Et oppsett for Røntgenstråle indusert gjeldende målinger ved Synchrotron beamlines er beskrevet. Den avsløre det nanoskala gjennomførelse av Solar celler og forlenger suite av teknikker for mange–modal X-rokke mikroskopi. Fra kabling til signal-til-støy-optimalisering, er det vist hvordan du utfører State-of-the-art XBIC målinger på en hard X-ray microprobe.
X-ray stråle indusert strøm (XBIC) målinger tillate kartlegging av nanoskala ytelsen til elektroniske enheter som solceller. Ideelt sett er XBIC ansatt samtidig med andre teknikker innenfor en multi-modal X-ray mikroskopi tilnærming. Et eksempel er gitt her kombinere XBIC med X-ray fluorescens å aktivere punkt-for-punkt sammenhenger av den elektriske ytelsen med kjemisk sammensetning. For det høyeste signal-til-støy-forholdet i XBIC-målinger, spiller lock-in forsterkning en avgjørende rolle. Ved denne tilnærmingen blir røntgen strålen modulert av en optisk helikopter oppstrøms av prøven. Den modulert X-ray strålen indusert elektrisk signal forsterkes og demodulerte til Chopper frekvens ved hjelp av en lock-in forsterker. Ved å optimere innstillingene for lavt pass filter, modulerings frekvens og forsterkning amplituder, kan støyen effektivt undertrykkes for ekstraksjon av et klart XBIC-signal. Et lignende oppsett kan brukes til å måle røntgen XBIV (X-ray-stråle). Utover standard XBIC/XBIV målinger, kan XBIC måles med bias lys eller bias spenning brukes slik at utendørs arbeidsforhold av solceller kan gjengis under in-situ og operando målinger. Til syvende og sist, multi-modal og multi-dimensjonal evaluering av elektroniske enheter på nanoskala muliggjør ny innsikt i de komplekse avhengigheter mellom sammensetning, struktur og ytelse, som er et viktig skritt mot å løse materialene ‘ Paradigme.
I en verden der etterspørselen etter elektrisk energi stadig stiger, er en ren og bærekraftig energikilde i økende grad nødvendig. En mulighet til å takle disse kravene er photovoltaic (PV) systemer1,2,3. For en rettet og effektiv måte å utvikle neste generasjons solceller, er det nødvendig å forstå hvordan sammensetningen og strukturen i solcellene påvirke deres ytelse4. Typiske spørsmål i Solar Cell utvikling inkluderer: hvilke typer defekter er mest ødeleggende, og hvor er de plassert5,6? Er det inhomogeneities i Elemental fordelingen, og hva er deres innvirkning7,8,9? Hvordan endres solcellene ved modulen montering og aldring10,11?
Som en solcelle er bare så god som den svakeste delen, er det spesielt viktig å forstå effekten av struktur og strukturelle variasjon på ytelsen i polykrystallinsk solceller som lider iboende fra inhomogeneities7, 8. Dette gjelder spesielt for tynne film (TF) solceller, som inneholder Absorber lag med krystallittplate størrelser i mikrometer området. Her er effekten av korn grensene på ytelse av høyeste interesse, men deres lille størrelse og det faktum at de er gravlagt i et helt lag stabel positur unike karakterisering utfordringer. Videre, kompleks kjemi av multi-komponent Absorber lag med co-eksisterende faser og interne graderinger krever sofistikerte karakterisering metoder12.
Synchrotron-baserte hard X-ray mikroskop er i stand til å møte karakterisering utfordringene i TF solceller: de gir X-ray spot størrelser ned til nanometer skala13,14,15,16 og den penetrasjon dybden av harde røntgenstråler gjør det mulig å undersøke de ulike enheten lag17, inkludert begravet Absorber lag. Med et vell av ulike måleteknikker ved skanning X-ray mikroskop, blir det mulig å samtidig studere ikke bare én, men mange forskjellige aspekter av solceller innenfor multi-modal målinger og å relatere de observerte egenskaper. For eksempel, x-rokke stråle indusert aktuelle (XBIC) måler ha med hell blitt kombinert med x-rokke fluorescens (XRF)7,18,19, X-rokke opphisset optisk luminescence (XEOL)20, 21og X-ray Diffraksjon (XRD)22 for å koordinere den elektriske ytelsen med komposisjon, optisk ytelse og struktur, henholdsvis23.
