Atom Probe Tomography Studies på Cu (In, Ga) Se-<sub> 2</sub> Korngränser
Summary
I detta arbete, beskriver vi användningen av atomen-sonden tomography teknik för att studera korngränserna i absorbentskiktet i en CIGS solcell. En ny metod för att framställa de tips atom prob innehållande den önskade korngränsen med en känd struktur presenteras också här.
Abstract
Jämfört med de existerande teknikerna, är atom sond tomografi en unik teknik kunna kemiskt karakterisera de interna gränssnitten i nanoskala och i tre dimensioner. I själva verket besitter APT hög känslighet (i storleksordningen ppm) och hög rumslig upplösning (under nm).
Avsevärda ansträngningar gjordes här för att förbereda en APT spets som innehåller den önskade korngränsen med en känd struktur. Sannerligen, kombinerat fokuserad-jon-stråle, elektron backscatter diffraktion, och transmissionselektronmikroskopi platsspecifik provberedning användning presenteras i detta arbete. Denna metod tillåter utvalda korngränser med känd struktur och lokalisering i Cu (In, Ga) Se 2 tunn-filmer som ska studeras av atom sond tomografi.
Slutligen diskuterar vi för-och nackdelar med att använda atomen sonden tomografi teknik för att studera korngränserna i Cu (In, Ga) Se-2 thin-film solceller.
Introduction
Thin-film solceller baserade på kopparkis-strukturerade halvledarföreningen Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) som absorbermaterialet har varit under utveckling i mer än två decennier på grund av sin höga effektivitet, strålning hårdhet, långsiktigt stabil prestanda och låga produktionskostnader 1-3. Dessa solceller kan tillverkas med endast liten materiell konsumtion på grund av de gynnsamma optiska egenskaper CIGS absorbatorn skiktet, nämligen ett direkt bandgap och en hög absorptionskoefficienten 1,2. Absorbentfilmer av endast några få mikrometer i tjocklek är tillräckliga för att generera en hög fotoström. Eftersom diffusionsvägarna av fotogenererade laddningsbärare på elektroderna är relativt korta, kan CIGS absorbenter framställas i polykristallin formulär. Den maximala verkningsgraden för en Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) solcell som hittills uppnåtts är 20,4% 4, vilket är det högsta värdet bland alla tunnfilm solceller.
ove_content "> För att ytterligare etablera CIGS tunn film solceller teknik, både minskningen av produktionskostnaderna och förbättringen av solcell effektivitet är viktigt. Det senare är starkt beroende av mikrostruktur och kemisk sammansättning av CIGS absorberskiktet. Interna gränssnitt, särskilt korngränser (GBS) i absorbatorn, spelar en central roll, eftersom de kan påverka transporten av fotogenererade laddningsbärare.En av de viktigaste olösta frågorna med avseende på CIGS-solceller är den godartade natur CIGS GBs, dvs polykristallina CIGS absorbentfilmer ger enastående cell effektivitetsvinster trots en hög täthet av GBs och gitter defekter.
Flera författare studerade GBs i sol-grade CIGS filmer med avseende på deras elektriska egenskaper 5,6, karaktär och misorientation 7-9 samt förorening segregation 10-13. Men ingen tydlig koppling mellan dessa properties kunde fastställas hittills. I synnerhet finns det en stor brist på information om den lokala kemiska sammansättningen och halten föroreningar i GBS.
Under de senaste två decennierna, har Atom Probe Tomography (APT) dykt upp som en av de lovande nano-analysteknik 14-17. Tills nyligen APT studier av solceller har till stor del begränsas av svårigheter i provberedning processen och begränsad förmåga att analysera halvledarmaterial med användning av konventionella pulsad spänning atom sonder. Dessa restriktioner har till stor del övervinnas genom utveckling av "lift-ut-metoden" bygger på fokuserade jonstrålar (FIB) fräsning 18 och införandet av pulsad laser APT 16. Flera artiklar om APT karakterisering av CIGS-solceller har publicerats 19-23, som är starkt uppmuntrande för fortsatta undersökningar.
Detta dokument ger en riktlinje för hur man studerar inre jagnterfaces i CIGS tunnfilms-solceller av atomen sonden tomografi teknik.
Protocol
Representative Results
Discussion
I det pågående arbetet har vi presenterat APT resultat på en slumpmässig HAGB i CIGS, ett sammansatt halvledarmaterial som används för solceller applikation. Vidare har vi också visat att APT i samband med kompletterande tekniker, såsom EBSD och TEM, är ett kraftfullt verktyg för att klarlägga strukturen-kompositionen egenskaper relation för CIGS-solceller. Tyvärr var korrelationen mellan APT och EDX / ålar i TEM inte möjligt eftersom det första, har EDX / EELS inte tillräcklig upplösning för att dete…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete är grundat av den tyska Research Foundation (DFG) (Contract CH 943/2-1). Författarna vill tacka Wolfgang Dittus, och Stefan Paetel från Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg för framställning av CIGS absorberskiktet för detta arbete.
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).
