van de charge-Carrier Collection efficiency die wordt gedefinieerd als de waarschijnlijkheid dat een extern opgewonden elektronen gat paar in de absorberende laag wordt verzameld op de elektrische contacten van de DUT in kaart te brengen.

Merk op dat alleen elektronen gaten paren die in de absorberende laag van de DUT worden gegenereerd, bijdragen aan het XBIC/XBIV-signaal. Charge carriers gegenereerd in andere lagen, zoals de metalen contacten of substraat zal onmiddellijk opnieuw te combineren, als ze hebben geen mogelijkheid om te worden gescheiden door de kruising. Daarom zijn andere lagen alleen van invloed op XBIC/XBIV-metingen via secundaire effecten zoals parasitaire Röntgen absorptie of de emissie van secundaire fotonen en elektronen die opnieuw kunnen worden geabsorbeerd in de absorberende laag. Alle lagen kunnen daarentegen mogelijk bijdragen aan het XRF-signaal.

Gezien het feit dat de XBIC en XBIV signalen kunnen klein zijn (vaak, variaties in de sub-picoampere en nano volt bereik zijn van belang), de signalen zijn gemakkelijk begraven in lawaai. Daarom hebben we voorgesteld om lock-in amplificatie te gebruiken om de XBIC-en XBIV-signalen te extraheren30. Hiertoe wordt de inkomende röntgenstraal gemoduleerd door een optische Chopper zoals aangegeven in figuur 1. Deze modulatie draagt bij aan het signaal dat door de DUT wordt geproduceerd. Voordat het signaal in de lock-in versterker (LIA) wordt gevoerd, wordt een voorversterker (PA) meestal gebruikt om de ruwe signaalintensiteit te matchen met het bereik van de analoog-naar-digitaal omzetter bij de ingang van de digitale LIA. De LIA mengt het gemoduleerde meetsignaal met het referentiesignaal. Door het gebruik van een low-pass filter, alleen frequenties dicht bij het referentiesignaal worden doorgegeven en versterkt31. Dit zorgt voor een effectieve extractie van het XBIC-of XBIV-signaal vanuit een lawaaierige achtergrond.

In het protocol introduceren we de voorwaarden en bewegingen die nodig zijn voor het nemen van succesvolle XBIC-metingen, inclusief het onbewerkte signaal (gelijkstroom, DC) en het gemoduleerde signaal (wisselstroom, AC). Naast het beschrijven van technische details, bespreken we een XBIC-opstelling in de context van multimodale metingen bij beamline P06 bij PETRA III13. Houd er rekening mee dat, in vergelijking met de meeste laboratorium experimenten, de omgeving van hutten bij hard X-Ray nanoprobes specifieke planning en aandacht vereist. Specifiek, multimodale metingen met nanometer-schaal resolutie betwisten de experimentalisten met een verscheidenheid aan specifieke beperkingen. Bijvoorbeeld, elektronisch geluid is vaak aanwezig met grote amplitudes van piëzo-aangedreven motoren en andere apparatuur, zoals de voedingen van detectoren. Bovendien moet een veelheid aan apparaten en detectoren worden geregeld op een geoptimaliseerde geometrie zonder dat ze elkaar storen of trillingen induceren. Figuur 1 toont een typische opstelling voor xbic metingen in combinatie met XRF en kleine/brede hoek X-Ray verstrooiing (SAXS/waxs) metingen.

Protocol

1. de meet omgeving instellen

  1. Voorschriften voor het vergrendelen van versterkte XBIC-metingen
    1. Zorg ervoor dat u het volgende beschikbaar hebt: een X-Ray beamline met nano-of micro focus; een X-Ray Chopper die periodiek het merendeel van de röntgenstralen absorbeert; een PA; een LIA; modules voor afstandsbediening van de Chopper, PA en LIA; een Data Acquisition (DAQ) systeem; een DUT.
  2. Monsterhouder fabricage
    1. Gebruik een kinematische basis voor de monsterhouder. Dit maakt het mogelijk om samples opnieuw te positioneren binnen de precisie van de micrometer en bespaart waardevolle beamtime. Bovendien is het mogelijk om monsters te positioneren over verschillende meet platformen met verschillende montagesystemen.
    2. Ontwerp de monsterhouder zodanig dat het maximale vrijheid biedt om verschillende detectoren in de nabijheid van het monster te plaatsen, terwijl het ook compatibel is met röntgenstralen transparante monsters en meettechnieken zoals SAXS of WAXS. Typisch, dit vertaalt zich in minimale sample houder grootte, stijfheid tot de nanometer schaal en wordt lichtgewicht.
    3. Ontwerp een gedrukte printplaat (PCB) die als steun voor het elektronische apparaat voor XBIC-metingen moet worden gebruikt. Hoewel een speciale PCB met directe verbinding met een coaxiale kabel strikt genomen niet nodig is, kan het een belangrijke rol spelen bij de vermindering van ruis in vergelijking met losse bedrading, waarbij de draden fungeren als antennes.
      Opmerking: Idealiter zou een kooi van Faraday het monster beschermen tegen elektromagnetische velden. Dit is echter in de meeste gevallen niet compatibel met meet geometrieën.
  3. Voorbeeld contact opnemen
    1. Lijm de elektronische DUT op de PCB. Afhankelijk van de materialen en eisen voor het later verwijderen van de DUT, wordt het aanbevolen om nagellak, instant lijm, composiet lijm of silicium lijm te gebruiken.
    2. Zorg ervoor dat geen enkel montagedeel of bedrading het incident X-Ray Beam blokkeert noch de zichtlijn van andere detectoren die werkzaam zijn, zoals voor XRF-metingen belemmert.
    3. Neem contact op met beide terminals van de DUT.
      Opmerking: er zijn verschillende manieren om contact op te nemen met elektronische apparaten, en de beste keuze is afhankelijk van specifieke Voorbeeldeigenschappen, waarbij adhesie, chemische of mechanische weerstand en beschikbare ruimte argumenten zijn voor een of andere contactmethode.
    4. Sluit het voorste contact (het stroomopwaarts contact tegenover de incident X-Ray Beam) aan met het schild van de coaxiale kabel.
    5. Verbind het achtercontact (het stroomafwaartse contact) met de kern van de coaxiale kabel.
    6. Grond het voorste contact (afscherming van de coaxkabel).
      Opmerking: de inkomende straal leidt tot het uitwerpen van elektronen uit de DUT, wat leidt tot een compensatie stroom in het meetcircuit dat gemakkelijk verkeerd wordt geïnterpreteerd als XBIC. Daarom moet het front contact altijd gegrond zijn23. Het kan nodig zijn om verschillende aardings methoden te testen om de mogelijke variaties te minimaliseren.
    7. Beschouw Figuur 2 als een voorbeeld van een monsterhouder bestaande uit een kinematische basis, een aluminium houder en een PCB met een zonnecel die is aangesloten op een van de twee coaxiale connectors.
  4. Opstelling van monster en detectoren
    1. Monteer het monster op de houder.
    2. Monteer de monsterhouder op de monster fase.
    3. Plaats het midden van de rotatie van het podium in de focus van de röntgenstraal.
    4. Plaats het monster in het midden van de rotatie van de rotatie fase.
    5. Draai het podium zodanig dat het vlak van de interesse loodrecht staat op de incident straal om de voetafdruk van de bundel te minimaliseren en de ruimtelijke resolutie te maximaliseren.
    6. In het geval van multimodale metingen, plaats de detector (en) rond het monster.
      Opmerking: afhankelijk van de X-Ray optiek is er weinig ruimte om detectoren stroomopwaarts van het monster te plaatsen. Voor niet-Röntgen-transparante monsters moet de fluorescentiedetector naar het X-Ray scherpstelpunt onder een hoek van 10-20 ° naar het bemonsterings vlak kijken, zodat zelf absorptie voor de elementen van belang en tellingen van verstrooiing worden geminimaliseerd.
  5. Chopper installatie
    1. Monteer een gemotoriseerd podium, met de mogelijkheid om loodlijnen naar de röntgenstraal te bewegen, stroomopwaarts van het monster.
      Opmerking: Hoewel deze gemotoriseerde fase niet nodig is, kan de Chopper in en uit de röntgenstraal worden verplaatst zonder de Hutch in te gaan, waardoor een hogere doorvoer en meer stabiliteit mogelijk zijn.
    2. Installeer een optische Chopper op de gemotoriseerde fase om het binnenkomende signaal te moduleren.
      Opmerking: idealiter wordt de Chopper ver stroomopwaarts van het monster geplaatst, zodat het geen trillingen op de Röntgen optiek of het monster veroorzaakt door respectievelijk de motor of de lucht turbulentie. Niettemin zijn goede resultaten met trillingssamplitudes onder 100 nm verkregen met het Chopper wiel zo dicht als 10 mm aan het monster, terwijl het hakken bij > 6 kHz.
  6. Vermindering van achtergrondlicht
    1. Schakel lichtbronnen waar mogelijk uit in de Hutch en Bescherm alle andere, inclusief eventuele kleine lampjes op de LIA-en Chopper-wiel controller. Bij sommige beamlines is er een lampje dat wordt ingeschakeld wanneer de Hutch wordt doorzocht. Tijdens de meting mag dit licht echter niet blijven branden.

