Atom Probe tomografi Studier på Cu (I, Ga) SE<sub> 2</sub> Grain Boundaries
Summary
I dette arbeidet, beskriver vi bruken av atom-sonde tomografi teknikk for å studere korngrensene fra absorberen lag i en CIGS solcelle. En ny tilnærming for å forberede atomet probespisser inneholder ønsket korn grensen med en kjent struktur blir også presentert her.
Abstract
Sammenlignet med de eksisterende teknikker, er atom sonde tomografi en unik teknikk i stand til kjemisk karakterisere de interne grensesnitt på nanoskala og i tre dimensjoner. Faktisk besitter APT høy følsomhet (i størrelsesorden ppm) og høy romlig oppløsning (sub nm).
Store anstrengelser ble gjort her for å forberede en APT tips som inneholder den ønskede korn grensen med en kjent struktur. Faktisk, stedsspesifikk prøveopparbeidelse med kombinert fokusert-ion-stråle, elektron backscatter diffraksjon, og transmisjonselektronmikroskopi er presentert i dette arbeidet. Denne metoden gjør utvalgte korn grenser med en kjent struktur og plassering i Cu (I, Ga) Se 2 tynn-film å bli studert av atom probe tomografi.
Avslutningsvis diskuterer vi fordeler og ulemper ved å bruke atom probe tomografi teknikk for å studere korngrensene i Cu (I, Ga) SE 2 tynnfilm-solceller.
Introduction
Thin-film solceller basert på kobberkis-strukturert sammensatt halvleder Cu (I, Ga) Se 2 (CIGS) som absorber materialet har vært under utvikling i mer enn to tiår på grunn av sin høye effektivitet, stråling hardhet, langsiktig stabil ytelse og lave produksjonskostnader 1-3. Disse solcellene kan være fabrikkert med bare litt materialforbruk på grunn av de gunstige optiske egenskapene til CIGS absorber lag, nemlig en direkte bandgap og høy absorpsjon koeffisient 1,2. Absorberavløp filmer av bare noen få mikrometer i tykkelse er tilstrekkelig til å generere en høy photocurrent. Siden diffusjon stier fotogenererte ladningsbærere til elektrodene er relativt kort, kan CIGS dempere bli produsert i polycrystalline skjemaet. Maksimal effektivitet av en Cu (I, Ga) Se 2 (CIGS) solcelle oppnådd så langt er 20,4% 4, som er den høyeste verdien blant alle tynn-film solceller.
ove_content "> For ytterligere å etablere den CIGS tynnfilm-solceller teknologi, både reduksjon av produksjonskostnader og forbedring av solcelle effektivitet er avgjørende. Sistnevnte er sterkt avhengig av mikrostrukturen og kjemiske sammensetningen av CIGS absorber lag. interne grensesnitt, særlig korn grenser (GBS) innenfor absorber, spille en sentral rolle, som de kan påvirke transporten av fotogenererte ladningsbærere.En av de viktigste uløste problemer med hensyn til CIGS solceller er godartet natur CIGS GBS, dvs. polykrystallinske CIGS absorber filmer gi fremragende celle effektivitet til tross for en høy tetthet av GBS og gitter defekter.
Flere forfattere studert GBS i superrent CIGS filmer med hensyn til deres elektriske egenskaper 5,6, karakter og misorientation 7-9 samt urenhet segregering 10-13. Men ingen klar sammenheng mellom disse properties kunne bli etablert så langt. Spesielt er det en betydelig mangel på informasjon vedrørende den lokale kjemiske sammensetning og innhold av urenhet GBS.
I de siste to tiårene, har Atom Probe tomografi (APT) dukket opp som en av de lovende nano-analytiske teknikker 14-17. Inntil nylig APT studier av solceller har vært i stor grad begrenset av vanskeligheter i prøveopparbeidelse prosessen og den begrensede evne til å analysere halvledermaterialer med konvensjonelle pulserende spenning atom sonder. Disse restriksjonene har vært stor grad overvinnes ved utviklingen av "lift-out-metoden" basert på fokusert ion stråle (FIB) fresing 18 og innføring av pulset laser APT 16. Flere artikler om APT karakterisering av CIGS solceller har vært publisert 19-23, som er sterkt oppmuntrende for videre undersøkelser.
Denne artikkelen gir en retningslinje for hvordan å studere intern interfaces i CIGS tynn-film solceller ved atom probe tomografi teknikk.
