Der er beskrevet en opsætning for røntgenstråle inducerede Strømmålinger ved Synchrotron beamlines. Det afslører nanoskala ydeevne af solceller og udvider suite af teknikker til multimodal røntgen mikroskopi. Fra ledningsføring til signal-til-støj optimering, er det vist, hvordan man udfører State-of-the-art XBIC målinger på en hård røntgen mikrosonde.
Røntgenstråler induceret strøm (xbic) målinger tillader kortlægning af nanoskala ydeevne af elektroniske enheder såsom solceller. Ideelt set er XBIC ansat samtidigt med andre teknikker inden for en multimodal røntgen mikroskopi tilgang. Et eksempel er givet heri kombinerer XBIC med røntgen fluorescens at muliggøre punkt-for-punkt korrelationer af den elektriske ydeevne med kemiske sammensætning. For det højeste signal-støj-forhold i XBIC-målinger spiller lås-in forstærkning en afgørende rolle. Ved denne fremgangsmåde moduleres Røntgenstrålen af en optisk chopper opstrøms for prøven. Den modulerede røntgenstråle induceret elektrisk signal forstærkes og demoduleres til chopper frekvens ved hjælp af en lås-in forstærker. Ved at optimere lavpasfilter indstillinger, modulationsfrekvens og amplifikationsamplituder kan støjen effektivt undertrykkes for udvinding af et klart XBIC-signal. En lignende opsætning kan bruges til at måle røntgen strålens inducerede spænding (XBIV). Ud over standard målinger af XBIC/XBIV kan XBIC måles med bias-lys eller bias-spænding, således at udendørs arbejdsforhold for solceller kan gengives under in situ- og operando -målinger. I sidste ende giver den multimodale og flerdimensionelle evaluering af elektroniske enheder i nanoskalaen ny indsigt i de komplekse afhængigheder mellem sammensætning, struktur og ydeevne, hvilket er et vigtigt skridt i retning af at løse materialernes Paradigme.
I en verden, hvor efterspørgslen efter elektrisk energi konstant stiger, er en ren og bæredygtig energikilde i stigende grad nødvendig. En mulighed for at tackle disse krav er fotovoltaiske (PV) systemer1,2,3. For en målrettet og effektiv måde at udvikle næste generation af solceller, er det nødvendigt at forstå, hvordan sammensætningen og strukturen af solcellerne påvirker deres præstation4. Typiske spørgsmål i Solar Cell udvikling omfatter: hvilke typer af defekter er mest skadelige, og hvor er de placeret5,6? Er der inhomogeniteter i elementær distribution, og hvad er deres indvirkning7,8,9? Hvordan ændrer solcellerne sig på modul montage og aldring10,11?
Da en solcelle kun er så god som dens svageste del, er det især vigtigt at forstå effekten af kompositoriske og strukturelle variationer på ydeevnen i polykrystallinske solceller, der lider iboende af inhomogeniteter7, 8. Dette gælder især for tynde film (TF) solceller, som indeholder absorber lag med krystallit størrelser i mikrometer området. Her, effekten af korn grænser på ydeevne er af største interesse, men deres lille størrelse og det faktum, at de er begravet i en hel lag stak udgør unikke karakterisering udfordringer. Desuden kræver den komplekse kemi af multikomponent absorber lag med sameksisterende faser og interne gradienter sofistikerede karakteriserings metoder12.
Synchrotron-baserede hårde X-ray mikroskoper er i stand til at opfylde de karakterisering udfordringer TF solceller: de giver X-ray spot størrelser ned til nanometer skala13,14,15,16 og penetration dybde af hårde røntgenstråler gør det muligt at sonde de forskellige enhed lag17, herunder begravet absorber lag. Med et væld af forskellige måleteknikker ved en scanning X-ray mikroskop, bliver det muligt at samtidig studere ikke blot én, men mange forskellige aspekter af solceller inden for multimodal målinger og til at korrelere de observerede egenskaber. For eksempel er røntgenstråle induceret strøm (xbic) målinger med succes blevet kombineret med røntgen fluorescens (XRF)7,18,19, x-ray spændt optisk luminescens (xeol)20, 21, og X-ray DIFFRAKTION (xrd)22 til at korrelere den elektriske ydeevne med sammensætning, optisk ydeevne, og struktur, henholdsvis23.
