Атомного зонда томографии Исследования по Cu (In, Ga) Se<sub> 2</sub> Границам зерен
Summary
В этой работе мы описываем использование атома-зонда томографии аппарат для изучения границ зерен поглощающий слой в CIGS солнечной батареи. Новый подход к подготовке атом зонды, содержащие желаемый границ зерен с известной структурой, также представлены здесь.
Abstract
По сравнению с существующими методами, атомного зонда томографии уникальный метод состоянии химически характеризуют внутренние интерфейсы на наноуровне и в трех измерениях. Действительно, APT обладает высокой чувствительностью (в порядке т) и высокое пространственное разрешение (суб нм).
Значительные усилия были сделаны здесь, чтобы подготовить APT наконечник, который содержит нужную границу зерна с известной структурой. Действительно, сайт-специфической подготовки образца с использованием технологии комбинированных сфокусированного ионного пучка, дифракции электронов обратного рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии представлена в этой работе. Этот метод позволяет отбирать границ зерен с известной структурой и расположением в Cu (In, Ga) Se 2 тонких пленок должен быть изучен томографии атомного зонда.
Наконец, мы обсудим преимущества и недостатки использования атомного зонда томографии методика исследования границ зерен в Cu (In, Ga) Se 2 тонкопленочных солнечных элементов.
Introduction
Тонкопленочных солнечных элементов на основе халькопирит-структурированных полупроводниковых соединений Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) в качестве поглотителя материала имеют разрабатывалась в течение более чем двух десятилетий из-за их высокой эффективности, радиационной стойкостью, высокой долговременной стабильностью высокая производительность и низкая себестоимость продукции 1-3. Такие солнечные элементы могут быть изготовлены только с небольшой расход материала за счет благоприятных оптических свойств поглощающего слоя CIGS, а именно прямой запрещенной зоны и высокий коэффициент поглощения 1,2. Амортизатор фильмов всего несколько микрон в толщину достаточно, чтобы генерировать высокий фототока. Поскольку пути диффузии фотогенерированных носителей заряда к электродам относительно короткие, CIGS поглотители могут быть произведены в поликристаллической форме. Максимальная эффективность Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS) солнечных элементов достигнутые на сегодняшний день составляет 20,4% 4, что является самым высоким значением среди всех тонкопленочных солнечных элементов.
ove_content "> Для дальнейшего установить CIGS тонкопленочных фотоэлектрических технологий, как снижение издержек производства и повышение эффективности солнечных клетки имеют важное значение. Последний является сильно зависит от микроструктуры и химического состава поглощающего слоя CIGS. Внутренние интерфейсы в частности, границ зерен (ГЗ) в абсорбер, играют ключевую роль, так как они могут повлиять на транспорте фотогенерированных носителей заряда.Одним из основных нерешенных вопросов в отношении CIGS солнечных батарей доброкачественной природы CIGS ГЗ, т.е. поликристаллических пленок CIGS поглотителя получения выдающихся эффективности ячейки, несмотря на высокую плотность ГЗ и дефектах решетки.
Ряд авторов изучали гигабайт солнечного качества CIGS фильмы с точки зрения их электрические свойства 5,6, характер и разориентации 7-9, а также сегрегации примесей 10-13. Однако, не четкая связь между этими ПропертиES может быть установлено до сих пор. В частности, существует значительный недостаток информации о местном химический состав и содержание примесей ГБ.
В последние два десятилетия атомного зонда томография (APT) стала одним из перспективных нано-аналитические методы 14-17. До недавнего времени APT исследования солнечных батарей не были в значительной степени ограничены трудности в процессе подготовки образцов и ограниченные возможности анализа полупроводниковых материалов с использованием обычных импульсного напряжения зондов атома. Эти ограничения в основном преодолены путем разработки "старт из метода» на основе сфокусированного ионного пучка (FIB) фрезерного 18 и введение импульсный лазер APT 16. Несколько работ о меткую характеристику CIGS солнечных батарей были опубликованы 19-23, сильно обнадеживающими для дальнейших исследований.
Эта статья дает ориентир того, как изучать внутреннее яnterfaces в CIGS тонкопленочных солнечных элементов по методике атомного зонда томографии.
Protocol
Representative Results
Discussion
В данной работе мы представили APT результаты на случайных HAGB в CIGS, материал полупроводникового соединения используются для фотоэлектрических приложений. Кроме того, мы также показали, что APT в сочетании с дополнительными методами, такими как EBSD и ПЭМ, является мощным инструментом, чтоб?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа основана Немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG) (Договор CH 943/2-1). Авторы хотели бы поблагодарить Вольфганга Dittus, и Стефан Paetel от Zentrum für Sonnenenergie-Und-Wasserstoff Forschung Баден-Вюртемберг за подготовку слоя CIGS поглотителя для этой работы.
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).