Protocol
Representative Results
Discussion
I nåværende arbeid, har vi presentert APT resultatene på en tilfeldig HAGB i CIGS, en sammensatt halvleder materiale som brukes for fotovoltaiske søknad. Videre har vi også vist at APT i forbindelse med komplementære teknikker, for eksempel EBSD og TEM, er et kraftig verktøy for å belyse struktur-sammensetning egenskaper forhold for de CIGS solceller. Dessverre var korrelasjonen mellom APT og EDX / EELS i TEM ikke mulig fordi det første, har EDX / EELS ikke tilstrekkelig oppløsning til å detektere lave Na og …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet er grunnlagt av den tyske Research Foundation (DFG) (Contract CH 943/2-1). Forfatterne ønsker å takke Wolfgang Dittus, og Stefan Paetel fra Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg for å forberede CIGS absorber laget for dette arbeidet.
Referências
- Stanbery, B. J. Copper indium selenides and related materials for photovoltaic devices. Crit. Rev. Solid State. 27, 73-117 (2002).
- Kemell, M., Ritala, M., Leskelä, M. Thin film deposition methods for CuInSe2 solar cells. Crit. Rev. Solid State. 30, 1-31 (2005).
- Kazmerski, L. L. Solar photovoltaics R&D at the tipping point: a 2005 technology overview. J. Electron Spectrosc. 150 (2-3), 105-135 (2006).
- Sadewasser, S., Glatzel, T., Schuler, S., Nishiwaki, S., Kaigawa, R., Lux-Steiner, M. C. Kelvin probe force microscopy for the nano scale characterization of chalcopyrite solar cell materials and devices. Thin Solid Films. 431-432, 257-261 (2003).
- Jiang, C. S., Noufi, R., AbuShama, J. A., Ramanathan, K., Moutinho, H. R., Pankow, J., Al-Jassim, M. M. Local built-in potential on grain boundary of Cu(In,Ga)Se2 thin-films. Appl. Phys. Lett. 84, 3477-1-3477-3 (2004).
- Abou-Ras, D., Koch, C. T., Küstner, V., van Aken, P. A., Jahn, U., Contreras, M. A., Caballero, R., Kaufmann, C. A., Scheer, R., Unold, T., Schock, H. W. Grain-boundary types in chalcopyrite-type thin films and their correlations with film texture and electrical properties. Thin Solid Films. 517, 2545-2549 (2009).
- Nichterwitz, M., Abou-Ras, D., Sakurai, K., Bundesmann, J., Unold, T., Scheer, R., Schock, H. W. Influence of grain boundaries on current collection in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Thin Solid Films. 517, 2554-2557 (2009).
- Abou-Ras, D., Schorr, S., Schock, H. W. Grain sizes and grain boundaries in chalcopyrite-type thin films. J. Appl. Cryst. 40, 841-848 (2007).
- Niles, D. W., Al-Jassim, M., Ramanathan, K. Direct observation of Na and O impurities at grain surfaces of CuInSe2 thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 17, 291-296 (1998).
- Rockett, A., Granath, K., Asher, S., Al Jassim, M. M., Hasoon, F., Matson, R., Basol, B., Kapur, V., Britt, J. S., Gillespie, T., Marshall, C. Na incorporation in Mo and CuInSe2 from production processes. Sol. Energy. 59, 255-264 (1999).
- Heske, C., Eich, D., Fink, R., Umbach, E., Kakar, S., van Buuren, T., Bostedt, C., Terminello, L. J., Grush, M. M., Callcott, T. A., Himpsel, F. J., Ederer, D. L., Perera, R. C. C., Riedl, W., Karg, F. Localization of Na impurities at the buried CdS/Cu(In, Ga)Se2 heterojunction. Appl. Phys. Lett. 75, 2082-2084 (1999).
- Braunger, D., Hariskos, D., Bilger, G., Rau, U., Schock, H. W. Influence of Na on the growth of polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 thin films. Thin Solid Films. 361, 161-166 (2000).
- Cerezo, A., Godfrey, T. J., Sijbrandij, S. J., Smith, G. D. W., Warren, P. J. Performance of an energy-compensated three-dimensional atom probe. Rev. Sci. Instrum. 69, 49-58 .
- Blavette, D., Bostel, A., Sarrau, J. M., Deconihout, B., Menand, A. An atom-probe for three dimensional tomography. Nature. 363, 432-435 (1993).