2. XBIC-metingen instellen

  1. Zie afbeelding 1 voor een schematische weergave van de benodigde hardwarecomponenten en bedrading.
  2. Instellen van een voorversterker
    1. Plaats een PA in de nabijheid van het monster.
      Let op: sommige Lia's hebben een geïntegreerde PA. In dit geval worden PA-instellingen op dezelfde manier toegepast als de instellingen voor de LIA.
    2. Sluit de PA aan op een besturingseenheid buiten de Hutch om de versterkingsinstellingen op afstand te kunnen wijzigen zonder de Hutch in te hoeven. Idealiter is de besturingseenheid verbonden met het beamline-besturingselement en worden de PA-instellingen automatisch vastgelegd.
    3. Schakel de PA uit van een Clean Power circuit.
      Opmerking: apparaten zoals vacuümpompen kunnen het stroomcircuit vervuilen en moeten daarom los van hoge precisie-elektronica zoals PA en LIA worden gevoed die variaties in de voeding naar het meetsignaal kunnen overdragen. Om deze reden hebben lijnen meestal schone en vervuilde stroomcircuits. Veel versterkers kunnen zelfs worden bediend met batterijen.
    4. Sluit het monster aan via de BNC-connector op de monsterhouder.
    5. Zorg ervoor dat de bedrading van de steekproef wordt belast, zodat het de monster bewegingen niet zal beperken.
    6. Breng een bias voltage aan via de PA als het XBIC-signaal niet wordt gemeten onder kortsluitomstandigheden. Breng geen bias voltage aan als het XBIV-signaal wordt gemeten onder open-circuit omstandigheden.
    7. Meet de signaalamplitude van de DUT onder meet condities (d.w.z. meestal in het donker) en onder de werkomstandigheden (bv. met kamer verlichting en beamline-Microscoop licht aan) om het signaalbereik te testen.
    8. Zorg ervoor dat de signaalamplitude van de DUT overeenkomt met het ingangsbereik van de PA en neem voorzorgsmaatregelen om oververzadiging te voorkomen onder hoge signaalomstandigheden (bijv. ingeschakeld op kamer licht), omdat oververzadiging de PA kan vernietigen.
    9. Zorg ervoor dat de gevoeligheid van de PA overeenkomt met het uitgangs bereik en het ingangsbereik van de LIA. Het is een goede gewoonte om de versterking van de PA bij de minimale gevoeligheid te houden wanneer er geen meting gaande is om onbedoelde oververzadiging te voorkomen.
    10. Sluit de DUT aan op de PA. Gezien de kleine signaalamplitude is het van cruciaal belang om de bedrading kort te houden.
      Opmerking: kabels die een XBIC-signaal hebben, mogen niet met andere kabels worden verweven, omdat dit ruis kan veroorzaken. Bronnen van lawaai omvatten Scanning stadia en detectoren zoals ze worden gebruikt voor XRF. Verschillende draad posities kunnen worden getest om ruis te minimaliseren. Voor verdere ruisonderdrukking kan de draad worden verpakt in geaarde aluminiumfolie of triaxiale kabels kunnen worden gebruikt.
    11. Splits het voorversterkte signaal in drie parallelle signaal takken om de DC (positieve en negatieve) en gemoduleerde AC-componenten afzonderlijk op te nemen.
      Opmerking: alternatieve signaalpaden worden vermeld in deel (a) van de sectie discussie.
    12. Verbind twee signaal takken met spanning-to-frequency (V2F) converters, waarvan er één met omgekeerd ingangssignaal bereik is om het negatieve DC-signaal te accepteren.
  3. Elektrische installatie van een lock-in versterker
    1. Sluit de LIA aan op een besturingseenheid buiten de Hutch om de versterkingsinstellingen op afstand te wijzigen zonder de Hutch in te hoeven. Idealiter is de besturingseenheid verbonden met het beamline-besturingselement en worden de LIA-instellingen automatisch opgenomen.
    2. Stroom de LIA van een Clean Power circuit en houd het op een afstand van mogelijk lawaaierige instrumenten.
    3. Zorg ervoor dat de uitvoer van de PA overeenkomt met de invoer van de LIA onder alle omstandigheden, als oververzadiging kan de LIA beschadigen. Het is een goede gewoonte om het bereik van de LIA-invoer maximaal te houden wanneer er geen meting gaande is om onbedoelde oververzadiging te voorkomen.
    4. Voer de modulatie frequentie van de optische Chopper als referentiesignaal in de LIA.
      Let op: de referentie frequentie kan ofwel worden geleverd door een oscillator van de LIA, het besturen van de Chopper en dus op afstand bedienen, of worden input van de Chopper controller als een verwijzing naar de LIA. Een combinatie van beide is ook mogelijk.
    5. Sluit de derde tak van het vooraf versterkte XBIC-signaal aan op de LIA-ingang.
    6. De root-mean-kwadraat (RMS) amplitude van de lock-in versterkt signaal als analoog AC signaal van de DUT.
      Opmerking: zoals  altijd positief is, is een splitsing van het signaal en het omkeren van één tak niet nodig, zolang de signaalinvoer op de V2F-Converter niet negatief is. Als de fase-informatie ook wordt geregistreerd, wordt aanbevolen om de fase in aanvulling op of de component in-Phase component en Quadrature uit te voeren.
    7. Verbind de uitgang van de LIA met een derde V2F kanaal.
    8. Verbind de V2F-omzetters met de DAQ-units en beamline-software om de drie XBIC-signaal componenten met bijbehorende tijd-en pixelinformatie op te slaan.
      Opmerking: er zijn alternatieve methoden voor V2F converters voor XBIC DAQ. De spanningsuitgang van PA en LIA kan bijvoorbeeld direct worden gedigitaliseerd, of digitale uitlezen van de versterkers kan worden geïntegreerd in het beamline-besturingssysteem. Echter, de gepresenteerde aanpak is compatibel met de meeste Synchrotron beamlines, zoals V2F converters algemeen beschikbaar zijn.

3. xbic metingen

  1. Kiezen voor goed geschikte XBIC meet condities
    1. Pas op voor de trade-off van scansnelheid, Chopper frequentie en low-pass filterinstellingen zoals verderop in het manuscript wordt besproken.
  2. Optimalisatie van XBIC-Meetparameters
    1. Zorg ervoor dat de DUT is afgeschermd van alle lichten in de Hutch.
    2. Stel alle amplificaties van PA en LIA in op het minimum en invoerbereik tot het maximum om oververzadiging te voorkomen.
    3. Stel de frequentie van de Chopper in, dat is de modulatie frequentie van het signaal en de referentie frequentie voor de demodulatie.
      Opmerking: als vuistregel moet de geselecteerde frequentie zo hoog mogelijk zijn onder de beperkingen van (a) snel genoeg respons van de DUT, (b) snel genoeg versterkings keten, (c) aanvaardbaar niveau van trillingen geïnduceerd door de Chopper. Bovendien moeten frequenties die veelvouden van gemeenschappelijke geluidsfrequenties zoals 50/60 Hz of 45 kHz zijn, worden vermeden.
    4. Stel de versterking van de PA zodanig in dat (a) de maximale uitgangs amplitude goed binnen het maximale ingangsbereik van de LIA ligt en (b) de respons van de PA snel genoeg is voor de gekozen Chopper frequentie. Voor het optimaliseren van de versterkerinstellingen in deze afweging verwijzen we naar de subsectie (b) van de discussie sectie.
      Let op: voordat u meer fotonen op de DUT toestaat (bijvoorbeeld bij het betreden van de Hutch), stelt u de versterkers opnieuw in op hun maximale ingangsbereik en op hun minimale versterking om overbelasting te voorkomen. Idealiter wordt dit direct in de scan commando's geïmplementeerd.
    5. Stel het ingangsbereik van de LIA in zodat deze overeenkomt met de amplitude van het signaal na pre-amplificatie voor de regio van belang met het sterkste signaal.
    6. In de LIA, splitsen en meng het signaal van de DUT met het referentiesignaal van de Chopper en een 90 ° fase-verschoven referentiesignaal zoals besproken in onderafdeling (c) van de representatieve resultaten.
    7. Stel de low-pass filter frequentie van de LIA in op het minimum dat compatibel is met de scansnelheid.
      Opmerking: Stel de vuistregel in op ten minste een orde van grootte onder de snij frequentie en een orde van grootte boven de bemonsteringssnelheid. Idealiter moet de low-pass filter frequentie zodanig worden gekozen dat gemeenschappelijke geluidsfrequenties niet worden doorgegeven, vooral onder 50/60 Hz om de rasterfrequentie af te snijden. Voor details verwijzen we naar Subsectie (e) van de representatieve resultaten.
    8. Stel de versterkings schaal voor de analoge uitgang van de lock-in versterkte signaal zodanig dat het overeenkomt met het ingangsbereik van de V2F en niet overschrijdt.
    9. Stel soft-of hardware Limits in voorversterker uitgangen volgens het ingangsbereik van de volgende apparaten om verzadiging te voorkomen.
  3. XBIC-metingen nemen
    Opmerking: met de juiste versterkings parameters die zijn ingesteld voor XBIC-metingen en geautomatiseerde controle en uitlezen geïmplementeerd, is er geen verdere actie vereist om XBIC-metingen uit te voeren, afgezien van het starten van een scan.
  4. Nabewerking van XBIC-gegevens
    1. Ga langs de signaalketen van de DUT naar de data-acquisitie-eenheid, waar het signaal wordt opgeslagen als Tel rate (Hz), om de tellings snelheid terug te zetten naar een stroom.
      1. Krijg de versterkings factor (V/A) bij de PA, waar het signaal (gemeten in ampère) wordt versterkt en omgezet in een spanning.
      2. Haal de versterkings factor (V/v) bij de Lia.
      3. Haal het spannings aanvaardings bereik (V) van de V2F-Converter op die wordt geprojecteerd op het frequentiebereik (Hz).
      4. Overweeg extra golfvorm factoren: het uitgangssignaal van de LIA is de RMS-amplitude, maar het signaal van belang is de piek-tot-piekwaarde van het gemoduleerde ingangssignaal.
    2. Vermenigvuldig de tellings snelheid van elke pixel met de conversie term in de volgende vergelijking om de xbic-waarden in ampère te krijgen van de frequentie waarden gesorteerd op de DAQ:
      (1) met ,
      waar is een factor die afhangt van de golfvorm van de modulatie32.
      Opmerking: voor een inkomende sinusgolf; voor een driehoeksgolf ; en voor een vierkante Golf ,. Typische waarden voor de meting van dunne-film zonnecellen bij harde X-Ray nanoprobes zijn: , , , .
    3. Voor de uiteindelijke correctie van het ruwe XBIC- signaal voor topologische variaties, gebruikt u28:
      (2) ,
      met de X-Ray-dempingscoëfficiënt33 en de massa dichtheid voor het absorberende element dat kan worden gemeten via gelijktijdige XRF-metingen17.
    4. Voor de uiteindelijke omzetting van het XBIC-signaal in de charge Collection -efficiëntie, gebruikt u23:
      (3) ,
      waar en wanneer de generatie en het inzamelingspercentage van elektronen gaten paren, is de snelheid van incident fotonen, is de elementaire lading , en is een materiële constante.
    5. Gebruik voor de uiteindelijke berekening van de materiaal constante:
      (4) ,
      waar is de energie die wordt afgezet in de absorberende laag van de DUT per incident X-Ray photon, is de band kloof van het absorberende materiaal, en is een constante.
      Opmerking: de factor is goed voor de energie-efficiëntie van de elektron-hole pair generatie. Het wordt vaak benaderd23,34 als .
    6. Voor de uiteindelijke schatting van het injectieniveau , van het xbic-signaal, gebruikt u:
      (5) ,
      waar wordt geïnterpreteerd als het aantal zon equivalenten, is de X-Ray Beam doorsnede, en is de kortsluitstroom dichtheid onder standaard meet condities35.

