Atom Probe tomografias no Cu (In, Ga) Sé<sub> 2</sub> Contornos de grão
Summary
Neste trabalho, nós descrevemos o uso da técnica de tomografia por sonda átomo para estudar os limites dos grãos da camada de absorção de uma célula solar de CIGS. Também é apresentada uma nova abordagem para preparar as pontas das sondas que contêm o átomo de limite de grão desejado, com uma estrutura conhecida aqui.
Abstract
Em comparação com as técnicas existentes, um átomo de tomografia sonda é uma técnica única capaz de caracterizar quimicamente as interfaces internas em nanoescala e em três dimensões. Com efeito, o APT possui uma elevada sensibilidade (da ordem de ppm) e uma elevada resolução espacial (sub nm).
Esforços consideráveis foram feitas aqui para preparar uma dica APT que contém o contorno de grão desejado com uma estrutura conhecida. De fato, a preparação da amostra site-specific usando combinado focada-ion-beam, difração de elétrons backscatter, e microscopia eletrônica de transmissão é apresentada neste trabalho. Este método permite contornos de grãos selecionados com uma estrutura conhecida e localização em Cu (In, Ga) Se 2 thin-metragens a serem estudadas por átomo tomografia sonda.
Finalmente, discutimos as vantagens e desvantagens de usar a técnica de tomografia átomo sonda para estudar os limites de grão em Cu (In, Ga) Se 2 células solares de película fina.
Introduction
Células solares de filme fino baseados na calcopirita-estruturado composto semicondutor Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) como material absorvedor de ter estado em desenvolvimento há mais de duas décadas por causa de sua alta eficiência, dureza radiação, a longo prazo estável desempenho e baixo custos de produção 1-3. Estas células solares pode ser fabricada só com pouco consumo de material, devido às propriedades ópticas favoráveis da camada de CIGS absorvente, ou seja, um bandgap directa e um elevado coeficiente de absorção de 1,2. Filmes Absorber de apenas alguns micrómetros de espessura são suficientes para gerar uma alta fotocorrente. Uma vez que os caminhos de difusão de transportadores de carga fotogerados aos eléctrodos são relativamente curtos, os absorvedores de CIGS pode ser produzido na forma de policristalino. A eficiência máxima de Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) de células solares conseguida até agora é de 20,4%, 4, que é o valor mais elevado entre todas as células solares de película fina.
ove_content "> Para estabelecer melhor a tecnologia fotovoltaica de película fina CIGS, tanto a redução dos custos de produção e ao melhoramento da eficiência da célula solar são essenciais. Esta última é fortemente dependente da composição da camada absorvente CIGS microestrutura e química. Interfaces internas, em especial, limites de grãos (GBs) dentro do amortecedor, desempenham um papel fundamental, como eles podem afetar o transporte de portadores de carga fotogerados.Uma das principais questões em aberto no que diz respeito às células solares CIGS é a natureza benigna do CIGS GBs, ou seja, policristalinos CIGS filmes absorvente produzir a eficiência das células em circulação, apesar de uma alta densidade de defeitos GBs e estrutura.
Vários autores estudaram GBs CIGS em filmes de grau solar que diz respeito às suas propriedades eléctricas, 5,6 misorientation caracteres e 7-9, bem como impureza segregação 10-13. No entanto, nenhuma ligação clara entre estes properties podem ser estabelecida até agora. Em particular, existe uma ausência substancial de informações sobre a composição química local e o teor de impureza de GBs.
Nas últimas duas décadas, Atom Probe Tomography (APT) tem emergido como uma das promissoras técnicas de nano-analíticos 14-17. Até recentemente, estudos APT de células solares têm sido largamente restringido por dificuldades no processo de preparação da amostra e da capacidade limitada de análise de materiais semicondutores utilizando sondas átomo pulsada tensão convencionais. Estas restrições têm sido largamente superado pelo desenvolvimento do "método lift-out 'baseado em feixe focalizado (FIB) moagem íon 18 ea introdução do laser pulsado APT 16. Vários trabalhos sobre APT caracterização de células solares CIGS foram publicados 19-23, que são fortemente encorajador para novas investigações.
Este artigo dá uma orientação de como estudar interno interfaces no CIGS película fina de células solares por meio da técnica de tomografia sonda de átomo.
Protocol
Representative Results
Discussion
No presente trabalho, apresentamos os resultados do APT em um HAGB aleatório no CIGS, um material semicondutor composto usado para aplicação fotovoltaica. Além disso, também têm demonstrado que o APT em conjunto com técnicas complementares, tais como EBSD e MET, é uma ferramenta poderosa para elucidar a relação estrutura-propriedades composição para as células solares CIGS. Infelizmente, a correlação entre o APT e EDX / enguias em MET não era possível porque, em primeiro lugar, EDX / ENGUIAS não tenha …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho é fundada pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) (Contrato CH 943/2-1). Os autores gostariam de agradecer Wolfgang Dittus, e Stefan Paetel de Zentrum für Sonnenenergie-und Forschung Wasserstoff-Baden-Württemberg para a preparação da camada absorvente CIGS para este trabalho.
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).