Under xbic målinger af solceller eller andre enheder under test (DUT)24,25, hændelsen røntgen fotoner sæt partikel brusere bestående af elektroner og fotoner, hvilket resulterer i en lang række spændte elektron-hulpar per hændelse X-ray photon i halvledende absorber materiale. Endelig elektron-hullet par thermalize til bandet kanter af solcellen absorber. Derfor kan disse røntgen spændte opladnings bærere behandles som opladnings bærere, der genereres ved absorption af fotoner med energier lige over bånd hullet under normal solcelle drift, og den resulterende strøm eller spænding kan måles som X-ray stråleinduceret strøm23,26,27 eller spænding (xbiv)28,29 svarende til mere almindelige målinger som elektronstråle induceret strøm (EBIC) eller laserstråle induceret strøm (lbic). Derfor, XBIC/XBIV-signalet afhænger ikke kun af tykkelsen af absorber lag, men også på den elektriske præstation af DUT, både på mikroskopisk og makroskopisk niveau, herunder den lokale bandgap, Fermi-niveau opdeling, og rekombination. Således er vi i stand til at kort lokale variationer af afgiften-Carrier indsamling effektivitet, der er defineret som sandsynligheden for, at en eksternt ophidset elektron-hul par i absorberen lag er indsamlet på de elektriske kontakter af DUT.
Bemærk, at kun elektron-hulpar, der genereres i absorber laget af DUT, bidrager til XBIC/XBIV-signalet. Charge bærere genereret i andre lag, såsom de metalliske kontakter eller substrat vil straks rekombinere, da de ikke har nogen mulighed for at blive adskilt af krydset. Derfor påvirker andre lag kun XBIC/XBIV målinger via sekundære effekter såsom parasitisk røntgen absorption eller emission af sekundære fotoner og elektroner, der kan genabsorberes i absorber laget. I modsætning hertil bidrager alle lag muligvis til XRF-signalet.
Da XBIC og XBIV signaler kan være små (ofte, variationer i sub-picoampere og nanovolt rækkevidde er af interesse), signalerne er let begravet i støj. Derfor foreslog vi at udnytte lock-in forstærkning til at udtrække XBIC og XBIV signaler30. Til dette formål moduleres den indkommende røntgenstråle af en optisk helikopter som angivet i figur 1. Denne graduering overfører til det signal, der produceres af DUT. Før signalet føres ind i lock-in forstærker (LIA), en præ-forstærker (PA) bruges typisk til at matche den rå signalintensitet med rækkevidden af analog-til-digital konverter ved indgangen af den digitale LIA. LIA blander det modulerede måle signal med reference signalet. Ved at anvende et lavpasfilter, er det kun frekvenser tæt på reference signalet, der sendes igennem og forstærkes31. Dette giver mulighed for en effektiv ekstraktion af XBIC-eller XBIV-signalet fra en støjende baggrund.
I protokollen introducerer vi de forudsætninger og beslutningsforslag, der er nødvendige for at opnå vellykkede XBIC-målinger, herunder det rå signal (jævnstrøm, DC) og det modulerede signal (vekselstrøm, AC). Ud over at beskrive tekniske detaljer diskuterer vi en xbic-opsætning i forbindelse med multimodale målinger på strålinger P06 på Petra III13. Bemærk, at i forhold til de fleste laboratorieforsøg, miljø af bure på hårde X-ray nanopkåber kræver særlig planlægning og overvejelse. Specifikt, multimodal målinger med nanometer-Scale resolution udfordre experimentalisterne med en række specifikke begrænsninger. For eksempel er elektronisk støj ofte til stede med store amplituder fra piezo-drevne motorer og andet udstyr, såsom strømforsyninger af detektorer. Desuden skal der arrangeres et væld af anordninger og detektorer i optimeret geometri uden at forstyrre hinanden eller fremkalde vibrationer. Figur 1 afbilder en typisk opsætning for xbic målinger i kombination med XRF og små/vidvinkel X-ray spredning (Saxs/waxs) målinger.