Representative Results

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van lock-in versterking voor XBIC metingen is de dramatische toename van de signaal-ruis verhouding in vergelijking met metingen met standaard versterking. De meetinstellingen die bijzonder belangrijk zijn voor een geslaagde lock-in-versterkte XBIC-meting zullen in de eerste vijf secties worden besproken. Het gaat om: (a) signaal modulatie; b) pre-amplificatie; c) signaal menging in de LIA; d) low-pass filter frequentie van de LIA; e) low-pass filter roll-off van de LIA.

Illustraties van de effecten van deze instellingen worden geïllustreerd in figuur 3, Figuur 4, Figuur 6. Voor de metingen, een laboratorium Setup gebruikt een rode laser () in plaats van een röntgenstraal, gemoduleerd op 2177,7 Hz door een optische Chopper. Fluorescerende buizen dienden als bron voor bias Light. De DUT was een thin-film zonnecel met een cu (in, ga) se2 (CIGS) Absorber. Hoewel verschillende meetinstellingen zouden worden gekozen voor andere DUT, zijn de algemene richtlijnen die hier worden beschreven om geschikte instellingen te vinden geldig voor een verscheidenheid aan DUT, zoals zonnecellen met verschillende absorberende lagen of nanodraden. De PA werd gebruikt met een versterkingsfactor van. De hier besproken effecten gelden evenzeer voor andere voorversterkers. Als er niets anders wordt gespecificeerd, is de laagdoorlaatfilter roll-off van de LIA 48 dB/oct.

De volgende secties (f)-(i) vertonen voorbeeldige resultaten om de mogelijkheden en uitdagingen van XBIC-metingen in combinatie met andere meetmodi weer te geven. In (f) worden specifieke uitdagingen van XBIC-metingen in de Fly-Scanning-modus besproken. In (g) worden XBIC-en XRF-metingen van een CIGS-zonnecel gecombineerd, en het effect van lock-in versterking wordt besproken met bias voltage toegepast. In (h) wordt XBIV toegevoegd als een meetmodus voor een CIGS Solar Cell. In (i) worden XBIC-en compositorische gegevens van XRF van een CdS-nanodraad weergegeven. Voor alle XBIC-metingen in secties (f) tot (i) gebruikten we een PA en een LIA zoals gespecificeerd in de tabel met materialen en reagentia.

a) modulatie van het binnenkomende signaal

Figuur 3 toont de vooraf versterkte DUT respons gemeten door een scope zonder (bovenste rij) en met (onderste rij) bias Light ingeschakeld. Naarmate de PA stromen naar spanningen converteert, is het weergegeven signaal in volt. Het is negatief als gevolg van het contact van de zonnecel, met de p-en n-type contacten verbonden met het schild en de kern van de ingang van de PA, respectievelijk. Bij XBIC-metingen wordt het contact met de zonnecel beheerst door de noodzakelijke aarding van het voorste contact zoals beschreven in punt 1.3.6. van het protocol.

In vergelijking met Figuur 3a en figuur 3Dnoteren we een offset signaal op de volgorde van 8 MV dat wordt verschoven naar-65 MV door het bias-licht van Fluorescentiebuizen in te schakelen. Bovendien wordt de signaal variatie op korte tijdschema's aanzienlijk versterkt door het bias Light. Een dergelijke bias offset van ruwweg 70 mV kan problematisch blijken te zijn, als gevolg van limieten in het acceptatie bereik van de PA en LIA. Aangezien we het volledige gamma van de PA willen gebruiken, is een kleine offset zoals in Figuur 3a-C de voorkeur. Daarom moeten alle bronnen van onbedoelde bias, zoals omgevingsverlichting, worden geëlimineerd.

Het toevoegen van een gehakte foor-bron, zoals weergegeven in Figuur 3b,C,E,F, verhoogt het geïnduceerde signaal met dezelfde hoeveelheid-ongeveer 66 MV-voor zowel met als zonder bias Light, wanneer de straal door het hakmes gaat; Wanneer de straal wordt geblokkeerd door het blad, blijft het signaal op het niveau van de respectieve offset, zoals verwacht. De frequentie van de Chopper verschilt in het signaal van Figuur 3b en 3e met een periode van MS.

In figuur 3D-Fnoteren we een extra modulatie met een frequentie van 90 kHz. De bron van deze hoogfrequente modulatie is de elektronische ballast van de fluorescerende buis, die wordt gereden op 45 kHz. Hoewel de vergrendelings versterking in staat is om de bijdragen van verschillende modulatie frequenties te differentiëren, zoals weergegeven in Figuur 6, is de reductie van het geluidssignaal van het allergrootste belang voor een goede meting. Omgevingslicht is slechts één mogelijke bron, maar andere elektronica kan ook ruis veroorzaken, die vervolgens op het signaal zou worden bovenop. Merk op dat bias Light niet altijd ongewenst lawaai is, maar vaak wordt bias Light toegepast om de DUT in de bedrijfsomstandigheden te zetten.

In Figuur 3b,C,E,F, merken we verder dat de reactie van de DUT bij verandering van de intensiteit van de bestraling vertraagd is. Deze toename-tijd effecten zullen worden besproken in meer detail in de volgende sectie en zijn afkomstig uit twee verschillende effecten: ten eerste, de steile stijging en afname van de DUT reactie op de 2177,7-Hz modulatie wordt vertraagd door de low-pass filter in de PA. Ten tweede blijft het signaal toenemen/afnemen bij langzamere tijdschema's (bijv. zichtbaar tussen 0,68 en 0,80 MS in figuur 3c), die we aan de bezettings kinetiek van defect toestanden in de zonnecel toeschrijven.

(b) pre-amplificatie

De PA versterkt niet alleen het gemoduleerde signaal van de DUT, maar kan zijn golfvorm aanzienlijk veranderen. Zoals hierboven beschreven, zijn de contacten van de zonnecel zodanig dat een negatieve spanning wordt gemeten bij verlichting. Voor de in Figuur 4getoonde metingen werd geen bias Light toegevoegd.

De metingen werden genomen met stijgende filter stijg tijden om hun effecten te demonstreren wanneer de versterkings sterkte constant wordt gehouden. In veel gevallen zijn filter stijg tijden hardware-gekoppeld aan de versterking. Hoe sterker de versterking is, hoe langer de responstijd is, en hoe kleiner de cut-off-frequentie is van het low-pass filter in de PA36,37.

Met een filter stijgtijd van 10 μs zoals in het bovenste paneel van Figuur 4, het signaal is nauwelijks vertraagd, overspant het nominale piek-tot-piek bereik van ongeveer 10 MV tot-65 mv, en bereikt plateaus bij de piekwaarden. Met 100 μs filter stijgtijd, delay effecten zijn zichtbaar in het gemoduleerde signaal, maar de modulatie is nog steeds verschillend en de amplitude is in een vergelijkbaar bereik als voor 10 μs. Een filter stijgtijd van 1 MS is langer dan de periode van de modulatie (0,46 MS). Daarom wordt de modulatie onderdrukt tot amplitudes onder 10 mV en de vorm weerspiegelt alleen het begin van de stijgende en dalende rand, die duidelijk niet geschikt is voor kwantitatieve XBIC-metingen. Dit verband tussen Gain en filter stijgtijd moet in het achterhoofd worden gehouden, met name voor de combinatie van snelle modulatie frequenties, met sterke versterking.

(c) signaal menging

Het belangrijkste verschil tussen standaard signaalversterking en lock-in versterking is het mengen van het DUT-signaal met een referentiesignaal en de daaropvolgende onderdrukking van hoge frequenties door een low-pass filter.

