ذرة دقق دراسات التصوير المقطعي على النحاس (IN، جا) سي<sub> 2</sub> حدود الحبوب
Summary
في هذا العمل، ونحن تصف استخدام تقنية التصوير المقطعي ذرة مسبار لدراسة حدود الحبوب من طبقة امتصاص في الخلايا الشمسية CIGS. يتم تقديم وسيلة جديدة لإعداد التحقيق نصائح ذرة تحتوي على حدود الحبوب المطلوب مع هيكل المعروف أيضا هنا.
Abstract
مقارنة مع التقنيات موجودة، ذرة مسبار التصوير المقطعي هو تقنية فريدة من نوعها قادرة على تميز كيميائيا الواجهات الداخلية في المقياس النانوي وفي ثلاثة أبعاد. في الواقع، APT تمتلك حساسية عالية (في حدود جزء من المليون) وقرار مكانية عالية (نانومتر الفرعية).
وقد أجريت الجهود الكبيرة هنا أن يعد غيض APT الذي يحتوي على الحدود الحبوب المطلوب مع هيكل معروف. في الواقع، وإعداد العينات الخاصة بكل موقع باستخدام مجتمعة تركز أيون شعاع، والإلكترون حيود تشتت ارتدادي، وانتقال المجهر الإلكتروني ويرد في هذا العمل. هذا الأسلوب يسمح حدود الحبوب اختيارها مع هيكل معروف وموقعه في النحاس (IN، جا) سي 2 رقيقة الأفلام ليتم دراستها من قبل ذرة مسبار التصوير المقطعي.
وأخيرا، نحن مناقشة مزايا وعيوب باستخدام ذرة مسبار التصوير المقطعي تقنية لدراسة حدود الحبوب في النحاس (IN، جا) سي 2 الخلايا الشمسية الرقيقة.
Introduction
وكانت خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية على أساس أشباه الموصلات المجمع كالكوبايرايت التنظيم النحاس (IN، جا) سي 2 (CIGS) كمادة امتصاص قيد التطوير لأكثر من عقدين من الزمن بسبب الكفاءة العالية وصلابة إشعاع ومستقرة على المدى الطويل تكاليف الأداء، وانخفاض الإنتاج 1-3. يمكن أن تكون ملفقة هذه الخلايا الشمسية مع استهلاك المواد فقط قليلا بسبب خصائص مواتية البصري للطبقة امتصاص CIGS، وهي فجوة نطاقها المباشر وامتصاص عالية 1،2 معامل. الأفلام امتصاص قليلة فقط ميكرومتر في السمك كافية لتوليد photocurrent عالية. منذ مسارات انتشار حاملات الشحنة photogenerated إلى الأقطاب هي قصيرة نسبيا، وامتصاص CIGS يمكن أن تنتج في شكل الكريستالات. كفاءة الحد الأقصى لالنحاس (IN، جا) سي 2 (CIGS) الخلايا الشمسية التي تحققت حتى الآن هو 20.4٪ 4، والذي هو أعلى قيمة بين جميع خلايا الأغشية الرقيقة الشمسية.
ove_content "> إلى إنشاء المزيد من الأغشية الرقيقة التكنولوجيا الضوئية CIGS، على حد سواء في الحد من تكاليف الإنتاج وتحسين كفاءة الخلايا الشمسية ضرورية. هذا الأخير هو تعتمد بشدة على البنية المجهرية والكيميائية تكوين طبقة امتصاص CIGS. اجهات الداخلية، في حدود الحبوب خاصة (باريه) ضمن امتصاص، ولعب دورا محوريا، لأنها يمكن أن تؤثر على النقل من حاملات الشحنة photogenerated.واحدة من القضايا التي لم تحل الرئيسية فيما يتعلق الخلايا الشمسية CIGS هي طبيعة حميدة من CIGS باريه، أي الكريستالات CIGS الأفلام امتصاص تسفر كفاءة الخلايا العالقة على الرغم من كثافة عالية من باريه وشعرية العيوب.
درس العديد من الكتاب باريه في CIGS الأفلام الصف الشمسية مع الاحترام لخصائصها الكهربائية 5،6، حرف وmisorientation 7-9 وكذلك فصل الشوائب 10-13. ومع ذلك، لا صلة واضحة بين هذه propertiويمكن إنشاء ES حتى الآن. على وجه الخصوص، هناك نقص كبير في المعلومات المتعلقة التركيب الكيميائي المحلية ومحتوى الشوائب من باريه.
في العقدين الماضيين، برزت اتوم دقق التصوير المقطعي (APT) باعتبارها واحدة من التقنيات الواعدة النانو التحليلية 14-17. حتى وقت قريب الدراسات APT من الخلايا الشمسية وقيدت إلى حد كبير من الصعوبات في عملية إعداد العينات وقدرة محدودة على تحليل مواد أشباه الموصلات باستخدام مجسات ذرة نابض الجهد التقليدية. وقد تم التغلب على هذه القيود إلى حد كبير في تطوير 'طريقة الرفع التدريجي' على أساس مركزة شعاع أيون (FIB) صفائح 18 وإدخال ليزر نابض APT 16. وقد نشرت العديد من الصحف حول توصيف APT من الخلايا الشمسية CIGS 19-23، والتي تشجع بقوة لمزيد من التحقيقات.
ويعطي هذا الورق توجيهي لكيفية دراسة داخلية أناnterfaces في CIGS الأغشية الرقيقة الخلايا الشمسية من قبل ذرة مسبار التصوير المقطعي تقنية.
Protocol
Representative Results
Discussion
في العمل الحالي، قدمنا نتائج APT على HAGB عشوائية في CIGS، وهو مادة أشباه الموصلات مركب يستخدم لتطبيق الضوئية. وعلاوة على ذلك، لقد أظهرنا أيضا أن APT بالتزامن مع التقنيات التكميلية، مثل EBSD وTEM، هو أداة قوية لتوضيح خصائص العلاقة بين الهيكل والتكوين للخلايا الشمسية CIGS. للأ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تأسست هذا العمل من قبل مؤسسة البحوث الألمانية (DFG) (العقد CH 943/2-1). فإن الكتاب أود أن أشكر فولفغانغ Dittus، وستيفان Paetel من ZENTRUM FÜR Sonnenenergie الوطنيون Wasserstoff-Forschung بادن فورتمبيرغ لإعداد طبقة امتصاص CIGS لهذا العمل.
References
- 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).