I dette kapitel drøfter vi først relevansen af generelle XBIC-Målingsindstillinger med hensyn til støj (a) og scanningshastighed (b). Dernæst sætter vi XBIC-målinger i forbindelse med multimodal målinger og diskuterer aspekter af røntgenstråle induceret skade (c) og specifikke udfordringer i forbindelse med samtidige målinger af flere parametre (d). Endelig sammenligner vi XBIC-målinger med relaterede målinger ved hjælp af elektron-og laserstråler som sonder (e).
a) støj og fejl
Selv om lås-in forstærkning muliggør et højere signal-støj-forhold sammenlignet med direkte forstærkning, er det afgørende at undgå at indføre støj på alle niveauer, som det er blevet understreget gentagne gange i hele dette manuskript. For yderligere diskussion, henviser vi til litteratur diskuterer måling af små elektriske signaler42,43,44,45. Selvom State-of-the-art lock-in forstærkere er baseret på digital signalbehandling i dag, de fleste strategier til at reducere støj ved hjælp af analoge lås-in forstærkere stadig gælder.
Opsummering, bør det erindres, at kabler er tilbøjelige til at fungere som antenner og dermed indføre støj i systemet. Dette gælder især i miljøet af X-ray nanopkåber, hvor stærke elektromagnetiske felter er ofte uundgåelige, deres kilder kan endda forblive ukendte. Som følge heraf skal kablerne holdes så korte som muligt og orienteres således, at det inducerede støjniveau minimeres. Ekstra afskærmning af signalkablerne kan yderligere reducere støjniveauet.
Den korrekte kontakt af DUT er lige så vigtigt for støj minimering. En ren og robust metode med små kontaktpunkter er wire bonding. For TF solceller virker dette ikke altid på grund af vedhæftnings problemer. Alternativt er konduktivt tape baseret på grafit, kobber eller aluminium velegnet til større prøver. I mange tilfælde opnås de bedste resultater med manuel påføring af sølv maling til at kontakte tynde kobber-, guld-eller platin ledninger til enheden. Mens tape og grafit pasta måske ikke giver den bedste kontakt, kan sølv maling nemt kortslutte enheden og skal deponeres med yderste omhu. Polyimide tape kan bruges til at forhindre kortslutning af forreste og bageste kontakt.
Bemærk, at kablings layoutet fra kontakt til signal transport skal tilpasses til beamline-specifikke grænseforhold. For eksempel er layoutet afbildet i figur 1 med det præ-amplificerede signal, der opdeles i Lia og til V2F omformere, risikabelt, hvis de V2F omformere er placeret uden for Hutch. I dette tilfælde kan det lange kabel mellem præ-forstærker og V2F Converter fange støj, der overføres til LIA. Derfor skelner vi mellem tre tilfælde af fælles signal stier for XBIC-eller XBIV-målinger:
Tilfælde A: XBIC måles med en præ-forstærker, og DC/AC-signalet opdeles efter PA som afbildet i figur 1. I dette tilfælde kan en aktuel forskydning anvendes i PA sådan, at signalet altid er positivt, undgå behovet for at registrere det positive og negative signal via to separate V2F omformere. Som en ulempe, dette ville reducere den tilgængelige spænding accept Range i LIA og føre til reduceret følsomhed.
Tilfælde B: undgå opdeling af det præ-forstærkede signal, som kun er input til LIA, kan der anvendes en yderligere demodulator i LIA med et lavpasfilter ved maksimumværdien (dvs. ikke låsning i modulations frekvensen), således at præ-forstærket signal kan effektivt udsendes til DAQ-enheden som vist i figur 6a,E. I dette tilfælde kan en spændings forskydning på udgangen anvendes på både AC-og DC-signalet, så man undgår at skulle registrere det positive og negative signal via to separate V2F-omformere. Dette har ingen væsentlige ulemper bortset fra en reduktion af det tilgængelige frekvensområde af V2F, som er sjældent begrænsende.