Het signaalpad voor het mengen is afgebeeld in Figuur 5. Voor de bespreking van de signaal menging worden enkele vereenvoudigingen aangebracht. Het referentiesignaal kan worden beschreven als een sinusoïdale signaal

(6) ,

waar is de amplitude en is de modulatie frequentie van het referentiesignaal. Het gemoduleerde signaal van de DUT dat in de LIA wordt gevoed, kan op een vergelijkbare manier worden weergegeven als

(7) ,

waar is de amplitude en is de modulatie frequentie van het DUT-signaal, en is een faseverschuiving van het DUT-signaal naar het referentiesignaal.

Na de volgende gegevens van (1) en (2) is het gemengde signaal:

(8) .

De modulatie frequentie van de DUT is de referentie frequentie . Daarom is het trigonometrische principe

9 

kan worden gebruikt om te herschrijven als de som van twee termen met verschillende frequenties:

(10) .

De low-pass filter vermindert het snelle signaal, zodat het lock-in versterkte signaal kan worden benaderd38,39 als

(11) .

Het DUT-signaal vermengd met het referentiesignaal wordt de in-Phase- component genoemd, en het DUT-signaal vermengd met de 90 ° fase-verschoven verwijzing wordt de Quadrature-component genoemd:

12 

(13) .

Van EQ. (12) en (13), de RMS-amplitude

14

Naast de fase

15

van het gemengde signaal kan worden verkregen met de twee-argument Arcus Tangent functie. Veel LIA hebben een interne fase aanpassen aan nul instellen tijdens metingen.

(d) low-pass filter frequentie

Figuur 6 toont het effect van bias Light en verschillende low-pass filterinstellingen op de lock-in versterkte RMS amplitude, . We gebruikten een LIA waarmee we het signaal dat het resultaat is van verschillende filter parameters tegelijkertijd konden opnemen.

De cut-off frequentie van een low-pass filter definieert de frequentie, waarbij het signaal wordt verzwakt tot 50%. Terwijl lagere frequenties worden verzonden, worden hogere frequenties onderdrukt. Afbeelding 6a,E tonen het directe signaal met = 466,7 kHz, die effectief geen ruis of lagere frequentie modulaties elimineert, maar laat ze passeren met het onbewerkte signaal. De conversie van het RAW-voorversterkte signaal naar de RMS-  amplitude leidt tot een extra factor voor frequenties die voldoende lager is. Bijvoorbeeld, een constante ingangsspanning van wordt uitgevoerd als.

Overwegende dat de gemiddelde offset in figuur 6e verwaarloosbaar is zonder bias Light (gemiddeld 2 MV), het stijgt tot een gemiddelde van ongeveer 75 MV met bias Light (Figuur 6a). Het verschil is van vergelijkbare sterkte als tussen Figuur 3a en Figuur 3D, maar pas op dat dit afzonderlijke metingen waren. In beide gevallen leidt het inschakelen van de snij bron tot een aanzienlijke toename en de piek-naar-piek variatie van  correspondeert met de piek-naar-piek variatie van het onbewerkte signaal zoals weergegeven in Figuur 3b en Figuur 3E .

In afbeelding 6b,F, wordt de RMS -amplitude weergegeven na het gebruik van een low -pass-filter met 1000 Hz. Opnieuw een offset kan worden waargenomen in Figuur 6b als gevolg van de bias Light, maar de verschuiving is kleiner met rond 18 MV gemiddeld. Deze offset wordt veroorzaakt door de 100 Hz modulatie van het fluorescerende licht, terwijl de 90 kHz modulatie wordt geblokkeerd door het low-pass filter. Bovendien is het geluidsniveau van de "beam on"-toestand nog steeds significant met een piek-naar-piek variatie rond 46 mV, terwijl de gemiddelde signaal waarde 32 mV bedraagt. Zonder bias Light (figuur 6F) bedraagt de piek-tot-piek variatie ongeveer 17 MV tijdens ' beam on ' met een gemiddelde waarde van 23,5 MV. De gemiddelde offset bij ' Beam off ' is kleiner dan 0,5 mV. Deze metingen tonen aan dat de combinatie van een low-pass filter met 1000 Hz en een snij frequentie van 2177,7 Hz niet ideaal is: het signaal dat de modulatie frequentie draagt, wordt slechts gedeeltelijk verwijderd, maar niet volledig onderdrukt door de low-pass Filter. Het resterende deel leidt tot significante piek-tot-piek variaties van  tijdens de ' beam on ' staat. Wanneer bias Light aanwezig is, verhoogt de 100 Hz modulatie als gevolg van de netto-frequentie van de fluorescentielampen de piek-naar-piekwaarden verder.

In figuur 6C,G, kan de invloed van het bias-licht als minimaal worden gezien: de 10,27 Hz low-pass filter vermindert de meeste ruis en modulatie van het fluorescerende licht, en een duidelijk Beam-geïnduceerde signaal kan worden geëxtraheerd. Hoewel hier nauwelijks zichtbaar, de verschuiving en verspreiding van lawaai zijn nog steeds iets groter met bias Light. Dit kan worden veroorzaakt door strooilicht dat door het Chopper wiel op de DUT loopt. Daarom is het raadzaam om de Chopper ver stroomopwaarts te implementeren om de modulatie van strooilicht te voorkomen.

Afbeelding 6d,H zijn een zoom in de verandering van ' beam on ' naar ' Beam off ' na 6 s in Figuur 6b,C,F,G, respectievelijk. De superopgelegde modulatie bij 100 Hz (fluorescentielampen frequentie) is zichtbaar in figuur 6d voor het low-pass filter met 1000 Hz. Let ook op de vertraging in het signaal na het filter met 10,27 Hz vergeleken met het signaal na het filter met 1000 Hz, wanneer de straal is uitgeschakeld. Vergelijkbaar met het geval voor langzame stijg tijden van de PA, laag van de low-pass filter in de Lia veroorzaken langzamer aanpassing van signaal veranderingen.

In totaal hebben we geconstateerd dat een low-pass filter met 10,27 Hz en een roll-off van 48 DB/OCT (zie volgende sectie) biedt in dit geval het beste compromis tussen snelle scansnelheid (ten gunste van hoge waarden) en onderdrukking van bias Light of ruis (in gunst van lage waarden, vooral onder de rasterfrequentie 50 Hz).

(e) Afrol van laagdoorlaat filter

Zoals veel digitale lock-in versterkers, het model dat hier werd gebruikt maakt gebruik van zogenaamde discrete-time RC filters of exponentiële lopende gemiddelde filters waarvan de kenmerken zijn zeer dicht bij die van een analoge weerstand-condensator RC filter40. Afgezien van de filter cut-off frequentie die in de vorige sectie is besproken, is er slechts één gratis parameter, de Filtervolgorde , die de helling van de cut-off als DB/OCT definieert.

Afbeelding 7A toont het effect van de Filtervolgorde op de frequentie afhankelijke demping voor verschillende cut-off frequenties die overeenkomen met de tijd constanten MS en MS. time constanten tussen deze twee uitersten zijn geschikt voor de meeste xbic Metingen. De filter demping is berekend40 in het frequentiedomein als de absolute waarde kwadraat van de complexe overdrachtsfunctie

16 

Als een functie van de frequentie en een filter van orde met een tijdconstante . Overdrachtsfuncties van filters voor hogere orders worden verkregen door vermenigvuldiging van de overdrachtsfuncties van de afzonderlijke filters met serienummers. Vergelijkbaar met , we definiëren en als de frequenties, waarbij de verzwakking is respectievelijk 5% en 95%. Het product van deze frequenties en is constant en gegeven in tabel 1 voor de omrekening tussen de cut-off frequenties en de filtertijd constante.

In het tijddomein wordt de filter respons voor recursief berekend op basis van een ingangs signaal dat op discrete tijden , , enz., is gedefinieerd, verdeeld over de bemonsterings tijd:

17 

De respons van filters met wordt berekend door meerdere iteraties van EQ. 17 met berekend vanaf en. De filter respons op een toenemende (op tijd 0) en afnemende stapfunctie (op tijd ) wordt weergegeven in afbeelding 7b voor filter orders 1 tot en met 8, als functie van de tijd in eenheden van. Houd er rekening mee dat het antwoord is vertraagd met betrekking tot het ingangssignaal en dat deze vertraging toeneemt met. De vertraging wordt in tabel 1 gekwantificeerd als de tijden, en, waarbinnen het verzonden signaal respectievelijk 5%, 50% of 95% bereikt.

De keuze van de juiste filter roll-off is net zo kritisch als de cut-off frequentie bij het ontwerpen van het experiment. In toepassing 1 gepresenteerd in sectie (g), zijn kwalitatief hoogwaardige XBIC-metingen verkregen met een Chopper frequentie van 1177 Hz, dwelltijd van 100 MS en cut-off frequentie van 40 Hz bij filter order 8. Met de getallen uit tabel 1vertaalt dit zich in en . Deze tijd is aanzienlijk korter dan de dwelltijd, zodat er geen vertraging-artefacten worden geïntroduceerd.

f) verblijfstijd correctie

In klassieke stap-modus metingen beweegt de scan fase naar de nominale positie en wordt het begin van de meting bij die pixel positie geactiveerd nadat de precieze positie is bereikt. Voor korte verblijfs tijden wordt de bezinkings tijd beperkt voor de totale scantijd, die zogenaamde Fly-scan-of continue meetmodi motiveert: daar beweegt de scan fase continu en worden de meetgegevens toegeschreven aan pixels met de gecodeerde fase positie in nabewerking. Dit kan echter leiden tot extra problemen zoals weergegeven in afbeelding 8. In dit geval werden de motoren van de monster fase niet gelijkmatig in de richting verplaatst, wat resulteerde in wisselende verblijfs tijden per pixel (Zie figuur 8a). De Dwell-time variaties vertalen direct in variaties in XBIC metingen, zoals te zien in figuur 8C. Daarom moet het XBIC-signaal worden genormaliseerd naar de verblijfstijd, waarvan de resultaten worden weergegeven in figuur 8D. Evenzo, variaties in de intensiteit van de bundel (weergegeven in figuur 8b) vaak moeten worden verantwoord door normalisatie naar de foton flux. Xbic-signaal genormaliseerd naar de foton flux kan worden gezien in afbeelding 8e; voor een minimale fout bij de absolute XBIC-kwantificering is de fotopstroom zelf genormaliseerd tot de mediane waarde. Afbeelding 8F toont de xbic-kaart genormaliseerd naar de dwelltijd en de foton flux, waardoor de impact van de meeste meet artefacten is verminderd. Ten slotte toont afbeelding 8G de xbic-gegevens na conversie van een tellings percentage naar de huidige met behulp van EQ. (1).