- Gault, B., Vurpillot, F., Vella, A., Gilbert, M., Menand, A., Blavette, D., Deconihout, B. Design of a femtosecond laser assisted tomographic atom probe. Rev. Sci. Instrum. 77, 043705-1-043705-8 (2006).
- Kelly, T. F., Miller, M. K. Atom probe tomography. Rev. Sci. Instrum. 78, 031101-1-031101-20 (2007).
- Thompson, K., Lawrence, D., Larson, D. J., Olson, J. D., Kelly, T. F., Gorman, B. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107 (2-3), 131-139 (2007).
- Cadel, E., Barreau, N., Kessler, J., Pareige, P. Atom probe study of sodium distribution in polycristalline Cu(In,Ga)Se2 thin film. Acta Material. 58, 2634-2637 (2010).
- Schlesiger, R., Oberdorfer, C., Würz, R., Greiwe, G., Stender, P., Artmeier, M., Pelka, P., Spaleck, F., Schmitz, G. Design of a laser-assisted tomographic atom probe at Münster University. Rev. Sci. Instr. 81, 043703 (2010).
- Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Abou-Ras, D., Schmidt, S. S., Caballero, R., Raabe, D. Characterization of grain boundaries in Cu(In,Ga)Se2 films using atom-probe tomography. IEEE J. Photovolt. 1 (2), 207-212 (2011).
- Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Wuerz, R., Raabe, D. Atomic-scale characterization of the CdS/CuInSe2 interface in thin-film solar cells. Appl. Phys. Lett. 98, 103504-1-103504-3 (2011).
- Couzinie-Devy, F., Cadel, E., Barreau, N., Arzel, L., Pareige, P. Atom probe study of Cu-poor to Cu-rich transition during Cu(In,Ga)Se2 growth. Appl. Phys. Lett. 99, 232108-1-232108-3 (2011).
- Voorwinden, G., Jackson, P., Kniese, R., Powalla, M. In-line Cu(In,Ga)Se2 co-evaporation process on 30 cm x 30 cm substrates with multiple deposition stages. , 2115-2118 (2007).
- Miller, M. K., Russell, K. F., Thompson, K., Alvis, R., Larson, D. J. Review of atom probe FIB-based specimen preparation methods. Microscopy Microanal. 13 (6), 428-436 (2007).
- J, D. Modeling image distortions in 3DAP. Microscopy and Microanalysis. 10 (3), 384-390 (2008).
- Kellog, G. L. Determining the field emitter temperature during laser irradiation in the pulsed laser atom probe. J. Appl. Phys. 52, 5320 (1981).
- . . IVASTM 3.6.2 User Guide 2012. , (2012).
- Persson, C., Zunger, A. Compositionally induced valence-band offset at the grain boundary of polycrystalline chalcopyrites creates a hole barrier. Appl. Phys. Lett. 87, 211904-1-211904-3 (2005).
- Zhang, S. B., Wei, S. -. H., Zunger, A., Katayama-Yoshida, H. Defect physics of the CuInSe2 chalcopyrite semiconductor. Phys. Rev. B. 57, 9642-9656 (1998).
- Cahn, J. W., Johnson, W. C., Blakely, J. M. . Interfacial Segregation. , 3-23 (1979).
- Miller, M. K., Jayaram, R. Some factors affecting analysis in atom probe. Surf. Sci. 266, 458-462 (1992).
- Wuerz, R., Eicke, A., Kessler, F., Paetel, S., Efimenko, S., Schlegel, C. CIGS thin-film solar cells and modules on enamelled steel substrates. Sol. Energy. 100, 132-137 (2012).
- De Geuser, F., Lefebvre, W., Danoix, F., Vurpillot, F., Forbord, B., Blavette, D. An improved reconstruction procedure for the correction of local magnification effects in three-dimensional atom-probe. Surf. Interf. Anal. 39, 268-272 (2007).
- Kingham, D. R. The post-ionization of field evaporated ions: A theoretical explanation of multiple charge states. Surf. Sci. 116, 273-301 (1982).
- Letellier, L. . Etude des joints de grains et interphases dans les superalliages Astroloy par microscopie electronique et tomographie atomique [dissertation]. , (1994).
- Hoummada, I., Mangelinck, K., Chow, D., Lee, J., Bernardini, Original methods for diffusion measurements in polycrystalline thin-films. Defect and Diffusion Forum. 322, 129-150 (2012).