Sag C: XBIV måles, og DC/AC-signalet er delt mellem DUT-og lock-in-forstærkeren. I dette tilfælde, ingen spændings forskydning på DC-signalet kan anvendes uden at anvende en uønsket bias spænding på DUT, således at altid to separate V2F omformere er nødvendige for de positive og negative signal dele.
I alle tilfælde, hvor de negative og positive dele af et signal registreres via to forskellige V2F omformere, opnås det totale XBIC-eller XBIV-signal som forskellen mellem den positive og den negative kanal. Hvis en LIA med to eller flere demodulatorer er tilgængelig, foretrækker vi typisk sag B, da det minimerer ledningsføringen af det rå signal og gør det nemt at skifte mellem XBIC-og XBIV-målinger.
Fejlen ved XBIC-målinger afhænger i høj grad af det udstyr og de indstillinger, der anvendes, således at der ikke kan gives nogen fejl kvantificering her. Den absolutte fejl er højere, end man kunne forvente på grund af eksperimentelle og systematiske fejl. Dette gælder især, hvis XBIC-signalet konverteres til at oplade indsamlings effektiviteten ved at skalere med en konstant som beskrevet i protokollen. For eksempel lider den empiriske relation mellem bandgap og ioniserings energi beskrevet af α (Se EQ. 4) af signifikant spredning; foton flux målinger er ofte ikke tilgængelige med absolutte fejl under 10%; og den nanoskopiske struktur af DUT er dårligt kendt. Men vi understreger, at styrken af lock-in forstærket XBIC og XBIV målinger ligger i den store relative nøjagtighed i kort eller sammenlignelige målinger.
(b) scanningshastighed
I mange måle tilstande, der er baseret på foton-detektion såsom XRF eller røntgen spredning, øges signal intensiteten i den første tilnærmelse lineært med anskaffelsestid med tilsvarende øget signal-støj-forhold. Dette gælder ikke for XBIC-målinger, hvor vinduet med mulige scanningshastigheder ikke dikteres af optællingsstatistik, men af mere komplekse overvejelser, såsom operatør dynamik og enhedsstruktur.
Ikke desto mindre fører langsomme målinger med mange perioder med moduleret signal pr. pixel typisk til det bedste signal-til-støj-forhold ved lås-in-forstærkede XBIC-målinger og oversampling med udjævning under efter behandling (f. eks. ved Binning eller påføring af filtre) kan yderligere reducere støjniveauet, hvis måle tiden tillader det. Bortset fra overvejelser om gennemløb kan yderligere begrænsninger dog sætte lavere grænser for måle hastigheden, herunder: (1) nedbrydning af røntgenstråler (Se følgende afsnit) eller miljø inducerede stikprøve ændringer under in situ- målinger reducerer ofte den tilladte opholdstid. (2) prøve afdrift og reproducerbarhed af scene bevægelser kan være begrænsende, især for målinger i nanoskala. (3) variationer af det elektromagnetiske støjniveau kan være løbe fra ved hurtigere målinger. (4) foton-optælling målinger kan nemt normaliseres til hændelsen photon flux, XBIC signal (og endnu mere så XBIV signal) er kun til en vis grad lineær til hændelsen photon flux28. Normaliseringen af foton flux kompenserer derfor kun en del af virkningerne af foton-flux-variationen, og man bør undgå at tage XBIC-målinger (f. eks. kort eller tidsserier), mens flux er varieret. Dette er især et problem, når opbevarings ringen fyldes under et XBIC-kort.