g) toepassing 1: XBIC van een zonnecel met bias voltage en XRF

Figuur 9a-B toont de impact van lock-in versterking op de signaal-ruis verhouding in X-Ray Beam geïnduceerde stroommetingen. De ruis van het directe signaal is duidelijk in figuur 9a: sterke intensiteit contrasteert van lijn tot lijn zijn indicatief van meet voorwerpen, en fijne xbic variaties van de DUT komen begraven in het willekeurig veranderende signaal. Aan de andere kant zijn deze mooie kenmerken duidelijk zichtbaar in figuur 9b. Merk op dat het geluidsniveau in Fig. 9a ongebruikelijk hoog is om onbekende redenen, ondanks de optimalisatie van de installatie voorafgaand aan de metingen. In dergelijke gevallen is de signaal-ruis verhouding verbetering door lock-in versterking aanzienlijk hoger dan in gevallen van een reeds hoge signaal-ruis verhouding met standaard versterking (bijv. toepassing 3 in sectie (i)), waarbij de lock-in versterking alleen leiden tot marginale verbeteringen.

Met de PA, voorwaarts (figuur 9C) en omgekeerde (figuur 9d) bias spanningen van-50 mV en + 50 mV, respectievelijk, werden toegepast op het monster en de oppervlakte van figuur 9a-B opnieuw ingeblikt. De dominante kenmerken die zichtbaar zijn in figuur 9b zijn nog steeds zichtbaar in figuur 9C en figuur 9d, maar ze zijn minder verschillend omdat de kaarten luidruchtiger zijn. Dit is omdat de toepassing van bias voltage of bias licht induceert een directe stroom die vaak orders van grootte groter dan de gemoduleerde XBIC signaal. Uiteindelijk beperkt de verhouding van direct naar gedifferentieerd signaal de toepasbaarheid van lock-in versterking. Ondanks de slechte signaal-ruis verhouding, is het de moeite waard erop te wijzen dat lock-in versterking het in kaart brengen van de zonnecel prestaties op de nanoschaal mogelijk maakt met bias voltage en bias Light toegepast, die anders nauwelijks mogelijk zouden zijn30.

Aangezien de prestaties van de CIGS Solar Cell zijn gecorreleerd aan de absorberende laag samenstelling7,41, hebben we het XRF-signaal gelijktijdig met de xbic gemeten. In figuur 9e-Fworden de concentraties van Ga en in gepresenteerd. Beide elementen maken deel uit van de absorberende laag en hun ratio wordt geacht van grote invloed te zijn op de prestaties van de zonnecel7. De statistieken van ga zijn veel groter dan voor in, wat te wijten is aan de hogere absorptiecoëfficiënt en minder zelf absorptie bij de excitatie-energie van 10,4 keV. Vanwege de lage statistieken zijn de functies in de kaart bijna onzichtbaar, terwijl de Ga-concentratie duidelijk genoeg is om te worden gecorreleerd met de elektrische prestaties in figuur 9b. Voor een hoger signaal kan men kiezen voor langere verblijfs tijden of een absorptie-energie kiezen met een grotere absorptie-dwarsdoorsnede. Dit illustreert het belang van een voldoende lange verblijfstijd en de afstemming van de stralingsenergie op de elementen van belang.

Met lange verblijfs tijden en grote kaarten moet een ander punt in gedachten worden gehouden: tijdens metingen die meerdere uren beslaan, kan monster drift een kritieke kwestie worden. Thermische schommelingen (met name na monster wisseling of grote motor bewegingen met een slechte warmteafvoer) en de instabiliteit van mechanische fase componenten leiden vaak tot monster drift zoals te zien is door vergelijking van de verticale posities van figuur 9D en Figuur 9b.

h) toepassing 2: XBIC van een zonnecel met XBIV en XRF

Figuur 10 toont een multimodale scan van een CIGS-zonnecel, waarbij de cel wordt bediend onder kortsluitbare voorwaarden die Xbic in figuur 10Ameten, en onder open-circuit conditie die Xbiv in figuur 10bmeet. De in figuur 10C getoonde XRF-meting werd gelijktijdig met de XBIV-meting uitgevoerd. Om voldoende XRF-tellingen te verzamelen, was de dwelltijd per pixel 0,5 s voor figuur 10b-C in vergelijking met 0,01 s in afbeelding 10a. Dienovereenkomstig kan een lagere frequentie in het low-pass filter voor de XBIV-meting worden gebruikt in vergelijking met de XBIC-meting (10,27 Hz versus 501,1 Hz, beide met roll-off 48 dB/oct). Voor XBIV metingen alleen konden we dezelfde dwelltijd en low-pass filterinstellingen gebruiken als voor de XBIC meting met vergelijkbare signaal-ruis verhouding. Het was echter over het algemeen meer tijd efficiënt om XBIV te combineren met XRF-metingen met de XRF-meting die de dwelltijd regelt, dan het uitvoeren van afzonderlijke XBIV-en XRF-metingen.

In vergelijking met afbeelding 10a, en Figuur 10B, merken we op dat de kortsluitstroom , gemeten als xbic, en de open circuit spanning, gemeten als xbiv, gecorreleerd zijn: grote hoog-en laagpresterende gebieden zijn zichtbaar in beide meetmodi. Dit geeft aan dat de lokale dikte variaties en/of recombinatie domineren de prestaties hier, in plaats van de variaties, die zou leiden tot tegengestelde trends in xbic en xbiv28.

Verder, rekening houdend met figuur 10C , men kan zien dat bepaalde gebieden met lage prestaties zoals bij correleren met lage cu Count tarief, terwijl de prestaties is niet gecorreleerd met de cu Count tarief in andere gebieden.

i) toepassing 3: XBIC en XRF van een Nanodraad

Naast zonnecellen, gecontacteerd nanodraden24 of nano-sheets, evenals Quantum dots, zijn andere voorbeelden van DUT die kunnen profiteren van lock-in versterkte xbic metingen. Voor demonstratie toont figuur 11a de elementaire verdeling van XRF-metingen en figuur 11b de corresponderende xbic-kaart van een CDs-nanodraad. De twee contacten gemaakt van PT en de CdS-draad zijn duidelijk te onderscheiden, en het XBIC-signaal toont een bijpassende elektrische respons. Bijzonder opmerkelijk is het feit dat XBIC de elektrische prestaties van de nanodraad onder het PT-contact kan onthullen, wat uniek is voor X-Ray nanoprobes en te wijten is aan de hoge penetratie diepte van harde röntgenstralen. De complementatie van de materiaalsamenstelling en elektrische eigenschappen van de nanodraad illustreert de voordelen van multimodale Röntgen metingen.

Figure 1
Figuur 1 : Setup voor Lock-in versterkte X-Ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC) metingen op een te testen apparaat (DUT). Het straal pad wordt rood afgebeeld. De groene vormen duiden op optionele X-Ray fluorescentie (XRF) en gebied detectoren voor multimodale metingen, geel geeft optioneel bias Light aan. Hardwarecomponenten voor XBIC-metingen zijn zwart gekleurd, terwijl XBIC-signaalpaden blauw zijn met respectievelijk signaaluitgangen en ingangen die worden weergegeven als gevulde en lege cirkels. Vóór het verzamelen van gegevens (DAQ), de DC (gelijkstroom) en AC (wisselstroom) signaal wordt omgezet van een spanning naar een frequentie (V2F). Voor alternatieve signaalpaden verwijzen we naar deel (a) van de discussie sectie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2 : Voorbeeld van een kinematische sample houder geoptimaliseerd voor multimodale x-ray microscopie metingen, inclusief x-ray Beam geïnduceerde stroom. Dunne koperen draden zijn gemonteerd op de voor-en achterzijde contacten van een cu (in, ga) se2 (CIGS) zonnecel met zilver verf, en aangesloten op de PCB contacten. Polyimide tape wordt gebruikt om de draden te scheiden, waardoor kortsluiting van het monster wordt vermeden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3 : Vooraf versterkte zonnecel respons bij bestraling met bias Light en gemoduleerde straal. Bovenste rij zonder bias Light, onderste rij met bias Light: een & D-Beam uit; B & E-Beam aan; C & F-zoom in de rode rechthoek van B & E. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4 : Zonnecel respons na pre-amplificatie met drie verschillende filter stijg tijden (10 μs - blauw, 100 μs - rood, 1 MS - groen) in de voorversterker. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5 : Signaalverwerking door de lock-in versterker31. is de signaal ingang van de DUT en is het referentiesignaal van de Chopper. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.   

Figure 6
Figuur 6 : Lock-in versterkte RMS amplitude met low-pass filter cut-off frequenties 466,7 kHz (blauw), 1 kHz (paars), 10,27 Hz (rood) en constante filter roll-off 48 DB/OCT. De DUT was een cu (in, ga) se2 zonnecel met (a, B, C, D) en zonder (E, F, G, H) bias Light toegepast. De tijden waarop de gehakte fotonen balk werd in-en uitgeschakeld, worden in de figuren aangegeven als verticale onderbroken lijnen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.  

