CIGS太阳能电池微结构的FIB-SEM研究

利用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)技术，研究了由Cu(In,Ga)Se2材料制成的高性能薄膜太阳能电池。样品通过对比底物进行切片，并经FIB处理以评估细胞内部成分。

使用传统方法制备韧性或聚合物衬底通常是非常具有挑战性的，然而，这种机制在这些样品上是非常有效的。扫描透射电子显微镜(STEM)显示前电极和后电极的微小细节，允许使用能量色散光谱(EDS)分析<10 nm空间分辨率。此外，利用二次离子质谱(SIMS)证实了碱从基质进入细胞的扩散。

介绍

光伏效应被定义为太阳能电池将太阳能转化为电能的过程。2016年，全球所需电力的近1.8%是通过这种方法产生的^［1］．随着绿色能源机制变得更便宜，这一比例预计将大幅上升。

通常，晶体硅被用作商业规模的太阳能电池的活性材料。然而，薄膜电池也可以使用。这种方法使用一种薄膜作为吸收元件，其直径可以在纳米到微米之间。总的来说，该方法具有制造成本低、重量轻等优点。此外，使用这种薄吸收体意味着可以制造可延展和半透明的电池，这使得以前不可能的应用成为可能。

目前，薄膜铜铟镓硒(CIDGd)太阳能电池的效率超过22%^［2］这与最新的由多晶硅组成的太阳能电池的性能相当。进一步的改进旨在扩大这种效率水平，使用电子显微镜在微观结构水平上以非常高的分辨率检查太阳能电池。

这篇文章的目的是详细的各种实验方法，允许深入的材料表征CIGS太阳能电池，利用ZEISS横梁。欧洲杯足球竞彩

横截面成像

为了评估CIGS太阳能电池不同的基本层，对样品进行了切片和制备。在这个实验中，CIGS细胞被切割并放置在玻璃上。总体而言，电池由玻璃基板、钼背电极、CIGS吸收体、CdS缓冲层、微小ZnO层和掺铝ZnO致密层组成。

解理是一种适用于强物质的技术，如玻璃，然而，经常用于新应用的延展性基材不能用这种方式切割。相反，这些样品是通过撕裂制备的。然而，这可能会导致地层分层，从而使完整地层的定位既具有挑战性又耗时。这可能也适用于样品的裂解。

图1所示。(a)剪切CIGS样品的彩色SEM图像。(b) CIGS太阳能电池标准结构示意图。

一种原位制备FIB-SEM横截面的替代方法提供了一种有用的替代方法，可以检测所有CIGS细胞，而不需要衬底的存在。最初，样品被放置在一个54°倾斜，面对FIB波束。这确保FIB光束与样品表面成直角，并能在感兴趣的高度特定位置切割沟槽。当样品被放置在两者之间的连接处时，可以在FIB磨铣后和磨铣过程中进行扫描电镜检查FIB和SEM梁。在本实验中，断面宽度为20µm，深度较大，显示了整个层序。总的来说，样品在10分钟内制备完成。

四种不同的基质(玻璃，氧化铝，钢和聚酰亚胺)被用来容纳CIGS电池，横切和制备。对每个样品采用相同的铣削参数，说明了FIBSEM方法的广泛应用。钢电池的进一步制备包括在导电衬底上覆盖2.5µm的绝缘SiO_x．

图2。(a)显示样品的排列，以及FIB-SEM横截面工作时的FIB和SEM梁的示意图。(b)玻璃上CIGS太阳能电池横截面的SEM概览图像。图3中更详细地显示了绿色虚线框架内的区域。

图3。不同衬底上CIGS太阳能电池的横截面。从左到右依次为:玻璃、氧化铝、二氧化硅_x钢和聚酰亚胺。

观察到的样品在每个CIGS层上都有明显的散斑模式。这些斑点被认为是Abou-Ras等人发现的富铜珠。^［3］．本研究发现，这些液滴是由于铜的分离而形成的，铜在截面表面集中，并结合了较大的表面扩散。这种液滴成分可以通过在铣削过程中应用反应性气体或在低温下铣削来减少。