Under XBIC målinger av solceller eller andre enheter under test (DUT)24,25, hendelsen X-ray fotoner satt av partikkel dusjer bestående av elektroner og fotoner, noe som resulterer i en rekke spente elektron hull parene per hendelsen X-ray Foton i semiconducting Absorber materiale. Til slutt, elektron-hullet parene thermalize til bandet kantene av sol celle Absorber. Derfor, disse X-ray spent lade bærere kan behandles som lade bærere som er generert av absorpsjon av fotoner med energier like over bandgap under normal sol celle drift, og den resulterende strøm eller spenning kan måles som X-ray beam indusert gjeldende23,26,27 eller spenning (XBIV)28,29 lik mer vanlige målinger som elektron-Beam indusert strøm (EBIC) eller laser-Beam indusert strøm (LBIC). Følgelig, XBIC/XBIV signalet ikke bare avhenger av tykkelsen av Absorber laget, men også på den elektriske ytelsen til DUT, både på mikroskopisk og makroskopisk nivå, inkludert den lokale bandgap, Fermi-nivå splitting, og rekombinasjon. Dermed er vi i stand til å kartlegge lokale variasjoner av charge-carrier samlingen effektivitet som er definert som sannsynligheten for at en eksternt spent elektron-hulls par i Absorber laget er samlet på de elektriske kontaktene i DUT.
Merk at bare elektron-hulls parene som er generert i Absorber laget av DUT bidra til XBIC/XBIV signal. Lade bærere generert i andre lag som metalliske kontakter eller substrat vil umiddelbart recombine, som de har ingen mulighet for å bli separert av krysset. Derfor andre lag påvirker bare XBIC/XBIV målinger via sekundære effekter som parasitt X-ray absorpsjon eller utslipp av sekundære fotoner og elektroner som kan bli re-absorbert i Absorber laget. I kontrast, alle lag potensielt bidra til XRF signalet.
Gitt at XBIC og XBIV signaler kan være små (ofte, variasjoner i sub-picoampere og nanovolt rekkevidde er av interesse), signalene er lett begravet i støy. Derfor foreslo vi å bruke lock-in forsterkning å trekke ut XBIC og XBIV signaler30. For dette formålet er den innkommende røntgen strålen modulert av en optisk helikopter som indikert i figur 1. Dette moduleringshjul bærer over til signalet produsert av DUT. Før signalet mates inn i en forsterker (LIA), er en pre-forsterker (PA) vanligvis brukes til å matche den rå signal intensiteten med rekkevidden av analog-til-digital omformer ved inngangen av den digitale LIA. LIA blander modulert målings signal med referanse signalet. Ved å bruke et low-pass filter, bare frekvenser nær referanse signalet er gått gjennom og forsterket31. Dette gir en effektiv ekstraksjon av XBIC eller XBIV signal fra en støyende bakgrunn.
I protokollen, introduserer vi forutsetninger og bevegelser som er nødvendige for å ta vellykkede XBIC målinger inkludert rå signal (likestrøm, DC) og modulert signal (vekselstrøm, AC). Utover å beskrive tekniske detaljer diskuterer vi et XBIC-oppsett i forbindelse med multi-sperrende målinger på beamline P06 ved PETRA III13. Vær oppmerksom på at, sammenlignet med de fleste laboratorieeksperimenter, krever miljø bur ved hard røntgen hjemme spesiell planlegging og overveielse. Nærmere bestemt, multi-modal målinger med nanometer-skala oppløsning utfordre experimentalists med en rekke spesifikke begrensninger. For eksempel er elektronisk støy ofte til stede med stor amplituder fra piezo drevne motorer og annet utstyr, for eksempel strømforsyningen til detektorer. Videre må en rekke enheter og detektorer ordnes på optimalisert geometri uten å forstyrre hverandre eller indusere vibrasjoner. Figur 1 viser et typisk oppsett for XBIC-målinger i kombinasjon med XRF og små/vidvinkel røntgen SPREDNING (SAXS/WAXS)-målinger.
I dette kapitlet diskuterer vi først relevansen av generelle XBIC måleinnstillinger med hensyn til støy (a) og skannehastighet (b). Deretter legger vi XBIC målinger i sammenheng med multi-sperrende målinger og diskutere aspekter av Røntgenstråle forårsaket skade (c) og spesifikke utfordringer knyttet til samtidige målinger av flere parametre (d). Til slutt sammenligner vi XBIC målinger med relaterte målinger ved hjelp av elektron-og laserstråler som sonder (e).
(a) støy og feil
Selv om forsterknings forsterkning muliggjør et høyere signal-til-støy-forhold sammenlignet med direkte forsterkning, er det avgjørende å unngå å bruke støy på alle nivåer som gjentatte ganger har blitt understreket i hele dette manuskriptet. For videre diskusjon, refererer vi til litteratur diskuterer måling av små elektriske signaler42,43,44,45. Selv om State-of-the-art lock-in forsterkere er basert på digital signalbehandling i dag, de fleste strategier for å redusere støy ved hjelp av analoge lock-in forsterkere fortsatt gjelde.