Hvis XBIC-måle hastigheden ikke styres af andre måle tilstande (Se afsnit (d)), tages der typisk XBIC-målinger med den maksimale hastighed, der giver tilfredsstillende signal-støj-forhold. Øvre grænser for måle hastigheden er givet ved følgende begrænsninger: (1) en grundlæggende øvre grænse for måle hastigheden er svartid for DUT. I sidste ende, responstid er begrænset af afgiften-indsamling tid. For de fleste tynde film solceller med opladnings-Carrier levetid i nano-eller mikrosekund området, er dette ukritisk, men dette skal holdes for øje for høj kvalitet krystallinske silicium solceller med levetid på flere millisekunder. Men, kapacitans effekter kan øge responstid også af TF solceller, således at det kan begrænse måle hastigheden. (2) roterende chopper klinger, der bruges til at modulere Røntgenstrålen har øvre hastighedsgrænser. Afhængigt af deres placering i Røntgenstrålen kan stråle størrelsen være op til 1 mm bred, hvilket definerer den minimale periode af klingen. Hvis helikopter betjenes i vakuum, er rotations frekvensen sjældent begrænsende, hvilket i nogle tilfælde også er elektron bundt frekvensen. Men driften af Choppers ved sådanne hastigheder i vakuum er udfordrende, således at de fleste Choppers drives i luften. I dette tilfælde er rotationshastigheden begrænset af mekaniske vibrationer og i sidste ende af hastigheden på den allermest del af klingen, der skal være mindre end lydens hastighed. I vores erfaring, snitning frekvens er begrænset ofte til ~ 7000 Hz i luften. (3) i mange tilfælde fastsætter den øverste grænse for måle hastigheden den højeste respons periode. Som vist i figur 4, hurtig stigning gange af PA er forpligtet til at oversætte signal modulation fra helikopter. Til stor forstærkning anvendes støjsvag strøm forstærkere, som har en stigning på op til 100 ms. med sådanne stigning gange, kan hakke frekvensen være begrænset til få Hz, hvilket ville kræve dvæle tider på flere sekunder. Derfor er den bedste strategi ofte at vælge en lavere forstærkning af PA med en hurtigere responstid, der matcher snitning frekvens. Selv om dette udmønter sig i mindre signal-til-støjniveauer efter præ-forstærkning, kan lås-i forstærkning ofte stadig hente en høj kvalitet moduleret signal.
Som et eksempel, den anvendte PA giver en båndbredde på mere end 10 kHz for forstærkning i μA/V rækkevidde, selv for støjsvag indstilling37. Dette gør det muligt at hakke i kHz-intervallet og måle hastigheder op til 100-Hz-området med et lavpasfilter med en afskæringsfrekvens mellem scannings-og hakke frekvensen. Disse er målebetingelser, vi ofte udnytter.
For at undgå at måle artefakter er det afgørende vigtigt at analysere signalet langs forstærknings kæden: der henviser til, at begrænsningen ved lavpasfilteret af LIA let kan detekteres som linje artefakter i kort (udtværing ud af XBIC-signalet på tværs af flere pixels), system respons af DUT og PA kræver inspektion af signalet med et anvendelsesområde, som kan integreres i LIA.
c) stråleskader
Røntgenstråle induceret skade er et almindeligt problem, og er blevet drøftet for mange systemer, fra biologiske prøver til silicium solceller og detektorer46,47. Selv om uorganiske halvledere generelt er mere robuste mod røntgenbestråling sammenlignet med organiske halvledere eller biologiske systemer, er røntgenstråle induceret skade også almindelig i tynde film-solceller. Specifikt, vi har observeret røntgenstråle induceret skade af solceller med CdTe, CIGS29, perovskite18, og organisk absorber lag. Bemærk, at den elektroniske respons af DUT som solceller er følsom over for defekte koncentrationer under ppm-niveauet, hvor ladebæreren rekombination påvirker ydeevnen uden synlige kemiske skader.
Derfor er det generelt nødvendigt at teste følsomheden af en DUT til stråleskade. I praksis evaluerer vi røntgen strålens inducerede nedbrydning af enhver DUT forud for faktiske XBIC-målinger og fastlægger betingelser, der gør det muligt at måle målinger, som er mindst påvirket af nedbrydnings effekter.