Figure 7
Figuur 7 : Effect van low-pass filterinstellingen in de lock-in versterker. A-demping door het low-pass-filter in het frequentiedomein voor twee tijd constanten ( MS en MS) en voor filter orders 1 tot en met 8. B-verzonden signaal reactie van het low-pass filter in het tijddomein, in eenheden van de tijdconstante , voor filter orders 1 tot en met 8 op stap-achtige verandering van het ingangssignaal van 0 in 1 op tijd 0 en van 1 naar 0 op tijd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.  

Figure 8
Figuur 8 : Fly-scan meting van een cu (in, ga) se2 zonnecel op beamline P06 bij Petra III, genomen op 15,25 Kev foton Energy met een gerichte flux van ongeveer pH/s. De PA werd gebruikt met   = 106 V/A, en de Lia met Hz (48 DB/OCT). A-dwelltijd, B-foton flux, C-X-Ray Beam geïnduceerde stroom (xbic); Xbic-kaart genormaliseerd naar: D-Dwell time, E-foton flux genormaliseerd naar de mediaanwaarde, F-Dwell tijd en genormaliseerde foton flux. G – genormaliseerd XBIC-signaal na conversie van de telsnelheid naar de huidige met behulp van EQ. (1). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. 

Figure 9
Figuur 9 : X-ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC) en x-ray fluorescentie (XRF) metingen van een cu (in, ga) se2 zonnecel, genomen bij de beamline ID16B bij de Europese Synchrotron stralings faciliteit met een gerichte flux op de volgorde van pH/s. De PA werd gebruikt met V/A, de Lia met Hz (48 DB/OCT). De straal energie was 10,4 keV, de Chopper frequentie was 1177 Hz, en de low-pass filter afgesneden bij 40 Hz. De dwelltijd was 100 MS en de pixelgrootte was 40 nm x 40 nm. De kaarten A, B, E en F werden allemaal op hetzelfde moment genomen; C en D worden herneemt na 50 min en 113 min, met 50 mV voorwaartse en omgekeerde biasspanning toegepast, respectievelijk. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.      

Figure 10
Figuur 10 : Multimodale meting van een cu (in, ga) se2 zonnecel, genomen bij BEAMLINE P06 bij Petra III met een gerichte flux van ongeveer pH/s. De straal energie was 15,25 keV, de Chopper frequentie was 8015 Hz, en de pixelgrootte 50 nm x 50 nm. A-X-Ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC) gemeten met een dwelltijd van 0,01 s, een PA met = 106 V/a, en een LIA met Hz (48 DB/OCT); B-X-Ray Beam geïnduceerde spanning (XBIV) die hetzelfde gebied als paneel A beslaat, gemeten met een verblijfstijd van 0,5 s en een LIA met Hz (48 DB/OCT); C-cu Count rate van een X-Ray fluorescentie (XRF) meting, gelijktijdig genomen met de XBIV-meting. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.         

Figure 11
Figuur 11 : Multimodale meting van een CDs nanodraad met PT-contacten, genomen bij beamline 26-id-C van de Advanced photon source met een straal energie van 10,6 keV. A-PT en CD-distributie van een X-Ray fluorescentie meting. B-X-Ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC) meting tegelijkertijd uitgevoerd met de XRF-meting, zonder lock-in versterking. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. 

Table 1
Tabel 1: voor discrete-tijd RC filters van de orders 1 tot en met 8, het product van de tijdconstante en de frequentie, waarbij het signaal wordt verzwakt door 5% (), 50% (), en 95% (), is constant en gegeven in het bovenste deel . In het onderste deel wordt de tijdsvertraging gegeven, waarbinnen het signaal 5%(), 50% () en 95% () bereikt, in eenheden van de tijdconstante en van de inverse cut-off frequentie. Klik hier om dit Excel-bestand te downloaden.

XBIC EBIC LBIC
Multimodale mogelijkheden ++ + +
Ruimtelijke resolutie ++ ++ -
Penetratie diepte ++ -- +
Beschikbaarheid -- - +
Monster schade - -- ++

Tabel 2: kwalitatieve beoordeling van X-Ray Beam geïnduceerde stroom (XBIC), elektronenstraal geïnduceerde stroom (EBIC) en door laserstraal geïnduceerde stroom (LBIC).

Discussion

In dit hoofdstuk bespreken we eerst de relevantie van algemene XBIC-meetinstellingen met betrekking tot ruis (a) en scansnelheid (b). Vervolgens zetten we XBIC metingen in de context van multimodale metingen en bespreken we aspecten van X-Ray Beam geïnduceerde schade (c) en specifieke uitdagingen met betrekking tot gelijktijdige metingen van meerdere parameters (d). Ten slotte vergelijken we XBIC metingen met gerelateerde metingen met behulp van elektron-en laserstralen als sondes (e).

a) lawaai en fout

Hoewel lock-in amplificatie een hogere signaal-ruis verhouding mogelijk maakt in vergelijking met directe versterking, is het van cruciaal belang om de introductie van lawaai op alle niveaus te voorkomen, zoals herhaaldelijk is benadrukt in dit manuscript. Voor verdere bespreking verwijzen we naar literatuur over de meting van kleine elektrische signalen42,43,44,45. Hoewel State-of-the-art lock-in versterkers zijn gebaseerd op de digitale signaalverwerking van vandaag, zijn de meeste strategieën om ruis te verminderen met behulp van analoge lock-in versterkers nog steeds van toepassing.

Samenvattend moet in gedachten worden gehouden dat kabels gevoelig zijn om op te treden als antennes en zo ruis in het systeem te introduceren. Dit geldt met name in de omgeving van X-Ray nanoprobes, waar sterke elektromagnetische velden vaak onvermijdelijk zijn, kunnen hun bronnen zelfs onbekend blijven. Als gevolg daarvan moeten kabels zo kort mogelijk worden gehouden en zodanig worden georiënteerd dat het geïnduceerde geluidsniveau wordt geminimaliseerd. Extra afscherming van de signaal kabels kan het geluidsniveau verder verminderen.

De juiste contact met de DUT is even belangrijk voor de ruis minimalisatie. Een schone en robuuste methode met kleine contactpunten is draad binding. Voor TF-zonnecellen werkt dit niet altijd als gevolg van adhesie problemen. Als alternatief is geleidende tape op basis van grafiet, koper of aluminium geschikt voor grotere monsters. In veel gevallen, de beste resultaten worden verkregen met handmatige toepassing van zilver verf contact dunne koperen, gouden of platina draden naar het apparaat. Terwijl tape en grafiet pasta het beste contact mogelijk niet geven, kan Silver Paint het apparaat gemakkelijk kort sluiten en moet het met de grootst mogelijke zorg worden afgezet. Polyimide tape kan worden gebruikt om kortsluiting van het voor-en achtercontact te voorkomen.

Houd er rekening mee dat de bekabeling lay-out van contact met signaal transport moet worden aangepast aan beamline-specifieke randvoorwaarden. Bijvoorbeeld, de lay-out afgebeeld in Figuur 1 met het vooraf versterkte signaal dat wordt gesplitst naar de Lia en de v2f converters is riskant, als de V2F converters zich buiten de Hutch bevinden. In dit geval kan de lange kabel tussen de pre-versterker en de V2F-omzetter geluidshinder opvangen die naar de LIA wordt overgebracht. Daarom onderscheiden we drie gevallen van gemeenschappelijke signaalpaden voor XBIC-of XBIV-metingen:

Geval A: XBIC wordt gemeten met een voorversterker en het DC/AC-signaal wordt gesplitst na de PA zoals afgebeeld in Figuur 1. In dit geval kan een huidige offset in de PA worden toegepast, zodat het signaal altijd positief is, waardoor de noodzaak van het opnemen van het positieve en negatieve signaal via twee afzonderlijke V2F-converters wordt vermeden. Als een nadeel, dit zou verminderen de beschikbare spanning acceptatie bereik in de LIA en leiden tot verminderde gevoeligheid.

Geval B: het voorkomen van het splitsen van het voorversterkte signaal, dat alleen wordt ingevoerd voor de LIA, een extra demodulator kan worden gebruikt in de LIA met een low-pass filter op de maximale waarde (d.w.z. niet vergrendelen in de modulatie frequentie), zodat de voorversterkt signaal kan effectief worden uitgevoerd naar de DAQ-eenheid, zoals gedemonstreerd in Figuur 6a,E. In dit geval kan een spannings verschuiving op de uitgang worden toegepast op zowel het AC-als het DC-signaal, waardoor de noodzaak van het opnemen van het positieve en negatieve signaal via twee afzonderlijke V2F-omzetters wordt vermeden. Dit heeft geen grote nadelen, afgezien van een vermindering van het beschikbare frequentiebereik van de V2F, die zelden beperkt is.

Zaak C: XBIV wordt gemeten en het DC/AC-signaal wordt verdeeld tussen de DUT en de lock-in versterker. In dit geval kan geen spannings verschuiving op het DC-signaal worden toegepast zonder een ongewenste bias-spanning op de DUT toe te passen, zodat altijd twee afzonderlijke V2F-omzetters nodig zijn voor de positieve en negatieve signaal delen.

In alle gevallen, waar de negatieve en positieve delen van een signaal worden vastgelegd via twee verschillende V2F-omvormers, wordt het totale XBIC-of XBIV-signaal verkregen als het verschil tussen het positieve en negatieve kanaal. Als een LIA met twee of meer demodulatoren beschikbaar is, geven we meestal de voorkeur aan case B, omdat het de bedrading van het onbewerkte signaal minimaliseert en gemakkelijk schakelen tussen XBIC-en XBIV-metingen mogelijk maakt.

