Atom Probe Tomografie Studies over de Cu (In, Ga) Se<sub> 2</sub> Korrelgrenzen
Summary
In dit werk, beschrijven we het gebruik van het atoom-probe tomografie techniek voor het bestuderen van de korrelgrenzen van de absorptielaag in een CIGS zonnecel. Een alternatief middel om de atoom meetpennen die de gewenste korrelgrens met een bekende structuur te bereiden wordt hier gepresenteerd.
Abstract
Vergeleken met de bestaande technieken atom probe tomografie is een unieke techniek kunnen chemisch karakteriseren interne interfaces op nanoschaal en in drie dimensies. Inderdaad, APT bezit hoge gevoeligheid (in de orde van ppm) en hoge ruimtelijke resolutie (sub nm).
Aanzienlijke inspanningen werden gedaan hier om een APT tip die de gewenste korrelgrens met een bekende structuur bevat bereiden. Inderdaad, site-specific monstervoorbereiding behulp van gecombineerde gefocust-ion-beam, electron backscatter diffractie, en transmissie-elektronenmicroscopie wordt gepresenteerd in dit werk. Deze methode maakt het geselecteerde korrelgrenzen met een bekende structuur en de locatie in Cu (In, Ga) Se 2 dunne-films te worden bestudeerd door atom probe tomografie.
Tot slot bespreken we de voor-en nadelen van het gebruik van het atoom sonde tomografie techniek om de korrelgrenzen in Cu (In, Ga) Se 2 dunne-film zonnecellen te bestuderen.
Introduction
Dunne-film zonnecellen op basis van de chalcopyriet-gestructureerde samengestelde halfgeleider Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) als het absorptiemateriaal zijn in ontwikkeling voor meer dan twee decennia vanwege hun hoge rendement, straling hardheid, lange termijn stabiele prestaties en lage productiekosten 1-3. Deze zonnecellen kunnen worden vervaardigd met weinig materiaalverbruik door de gunstige optische eigenschappen van de CIGS absorptielaag, namelijk een directe bandgap en een hoge absorptiecoëfficiënt 1,2. Absorber films van slechts enkele micrometers dik is toereikend om een hoge fotostroom te genereren. Omdat de diffusie paden van photogenerated ladingsdragers naar de elektroden zijn relatief kort, kan CIGS absorbers worden geproduceerd in polykristallijne vorm. Het maximale rendement van een Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) zonnecel nu toe bereikt is 20.4% 4, dat is de hoogste waarde van alle dunne-film zonnecellen.
ove_content "> Om de CIGS dunne-film fotovoltaïsche technologie verder vast te stellen, zowel de vermindering van de productiekosten en de verbetering van de zonnecel efficiëntie zijn essentieel. De laatste is sterk afhankelijk van de microstructuur en de chemische samenstelling van de CIGS absorberende laag. Interne interfaces, in het bijzonder korrelgrenzen (GB) in de absorber, spelen een cruciale rol, want ze kunnen invloed hebben op de transport van photogenerated ladingsdragers.Een van de belangrijkste onopgeloste vraagstukken met betrekking tot CIGS zonnecellen is het goedaardige karakter van CIGS GB, dwz polykristallijne CIGS absorber films opleveren uitstekende celrendementen ondanks een hoge dichtheid van GB en roosterfouten.
Verschillende auteurs bestudeerden GB's in solar-grade CIGS films met betrekking tot hun elektrische eigenschappen 5,6, karakter en misoriëntatie 7-9 evenals onzuiverheid segregatie 10-13. Echter geen duidelijk verband tussen deze properties kon tot dusver worden vastgesteld. Met name is er een substantieel gebrek aan informatie over de lokale chemische samenstelling en onzuiverheden van de GB.
In de afgelopen twee decennia, heeft Atom Probe Tomography (APT) ontpopt als een van de veelbelovende nano-analysetechnieken 14-17. Tot voor kort APT studies van zonnecellen zijn grotendeels beperkt door problemen in de steekproef voorbereidingsproces en de beperkte capaciteit van het analyseren van halfgeleidende materialen met behulp van conventionele gepulste-voltage atoom sondes. Deze beperkingen zijn grotendeels overwonnen door de ontwikkeling van de 'lift-out methode gebaseerd op gefocusseerde ionenbundel (FIB) frezen 18 en de invoering van gepulste laser APT 16. Verschillende papers over APT karakterisering van CIGS zonnecellen zijn gepubliceerd 19-23, die sterk zijn bemoedigend voor verder onderzoek.
Dit document geeft een leidraad over hoe om te studeren interne interfaces in CIGS dunne-film zonnecellen door het atoom sonde tomografie techniek.
Protocol
Representative Results
Discussion
In het huidige werk, hebben we APT resultaten gepresenteerd op een willekeurige HAGB in CIGS, een samengestelde halfgeleider materiaal dat wordt gebruikt voor fotovoltaïsche toepassing. Verder hebben we ook aangetoond dat APT samen met complementaire technieken zoals EBSD en TEM, is een krachtig middel om de structuur-eigenschappen samenstelling relatie voor de CIGS zonnecellen helderen. Helaas is de correlatie tussen APT en EDX / EELS in TEM was niet mogelijk omdat enerzijds EDX / EELS niet over voldoende resolutie om…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk is opgericht door de Duitse Research Foundation (DFG) (Contract CH 943/2-1). De auteurs willen graag Wolfgang Dittus en Stefan Paetel dank uit Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg voor het bereiden van de CIGS absorberende laag voor dit werk.
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).