Der findes forskellige strategier til at håndtere røntgenstråle forårsagede skader, men hvad de alle har til fælles, er, at de har til formål at reducere strålingsdosis på et målested forud for evalueringen af ydeevnen der. Med andre ord, målet er at løbe fra nedbrydning efter paradigme “foranstaltning hurtigere end DUT nedbrydes”. Strategierne omfatter: (1) Brug korte opholdstid. (2) Forøg trin størrelsen, hvilket reducerer måleopløsningen. (3) Reducer røntgen strålens intensitet med dæmpnings filtre. Afhængigt af beamlin og DUT kan der vælges forskellige tilgange eller en kombination heraf. For eksempel, manglen på hurtige skodder eller fly-Scan modes udelukke (1), og bred spredning røntgenstråler profiler såsom dem, der genereres af zone plader kan føre til betydelig nedbrydning langt væk fra den centrale stråle position.
Heldigvis, de fleste nedbrydning mekanismer kun føre til lokalt forbedret ladning Carrier rekombination. Dette begrænser den laterale virkning af nedbrydningen til opladerens diffusions længde, og XBIC-målingerne længere væk fra de forringede områder forbliver næsten upåvirket. Hvis nedbrydnings mekanismerne i stedet fører til lokal rangering af DUT, vil yderligere XBIC-målinger blive alvorligt hæmmet. For at holde den deponerede strålingsdosis til et minimum, bør de kritiske målinger udføres først på en frisk plet og derefter bagefter, foton-sultne metoder, som XRF, der er mere ligeglade med stråleskader, kan udnyttes på samme sted.
d) multi modale målinger
Kompatibiliteten af XBIC med yderligere målemetoder muliggør direkte punkt-for-punkt korrelation mellem den elektriske ydeevne og samtidig vurderede parametre23. Her diskuterer vi kort kombinationen af XBIC-målinger med XBIV-, XRF-, SAXS-, WAXS-og XEOL-målinger. Kombinationen med yderligere målemetoder såsom elektron udbytte eller holografi kan nemt forestille sig, men disse tilstande er ikke generelt kompatible med de opsætninger eller tilstande af scanningen målinger.
Selv om den geometriske placering af detektorer og prøver til simultan måling af XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS og XEOL er mulig, er der grundlæggende og praktiske aspekter, som forbyder samtidig vurdering af alle transportformer.
(1) solcellens tilstand forbyder samtidig måling af XBIC (kortslutning) og XBIV (Open Circuit) målinger. Som xeol48,49 måler den overførsel rekombination af elektron-hulpar, en målt strøm af solcellen (xbic) ville være en konkurrencedygtig proces. Derfor udføres XEOL-målinger typisk under åben kredsløbs tilstand, hvilket er kompatibelt med samtidige XBIV-målinger.
(2) Hvis stråleskader er et problem for XBIC-eller XBIV-målinger, må de ikke kombineres med foton-sultne teknikker som XRF eller XEOL. Som tommelfingerregel er stråleskade effekter først synlige i den elektriske (XBIC & XBIV) og den optiske (XEOL) ydeevne, der er følsom over for opladning-Carrier rekombination via elektroniske defekter. For det andet opstår der strukturel skade (synlig i SAXS & WAXS) efterfulgt af en kompositoriske modifikation, der er synlig i XRF.
(3) selv om snitning af Røntgenstrålen generelt er kompatibel med alle måle tilstande, kan den føre til artefakter: for det første er den integrerede foton flux pr. pixel forskellig fra den integrerede flux, der passerer chopper hjulet i en periode. Denne effekt bliver større med et mindre forhold mellem hakning og scanningsfrekvens. For det andet kan samspillet mellem chopper hjulet og Røntgenstrålen føre til spredte, diffracted og fluorescerende fotoner. For det tredje reduceres den integrerede foton flux med 50%, hvilket er særligt kritisk for foton-sultne målemetoder.