De fout van XBIC-metingen is sterk afhankelijk van de gebruikte apparatuur en instellingen, zodat hier geen fout kwantificering kan worden gegeven. De absolute fout is hoger dan men zou verwachten vanwege experimentele en systematische fouten. Dit geldt met name als het XBIC-signaal wordt omgezet in het laden van de ophaal efficiëntie door te schalen met een constante zoals beschreven in het protocol. Zo lijdt de empirische relatie tussen de band kloof en de ionisatie-energie beschreven door α (Zie EQ. 4) aan significante verstrooiing; foton flux metingen zijn vaak niet beschikbaar met absolute fouten onder 10%; en de nanoscopische structuur van de DUT is slecht bekend. We benadrukken echter dat de sterkte van de lock-in versterkte XBIC en XBIV metingen ligt in de grote relatieve nauwkeurigheid binnen kaarten of vergelijkbare metingen.

(b) scansnelheid

In veel meetmodi die zijn gebaseerd op fotondetectie, zoals XRF-of Röntgen verstrooiing, neemt de signaalintensiteit bij de eerste benadering lineair toe met de acquisitie tijd, met dienovereenkomstig een verhoogde signaal-ruis verhouding. Dit geldt niet voor XBIC-metingen, waarbij het venster met mogelijke scansnelheden niet wordt gedicteerd door telstatistieken, maar door complexere overwegingen zoals Carrier dynamiek en apparaatstructuur.

Niettemin leiden langzame metingen met vele perioden van gemoduleerd signaal per pixel doorgaans tot de beste signaal-ruis verhouding in de Vergrendel versterkte XBIC-metingen en oversampling met vloeiings demping tijdens de nabewerking (bijv. door binning of toepassing filters) kan de geluidsniveaus verder verminderen als de meet tijd dit toelaat. Afgezien van de doorvoer, kunnen verdere beperkingen echter lagere limieten instellen voor de meetsnelheid, waaronder: (1) door röntgenstraling veroorzaakte degradatie (Zie de volgende sectie) of door de omgeving veroorzaakte veranderingen in het monster tijdens in-situ metingen verminderen vaak de toegestane verblijfstijd. (2) monster drift en reproduceerbaarheid van fase bewegingen kunnen worden beperkt, met name voor metingen op de nanoschaal. (3) variaties van het elektromagnetische geluidsniveau kunnen door snellere metingen worden uitge- (4) Overwegende dat fotomon-telmetingen gemakkelijk kunnen worden genormaliseerd naar het incident foton flux, het xbic-signaal (en nog meer dus het xbiv-signaal) is slechts tot op zekere hoogte lineair voor het incident foton flux28. Normalisering op de foton-flux compenseert daarom slechts een deel van de effecten van foton-flux variatie, en men moet voorkomen dat xbic-metingen worden gebruikt (zoals kaarten of tijdreeksen) terwijl de flux gevarieerd is. Dit is met name een probleem wanneer de opslag ring wordt gevuld tijdens een XBIC-kaart.

Als de XBIC-meetsnelheid niet wordt bepaald door andere meetmodi (zie paragraaf (d)), worden XBIC-metingen doorgaans genomen met de maximumsnelheid die een bevredigende signaal-ruis verhouding oplevert. De bovengrenzen van de meetsnelheid worden bepaald door de volgende beperkingen: (1) een fundamentele bovengrens voor de meetsnelheid is de responsietijd van de DUT. Uiteindelijk wordt de reactietijd beperkt door de laadtijd. Voor de meeste dunfilm-zonnecellen met oplaad levensduur in het Nano-of microseconde-bereik is dit onkritisch, maar dit moet in gedachten worden gehouden voor hoogwaardige kristallijne-silicium-zonnecellen met een levensduur van enkele milliseconden. Capaciteits effecten kunnen echter de responstijd ook van TF-zonnecellen verhogen, zodat deze de meetsnelheid kan beperken. (2) roterende hakmessen die worden gebruikt om de röntgenstraal te moduleren, hebben hogere snelheidslimieten. Afhankelijk van hun locatie in de röntgenstraal kan de bundel grootte maximaal 1 mm breed zijn, wat de minimale periode van het blad bepaalt. Als de Chopper in vacuüm wordt bediend, wordt de rotatie frequentie zelden beperkt, waarbij in sommige gevallen zelfs de elektron-bosfrequentie overeenkomt. Echter, de werking van Choppers bij dergelijke snelheden in vacuüm is uitdagend, zodat de meeste Choppers worden bediend in de lucht. In dit geval wordt de roterende snelheid beperkt door mechanische trillingen en uiteindelijk door de snelheid van het buiten deel van het blad dat kleiner moet zijn dan de geluidssnelheid. In onze ervaring is de snij frequentie vaak beperkt tot ~ 7000 Hz in lucht. (3) in veel gevallen stelt de responstijd van de PA de bovengrens van de meetsnelheid in. Zoals weergegeven in Figuur 4, zijn de snelle stijg tijden van de PA vereist om de signaal modulatie van de Chopper te vertalen. Voor grote versterking worden geluidsisolerende stroom versterkers gebruikt, die tot 100 MS stijgen. met dergelijke stijg tijden kan de snij frequentie worden beperkt tot een paar Hz, wat een dwelltijd van enkele seconden vereist. Daarom is de beste strategie vaak om een lagere versterking door de PA te kiezen met een snellere reactietijd die overeenkomt met de snij frequentie. Hoewel dit zich vertaalt in kleinere signaal-ruis niveaus na pre-amplificatie, kan lock-in amplificatie vaak nog steeds een hoogwaardig gemoduleerd signaal ophalen.

Als voorbeeld biedt de gebruikte PA een bandbreedte van meer dan 10 kHz voor versterking in het μA/V-bereik, zelfs voor de geluidsarm-instelling37. Dit maakt het mogelijk om te hakken bij het kHz-bereik en meet snelheden tot het 100-Hz bereik met een low-pass filter met een cut-off frequentie tussen de scan-en snij frequentie. Dit zijn meet condities die we vaak gebruiken.

Om te voorkomen dat metingen artefacten, is het van cruciaal belang om het signaal te analyseren langs de amplificatie keten: Overwegende dat beperking door de low-pass filter van de LIA gemakkelijk kan worden gedetecteerd als lijn-artefacten in kaarten (uitsmeren van het XBIC-signaal over verschillende de systeemrespons van de DUT en PA vereist een inspectie van het signaal door een scope, die in de LIA kan worden geïntegreerd.

c) beschadiging van de ligger

X-Ray Beam geïnduceerde schade is een veelvoorkomend probleem en is besproken voor veel systemen, van biologische monsters tot silicium zonnecellen en detectoren46,47. Hoewel anorganische halfgeleiders over het algemeen robuuster zijn tegen röntgenstraling in vergelijking met organische halfgeleiders of biologische systemen, is X-Ray Beam geïnduceerde schade gebruikelijk ook in dunfilm zonnecellen. Specifiek, we hebben X-Ray Beam geïnduceerde schade waargenomen van zonnecellen met CdTe, CIGS29, perovskietmodule18, en organische Absorber lagen. Merk op dat de elektronische respons van DUT zoals zonnecellen gevoelig is voor defect concentraties onder het ppm niveau, waarbij de charge-Carrier recombinatie van invloed is op de prestaties zonder schijnbare chemische beschadiging.

Daarom is het over het algemeen nodig om de gevoeligheid van een DUT te testen op schade aan de balk. In de praktijk evalueren we de door röntgenstraling veroorzaakte achteruitgang van elke DUT voorafgaand aan daadwerkelijke XBIC-metingen en stellen we voorwaarden vast waardoor metingen het minst beïnvloed kunnen worden door afbraak effecten.

Er zijn verschillende strategieën om te gaan met X-Ray Beam geïnduceerde schade, maar wat ze allemaal gemeen hebben is dat ze ernaar streven om de stralings dosering op een meetplek te verminderen voordat de prestatie daar wordt geëvalueerd. Met andere woorden, het doel is om de afbraak te overtreffen volgens het paradigma "maatregel sneller dan de DUT degradeert". De strategieën omvatten: (1) gebruik korte verblijfs tijden. (2) Verhoog de stapgrootte en Reduceer de meetresolutie. (3) Verminder de intensiteit van de röntgenstraal door dempings filters. Afhankelijk van de beamline en de DUT, kunnen verschillende benaderingen worden gekozen of een combinatie daarvan. Het ontbreken van snelle luiken of vliegscan modi (1), en breedgespreide röntgenstraal profielen zoals die welke worden gegenereerd door zone platen kunnen bijvoorbeeld leiden tot significante degradatie ver weg van de centrale stralings positie.

Gelukkig leiden de meeste degradatie mechanismen alleen tot lokaal verbeterde charge Carrier recombinatie. Dit beperkt het laterale effect van de degradatie tot de diffusie lengte van de laad dragers, en XBIC-metingen verder weg van de aangetaste gebieden blijven vrijwel onaangetast. Als afbraak mechanismen in plaats daarvan leiden tot de lokale rangeer van de DUT, zouden verdere XBIC-metingen ernstig worden belemmerd. Om de gestorte stralings dosering tot een minimum te beperken, moeten de kritische metingen eerst worden uitgevoerd op een frisse plek en daarna kunnen photon-hongerige methoden, zoals XRF, die meer onverschillig zijn voor beschadiging van de straal, op dezelfde locatie worden gebruikt.

d) multimodale metingen

De compatibiliteit van XBIC met verdere meetmodi maakt een directe correlatie tussen de elektrische prestaties en gelijktijdig beoordeelde parameters23mogelijk. Hier bespreken we binnenkort de combinatie van XBIC-metingen met XBIV-, XRF-, SAXS-, WAXS-en XEOL-metingen. De combinatie met verdere meetmodi zoals elektronen opbrengst of holografie kan gemakkelijk worden gedacht, maar deze modi zijn over het algemeen niet compatibel met de opstellingen of modi van de scan metingen.