干细胞成像

为了演示STEM过程，从氧化铝样品上的CIGS制备了薄片。在5 kV能量下，通过FIB抛光获得了该样品的电子透明度。

总的来说，从这个样品获得的分辨率高得多，可以分析不同的对比。由于晶粒形貌的差异，ZnO层内的单质氧化锌与al掺杂氧化锌相区别较大。al掺杂ZnO中晶粒伸长，本征区晶粒很小。

图4。(a) STEM过程中样品和检测器的示意图。(b)氧化铝上CIGS太阳能电池的STEM图像概述。

图5。(a) Mo背面接触细节。虚线显示内部接口。(b) ZnO层细节。Al和i:ZnO表现出不同的晶粒结构。虚线表示i:ZnO层的极限。

高分辨率EDS

EDS绘制了薄层的微小区域。这是在15千伏SEM着陆能源利用一个EDAX辛烷精英超级EDS机器,这些结果使用不同的颜色来表示,而沟通Pt M,锌K, L Cd L, L,莫和O K线和显示特征签名为每个不同的不同的层。

图6。氧化铝薄片上CIGS区域的EDS制图。插图显示了Cd L EDS信号作为绿色线的位置函数。

EDS绘图可以轻松解决深度超过58 nm的CdS层。在本研究中，从获得的数据中获得该特定层的线扫描，并将Cd L计数表示为位置的函数图。然后利用得到的图形来近似EDS测量的空间分辨率。这被确认为远低于10纳米，这与之前分析不同材料系统时进行的类似实验一致^［6］．

二次离子质谱学

在CIGS的活性物质中发现了非常少量的碱元素，例如钠(Na)和钾(K)，可以提高太阳能电池的效率^［2］．在生长过程中，这些元素从衬底分散到CIGS上。然而，EDS不能检测这些非常低的浓度，因为它不够灵敏。为了检测这些元素，在FIB-SEM中进行了二次离子质谱(SIMS, Hiden Analytical EQS 1000)分析。

制备的样品有一小块区域被FIB逐渐去除。在铣削过程中，从样品中溅射出二次离子。然后这些离子被转移到质谱仪中进行研究，测量它们的质量电荷比(m/q)。一个或多个指定的m/q值的量化量可以记录为铣削周期的函数。随着铣削循环次数的增加，样品的深度区域可以被研究。

图7。两个CIGS太阳能电池的In, K和Na的SIMS深度剖面，有不同的基片:玻璃(实线)和氧化铝(虚线)。

在一项研究中，如前所述，分析了玻璃上的CIGS和氧化铝样品上的CIGS的两个SIMS深度剖面。这些样品具有相同的参数，它们的元素深度剖面也几乎相同。然而，在测量Na和K信号时却没有观察到这一点。在测量玻璃基板样品时，与氧化铝样品相比，K和Na信号从基板一直到ZnO层都越来越强。然而，有人假设这是由于玻璃样品中存在的碱元素。

在本研究中，没有对Na和K的浓度进行定量测定。这是由于这个量化有很大的困难，因为二次离子的产生很大程度上依赖于环绕的矩阵(矩阵效应)。因此，必须使用标准，即具有明确碱浓度的CIGS样品。然而，在这项工作中并没有这样做，因为只打算研究原则的证明。

结论

因此,FIB-SEMs是材料微观结构测量研究中非常重要的工具。本文通过使用CIGS太阳能电池作为一个模型来说明这一点。

引用:

1. 《2017年全球光伏市场快照》，报告国际能源署(2017)，第6页。
2. T. Magorian Friedlmeier，高效Cu (In, Ga) Se2太阳能电池，Thin Solid Films 633(2017)，第13 - 17页。
3. D. Abou-Ras等，Cu (in,Ga) (S,Se)2薄膜样品制备的改进，Micron 43 (2012)， pp. 470 - 474。
4. 蔡司fe - sem和横梁的环形探测器，蔡司技术说明(2015)，在线。
5. “CIGS太阳能电池中Cu(In,Ga)Se2/Mo界面的表征”，《薄膜与光电子学》(2001)，第33 - 34页。
6. D. Willer和F. Pérez-Willard，不锈钢中铬损耗的高分辨率STEM和EDS研究，蔡司应用笔记(2015)，在线。

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