Som en konsekvens af disse overvejelser, den ideelle måling ordning afhænger af den givne DUT og prioritering af målemetoder. Det er dog ofte klogt at starte med en måling, der er optimeret til XBIC. Hvis der kræves en lås-in-forstærket XBIV, er dette typisk den anden scanning. Ellers kan chopper fjernes, og alle andre målinger, herunder standard XBIV, kan udføres med længere opholdstid som krævet for den mest foton-sultne teknik. Ideelt set måles XRF-data under alle scanninger, hvilket giver mulighed for billedregistrering i post-processing for at højde for prøvedrift.
e) forskellige sonder til stråle inducerede målinger
Der er alternative sonder til røntgenstråler til vurdering af den rumligt løste elektriske ydeevne af en DUT med specifikke fordele og ulemper. Derfor er en kvalitativ sammenligning af XBIC med elektronstråle induceret strøm (EBIC) og laserstråle induceret strøm (LBIC) målt i elektron mikroskoper eller med optiske opsætninger angivet i tabel 2.
Den elektron-Hole pair generation af en laser kommer tættest på udendørs drift af solceller. Men den rumlige opløsning af LBIC er fundamentalt begrænset af bølgelængden af laseren. EBIC-målinger giver en større rumlig opløsning, der typisk begrænses af elektron strålens interaktions radius med DUT. Den største ulempe ved EBIC målinger er deres overflade følsomhed, hindrer vurderingen af absorber lag ydeevne gennem lagstakken eller endda i indkapslede enheder. Desuden fører ujævne overflader af DUT i kombination med ikke-lineære sekundære-elektron emissions effekter ofte til forvrængede EBIC-resultater. I modsætning hertil lider XBIC-målinger næppe af topologiske variationer, da det meste signal genereres dybt i bulk-materialet, og overflade opladnings effekterne afbøes ved korrekt jordforbindelse.
Alle tre stråle-induceret teknikker har til fælles, at opladning injektion er meget inhomogen, toppede ved strålen position. Som følge heraf er den overskydende luftfartsselskab koncentration og nuværende tæthed uhomogent fordelt. I et forenklet billede opererer størstedelen af solcellen i mørke, og en lille plet opererer på et højt Indsprøjtnings niveau, der kan nå hundredvis af sol ækvivalenter for fokuserede bjælker. Fordelingen på injektions niveau afhænger ikke kun af strålens størrelse og form, men også af stråle energien, enhedens stak og tids strukturen for injektionen. Indtil videre er Røntgenstrålen blevet behandlet som en kontinuerlig stråle, som er berettiget til opladning-Carrier indsamlings processer, der er langsommere end mikrosekund. Men synkrotron-fremskaffede røntgenstråler består af sub-100-PS impulser med intensiteter og pulsfrekvens afhængigt af opbevarings-ring fyldnings mønsteret. Selv om vi ikke har bemærket nogen effekt af fyldmønsteret på sammenligneligt langsom XBIC målinger, den kortsigtede injektion niveau afhænger af det. I modsætning hertil kan man gøre brug af tids strukturen for røntgenstråler: lignende som det er blevet påvist for tidsløst XEOL21, kan man forestille sig tid-løst xbic eller xbiv målinger, eller låsning af xbic/xbiv signal i elektron-bundt frekvens.
En passende drøftelse af konsekvenserne af inhomogene Indsprøjtnings niveauer kræver fuld 3D-simulering af alle relevante stråle-og enheds parametre, herunder konvolution af det tidsafhængige injektions niveau med 3D-mobilitet og levetid i DUT, som ligger uden for dette manuskript. Men det er begrebsmæssigt det samme for alle stråle-induceret strøm og spænding målinger, og vi henviser til litteraturen diskuterer injektion-niveau afhængighed af EBIC50 og lbic51 målinger.