Zelfs als de geometrische opstelling van detectoren en monsters voor gelijktijdige meting van XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS en XEOL mogelijk is, zijn er fundamentele en praktische aspecten die de gelijktijdige beoordeling van alle modi verbieden.

(1) de toestand van de zonnecel verbiedt het gelijktijdig meten van XBIC (kortsluiting) en XBIV (open circuit) metingen. Als xeol48,49 meet de radiatieve recombinatie van elektronen gaten paren, een gemeten stroom van de zonnecel (xbic) zou een concurrerend proces. Daarom worden XEOL-metingen meestal uitgevoerd onder open-circuit conditie, die compatibel is met gelijktijdige XBIV-metingen.

(2) als Beam Damage een probleem is voor XBIC-of XBIV-metingen, mogen deze niet worden gecombineerd met fobisch-hongerige technieken zoals XRF of XEOL. Als vuistregel zijn de effecten van straal beschadiging voor het eerst zichtbaar in de elektrische (XBIC & XBIV) en de optische (XEOL) prestaties, die gevoelig zijn voor recombinatie van laad dragers via elektronische defecten. Tweede, structurele schade optreedt (zichtbaar in SAXS & WAXS), gevolgd door compositorische modificatie zichtbaar in XRF.

(3) Hoewel het hakken van de X-Ray-straal over het algemeen compatibel is met alle meetmodi, kan het leiden tot artefacten: ten eerste varieert de geïntegreerde foor-flux per pixel door de geïntegreerde flux die het Chopper wiel in één periode passeert. Dit effect wordt groter met een kleinere verhouding tussen het hakken en de scanfrequentie. Ten tweede kan de interactie tussen het Chopper wiel en de röntgenstraal leiden tot verspreide, diffracted en fluorescerende fotonen. Ten derde wordt de geïntegreerde foonflux verminderd met 50%, wat bijzonder belangrijk is voor de meetmodi met foonhonger.

Als gevolg van deze overwegingen is het ideale meetschema afhankelijk van de gegeven DUT en prioritering van meetmodi. Het is echter vaak verstandig om te beginnen met een meting die is geoptimaliseerd voor XBIC. Als Lock-in versterkte XBIV vereist is, is dit meestal de tweede scan. Anders kan de Chopper worden verwijderd, en alle andere metingen, inclusief standaard XBIV, kunnen worden uitgevoerd met een langere verblijfstijd, zoals vereist voor de meest photon-hongerige techniek. Idealiter worden XRF-gegevens gemeten tijdens alle scans, waardoor afbeeldings registratie in nabewerking mogelijk is voor monster drift.

e) verschillende voelers voor door straal geïnduceerde metingen

Er zijn alternatieve sondes voor röntgenstralen voor de beoordeling van de ruimtelijk opgeloste elektrische prestaties van een DUT met specifieke voor-en nadelen. Daarom wordt in tabel 2een kwalitatieve vergelijking van xbic met elektron-Beam geïnduceerde stroom (EBIC) en door laserstraal geïnduceerde stroom (lbic) zoals gemeten in elektronenmicroscopen of met optische opstellingen gegeven.

De elektron-hole pair generatie door een laser komt het dichtst bij de buiten werking van zonnecellen. De ruimtelijke resolutie van LBIC wordt echter fundamenteel beperkt door de golflengte van de laser. EBIC-metingen bieden een grotere ruimtelijke resolutie die doorgaans wordt beperkt door de interactie RADIUS van de elektronenstraal met de DUT. Het belangrijkste nadeel van EBIC metingen is hun oppervlakte gevoeligheid, waardoor de beoordeling van de absorberende laag prestaties door de laag stack of zelfs in ingekapselde apparaten wordt belemmerd. Bovendien leiden ongelijke oppervlakken van de DUT in combinatie met niet-lineaire secundaire-elektron emissie-effecten vaak tot vervormde EBIC resultaten. In tegenstelling, XBIC metingen nauwelijks last van topologische variaties, als de meeste signaal wordt gegenereerd diep in het bulkmateriaal en oppervlakte lading effecten worden verzacht door de juiste aarding.

Alle drie Beam-geïnduceerde technieken hebben gemeen dat de lading injectie is zeer inhomogene, piek op de positie van de balk. Als gevolg hiervan zijn de overtollige drager concentratie en de huidige dichtheid onhomogener verdeeld. In een vereenvoudigde afbeelding werkt het merendeel van de zonnecel in het donker, en een kleine vlek werkt op een hoog injectieniveau dat honderden zonequivalenten voor gerichte balken kan bereiken. De injectie-niveau verdeling is niet alleen afhankelijk van de grootte van de bundel en de vorm, maar ook op de straal energie, apparaatstack, en tijd structuur van de injectie. Tot nu toe is de röntgenstraal behandeld als een doorlopende straal, die gerechtvaardigd is voor de charge-Carrier incasso processen die langzamer zijn dan microseconden. Synchrotron-sourced röntgenstralen bestaan echter uit sub-100-PS pulsen met intensiteiten en Pulsfrequentie, afhankelijk van het vulpatroon van de opslag ring. Hoewel we geen invloed van het opvulpatroon op relatief trage XBIC-metingen hebben gemerkt, hangt het niveau van de injectie op korte termijn ervan af. In tegenstelling, kan men gebruik maken van de tijd structuur van X-stralen: vergelijkbaar zoals is aangetoond voor de tijd opgeloste XEOL21, men kan bedenken tijd-opgeloste xbic of xbiv metingen, of het vergrendelen van de xbic/xbiv signaal in de elektron-bos frequentie.

Een adequate bespreking van de gevolgen van inhomogene injectie niveaus vereist volledige 3D-simulatie van alle relevante Beam en device parameters, met inbegrip van de convolutie van de tijdafhankelijke injectieniveau met de 3D-mobiliteit en de levensduur in de DUT, die valt buiten het bestek van dit manuscript. Echter, het is conceptueel hetzelfde voor alle Beam-geïnduceerde stroom en spanning metingen en we verwijzen naar de literatuur over de injectie-niveau afhankelijkheid van EBIC50 en lbic51 metingen.

De negatieve gevolgen van lokale lading injectie kunnen experimenteel worden verzacht door de toepassing van bias Light met de intensiteit van 1 zon equivalent, en Beam-geïnduceerde excitatie toe te voegen slechts een verwaarloosbare hoeveelheid overtollige lading dragers. In de praktijk is dit concept technologisch beperkt door de dynamische reserve van 100-120 dB in State-of-the-art lock-in versterkers, die correspondeert met een signaal-ruis verhouding van 105 tot 106. Hoewel dit volstaat voor apparaten met een grootte die vergelijkbaar is met de grootte van de bundel, is het niet toegestaan om bias Light op relevante niveaus voor macroscopische apparaten toe te dienen. De voor de hand liggende oplossing is om de steekproefgrootte te verkleinen. Helaas, dit wordt vaak beperkt door elektrische grens effecten tot enkele honderden micrometers uit de steekproef grens of contactpunten.

Merk ook op dat men gebruik kan maken van de afhankelijkheid van XBIC metingen op injectieniveau: vergelijkbaar met EBIC en LBIC, het uitvoeren van serie-injectieniveau door het variëren van de intensiteit van de röntgenstraal kan informatie onthullen over dominante recombinatie mechanismen en opladen drager diffusie52,53.

Concluderend, de penetratie diepte van röntgenstralen in combinatie met de hoge ruimtelijke resolutie maakt XBIC de meest geschikte techniek om DUT te bestuderen met begraven structuren zoals TF-zonnecellen in een correlatieve microscopie-benadering. De interactie RADIUS van XBIC-metingen is meestal kleiner dan voor EBIC, en de ruimtelijke resolutie wordt vaak beperkt door de diffusie lengte van de laad dragers. Het belangrijkste nadeel van XBIC metingen is de beperkte beschikbaarheid van X-Ray nanoprobes.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij erkennen ten zeerste J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Brückner, J. Hagemann, K. Spiers, en T. Boese van het Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en A. Kolditz, J. Siebels, J. Flügge, C. Strelow, T. Kipp, en A. Mews van de Universiteit van Hamburg voor ondersteunende metingen bij beamline P06 bij PETRA III, DESY; M. Holt, Z. Cai, M. Cherukara en V. stegen van het Argonne National Laboratory (ANL) voor het ondersteunen van metingen bij beamline 26-ID-C bij de Advanced photon source (APS) bij ANL; D. Salomon en R. Tucoulou van de Europese Synchrotron-stralings faciliteit (ESRF) voor het ondersteunen van metingen bij beamline ID16B bij ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy, en J. Bailey van MiaSolé Hi-Tech Corp., en E. Avancini, Y. Romanyuk, S. Bücheler, en A. Tiwari van de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie (EMPA) voor het leveren van zonnecellen. We erkennen DESY (Hamburg, Duitsland), een lid van de Helmholtz Association HGF, voor het leveren van experimentele faciliteiten. Wij erkennen de Europese Synchrotron-stralings faciliteit (Grenoble, Frankrijk) voor de verstrekking van Synchrotron-stralings faciliteiten. Dit onderzoek gebruikte middelen van de Advanced photon source, een Amerikaanse afdeling van het ministerie van energie van de v.s., die voor het DOE-kantoor van de wetenschap door Argonne National Laboratory werd geëxploiteerd onder contract nr. DE-AC02-06CH11357.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics