Atom לימודי Probe טומוגרפיה על Cu (ב, GA) Se<sub> 2</sub> גבולות גרעין
Summary
בעבודה זו, אנו מתארים את השימוש בטכניקת טומוגרפיה אטום החללית לחקר גבולות הגרעין של שכבת בולם בתא סולרי סיגריות. גישה חדשנית כדי להכין את הטיפים הבדיקה אטום המכילים דגן גבול הרצוי עם מבנה ידוע מוצגת גם כאן.
Abstract
בהשוואה לטכניקות הקיימות, הבדיקה האטום טומוגרפיה היא טכניקה ייחודית מסוגלת לאפיין את הממשקים הפנימיים כימי בקנה המידה ננומטרי, ובשלושה ממדים. ואכן, APT בעל רגישות גבוהה (לפי סדר עמודים לדקה) וברזולוציה מרחבית גבוהה (תת ימי).
מאמצים רבים נעשו כאן כדי להכין את הטיפ APT שמכיל את גבול התבואה הרצויה עם מבנה ידוע. ואכן, באתר ספציפית הכנת מדגם באמצעות שילוב התמקד יון קורה, דיפרקציה backscatter אלקטרון, ומיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים מוצג בעבודה זו. שיטה זו מאפשרת לגבולות גרעין נבחרים עם מבנה ידוע ומיקום בCu (ב, GA) Se 2 דקי סרטים להיחקר על ידי בדיקה טומוגרפיה אטום.
לבסוף, אנו דנים ביתרונות ובחסרונות של שימוש בטכניקת הבדיקה האטום טומוגרפיה כדי ללמוד את גבולות התבואה בCu (ב, GA) 2 תאים סולריים בשכבות דקות SE.
Introduction
תאי סרט דק סולאריים המבוססים על המוליכים למחצה תרכובת Cu כלקופיריט מובנה (ב, GA) Se 2 (סיגריות) כחומר בולם היו בפיתוח במשך יותר משני עשורים, בגלל היעילות שלהם הגבוהה, קשיות קרינה, יציב לטווח ארוך ביצועים, ועלויות ייצור נמוך 1-3. יכולים להיות מפוברקים תאים סולריים אלה רק עם צריכת חומרים מעט בשל תכונות החיוביות האופטיות של שכבת בולם סיגריות, כלומר, bandgap ישירה ו1,2 מקדם ספיגה גבוהה. סרטי בולם של רק כמה מיקרומטרים בעובי מספיקים כדי להפיק פוטונים גבוהים. מאז את נתיבי דיפוזיה של נושאי מטען photogenerated לאלקטרודות הם קצרים יחסית, ניתן לייצר בולמי סיגריות בצורת polycrystalline. היעילות מקסימלית של Cu (ב, GA) Se 2 תא (סיגריות) שמש שהושג עד כה הוא 20.4% 4, המהווה את הערך הגבוה ביותר מבין כל תאי סרט דק השמש.
ove_content "> כדי לבסס עוד יותר את טכנולוגית פוטו סרט דק סיגריות, הן ההפחתה של עלויות ייצור והשיפור של יעילות תאים סולרית הם חיוניים. האחרון הוא מאוד תלוי במייקר ובהרכב הכימי של שכבת בולם סיגריות. ממשקים פנימיים, בגבולות גרעין מסוימים (GBS) בתוך בולם, למלא תפקיד מרכזי, כפי שהם יכולים להשפיע על ההובלה של נושאי מטען photogenerated.אחת הסוגיות לא פתורות העיקריות ביחס לתאים סולריים סיגריות הוא האופי השפיר של סיגריות GBS, סרטי בולם סיגריות polycrystalline כלומר להניב ניצולת תא מצטיין למרות צפיפות גבוהה של מומי GBS וסריג.
מספר חוקרים חקרו GBs בסרטי סיגריות שמש בדרגה ביחס לתכונותיהם החשמליות 5,6, אופי וmisorientation 7-9, כמו גם הפרדת טומאת 10-13. עם זאת, אין קשר ברור בין אלה properties ניתן להקים עד כה. בפרט, קיים מחסור משמעותי של מידע בנוגע להרכב הכימי המקומי ותוכן טומאה של GBS.
בשני העשורים האחרונים, הבדיקה האטום טומוגרפיה (APT) התפתחה כאחת טכניקות אנליטיות ננו 14-17 המבטיחות. עד לאחרונה מחקרים המתאימים של תאים סולריים היו מוגבלים במידה רבה על ידי קשיים בתהליך הכנת המדגם ואת היכולת המוגבלת של חומרים מוליכים למחצה באמצעות ניתוח בדיקות אטומי פעם מתח קונבנציונליות. הגבלות אלה היו להתגבר במידה רבה על ידי הפיתוח של 'שיטת מעלית החוצה "המבוסס על קרן אור ממוקד כרסום יון (FIB) 18 ואת ההקדמה של לייזר פעם APT 16. כמה עיתונים על אפיון של תאים סולריים APT סיגריות פורסמו 19-23, שהם מאוד מעודדים עבור חקירות נוספות.
מאמר זה נותן קווים מנחים של איך ללמוד הפנימיתאים סולריים בשכבות דקות nterfaces בסיגריות על ידי טכניקת הבדיקה האטום טומוגרפיה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשנת העבודה הנוכחית, יש לנו הציגו תוצאות APT על HAGB אקראי בסיגריות, חומר מוליך למחצה תרכובת המשמש ליישום פוטו. יתר על כן, יש לנו גם הראו כי APT בשילוב עם טכניקות משלימות, כגון EBSD וTEM, הוא כלי רב עוצמה על מנת להבהיר את מערכת היחסים של מאפייני מבנה ההרכב לתאים הסולריים סיגריות….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נוסדה על ידי קרן המחקר הגרמני (DFG) (חוזה CH 943/2-1). המחברים מבקשים להודות לולפגנג Dittus, וסטפן Paetel מZentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung באדן וירטמברג להכנת שכבת בולם סיגריות עבור עבודה זו.
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).