De negative konsekvenser af lokale afgift injektion kan eksperimentelt afbødet ved anvendelse af bias lys med intensiteten af 1 sol ækvivalent, og stråle-induceret excitation tilføje kun en ubetydelig mængde af overskydende ladning bærere. I praksis er dette koncept teknologisk begrænset af den dynamiske reserve på 100-120 dB i State-of-the-art lock-in forstærkere, som svarer til et signal-til-støj-forhold på 105 til 106. Selv om dette er tilstrækkeligt for enheder af størrelse, der kan sammenlignes med strålens størrelse, tillader det ikke anvendelse af bias-lys på relevante niveauer for makroskopiske anordninger. Den indlysende løsning er at mindske stikprøvestørrelsen. Desværre er dette ofte begrænset af elektriske grænseeffekter op til flere hundrede mikrometer fra prøve grænsen eller kontaktpunkterne.
Bemærk også, at man kan gøre brug af injektion-niveau afhængighed af XBIC målinger: svarende til EBIC og LBIC, der udfører injektion-niveau serie ved at variere røntgenstråle intensitet kan afsløre oplysninger om dominerende rekombination mekanismer og oplade bære diffusion52,53.
Afslutningsvis, penetration dybden af røntgenstråler kombineret med den høje rumlige opløsning gør XBIC den mest passende teknik til at studere DUT med begravede strukturer såsom TF solceller i en korrelativ mikroskopi tilgang. Interaktions radius for XBIC-målinger er typisk mindre end for EBIC, og den rumlige opløsning er ofte begrænset af ladebærenes diffusions længde. Den største ulempe ved XBIC målinger er den begrænsede tilgængelighed af X-ray nanopkåber.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender i høj grad J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Brückner, J. Hagemann, K. Spiers og T. Boese fra Deutsches elektronen-Synchrotron (DESY) og A. Kolditz, J. Siebels, J. Flügge, C. Strelow, T. Kipp og A. Mews fra universitetet i Hamburg for understøttende målinger ved strålinger P06 ved Petra III, DESY; M. Holt, Z. Cai, m. cherukara og V. Rose fra Argonne National Laboratory (Anl) for understøttende målinger ved strålinger 26-id-C ved Advanced photon source (APS) hos Anl; D. Salomon og R. tucoulou fra det europæiske synkrotron strålings anlæg (ESRF) til understøttende målinger på strålinger ID16B hos ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy og J. Bailey fra MiaSolé hi-tech Corp., og E. Avancini, Y. Romanyuk, S. Bücheler og A. Tiwari fra de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi (EMPA) for at levere solceller. Vi anerkender DESY (Hamburg, Tyskland), et medlem af Helmholtz Association HGF, for tilvejebringelse af eksperimentelle faciliteter. Vi anerkender det europæiske synkrotron-strålings anlæg (Grenoble, Frankrig) med henblik på tilvejebringelse af synkrotron-strålings faciliteter. Denne forskning brugt ressourcer af Advanced photon source, en U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science bruger facilitet drives for DOE Office of Science af Argonne National Laboratory under kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357.
BNC cabling and connectors | From generall cable suppliers | ||
Chopper blade | Thorlabs | MC1F10HP | Apart from technical compatibility of the chopper wheel with the chopper system, it should be checked that the chopper blade sufficiently blocks the X-ray beam. |
Conductive silver paint | Conrad | 530042 | Alternative products can be obtained from Pelco and others |
Copper wires | From cable suppliers for contacting of the solar cell | ||
Current Preamplifier | Standford | SR570 | Alternatives include the Keithley 487 or 6487 Picoammeter. |
Device under test (DUT) | Suitable device for XBIC measurements. | ||
Holder with printed circuit board | Custom design | ||
Kinematic sample mount | Thorlabs | KB25/M | Optional, allows easy positioning and changing of sample. Alternatives include the M-BK-1A from Newport |
Lock-in Amplifier | Zurich Instruments | UHFLI or MFLI | Whereas the MFLI has current preamplifiers included, the UHFLI requires an external current preamplifier but offers more options. Therefore, the UHFLI was used for the presented experiment. |
Measurement control/data acquisition unit | Available at different synchrotrons. | ||
Optical Chopper | Thorlabs | MC2000B(-EC) | Alternatives include the choppers SR540 from Stanford Research Systems, or model 3502 from Newport. |
Polyimide tape | Rolls with different widths and thicknesses are available | ||
X-ray source | Available at different synchrotrons |