Oppsummering, bør det holdes i bakhodet at kablene er tilbøyelige til å fungere som antenner og dermed innføre støy i systemet. Dette gjelder særlig i miljøet av røntgen hjemme, hvor sterke elektromagnetiske felt er ofte uunngåelig, kan deres kilder selv forbli ukjent. Som en konsekvens, kabler bør holdes så kort som mulig og orientert slik at indusert støynivået er minimert. Ekstra skjerming av signalkablene kan redusere støynivået ytterligere.
Den riktige kontakt av DUT er like viktig for støy minimering. En ren og robust metode med små kontaktpunkter er wire binding. For TF solceller, dette fungerer ikke alltid på grunn av vedheft problemer. Alternativt er ledende tape basert på grafitt, kobber eller aluminium egnet for større prøver. I mange tilfeller er de beste resultatene oppnås med manuell påføring av sølv maling for å kontakte tynne kobber, gull eller platina ledninger til enheten. Mens tape og grafitt lim kanskje ikke gir den beste kontakten, kan sølv maling lett kortslutning enheten og må deponeres med ytterste forsiktighet. Polyimide tape kan brukes til å hindre kortslutning av fremre og bakre kontakt.
Vær oppmerksom på at kabel oppsettet fra å kontakte til signal transport må tilpasses til beamline grense forhold. For eksempel oppsettet avbildet i figur 1 med pre-forsterket signal blir delt til Lia og til V2F omformere er risikabelt, hvis V2F omformere er plassert utenfor Hutch. I dette tilfellet kan den lange kabelen mellom pre-forsterker og V2F omformer fange støy som er overført til LIA. Derfor skiller vi mellom tre tilfeller av vanlige signalbaner for XBIC-eller XBIV-målinger:
Tilfelle A: XBIC måles med en pre-forsterker, og DC/AC-signalet er delt etter PA som avbildet i figur 1. I dette tilfellet kan en gjeldende offset brukes i PA slik at signalet er alltid positivt, unngår behovet for opptak av positive og negative signal via to separate V2F omformere. Som en ulempe, vil dette redusere de tilgjengelige spennings aksept rekkevidde i LIA og føre til redusert følsomhet.
Tilfelle B: unngå splitting av pre-forsterket signal, som bare er innspill til LIA, en ekstra demodulator kan brukes i LIA med lavpassfilter på maksimumsverdien (dvs. ikke låsing i moduleringshjul frekvens) slik at pre-forsterkes signal kan effektivt utgang til DAQ enhet som demonstrert i figur 6a,E. I dette tilfellet kan en spennings forskyvning på utgangen brukes på både AC-og DC-signalet, og unngår behovet for å registrere det positive og negative signalet via to separate V2F-omformere. Dette har ingen store ulemper bortsett fra en reduksjon av tilgjengelig frekvensområde av V2F, som er sjelden begrensende.
Case C: XBIV måles og DC/AC-signalet er delt mellom DUT og låse forsterkeren. I dette tilfellet kan ingen spennings forskyvning på DC-signalet brukes uten å bruke en uønsket bias spenning på DUT, slik at alltid to separate V2F omformere er nødvendig for de positive og negative signal deler.
I alle tilfeller, hvor de negative og positive deler av et signal er registrert via to forskjellige V2F omformere, det totale XBIC eller XBIV signal er innhentet som forskjellen mellom den positive og negative kanalen. Hvis en LIA med to eller flere demodulators er tilgjengelig, vi vanligvis foretrekker sak B, som minimerer ledningene av rå signalet og gjør det enkelt å bytte mellom XBIC og XBIV målinger.
Feilen av XBIC målinger avhenger sterkt av utstyr og innstillinger som brukes slik at ingen feil kvantifisering kan gis her. Den absolutte feilen er høyere enn man kunne forvente på grunn av eksperimentelle og systematiske feil. Dette gjelder spesielt hvis XBIC-signalet konverteres til å belaste innsamlings effektiviteten ved å skalere med en konstant som beskrevet i protokollen. For eksempel lider empiric forholdet mellom bandgap og ionisering energi beskrevet av α (se EQ. 4) fra betydelige scatter; Foton Flux målinger er ofte ikke tilgjengelig med absolutte feil under 10%; og den nanoscopic strukturen til DUT er dårlig kjent. Men, understreker vi at styrken av lock-in forsterket XBIC og XBIV målinger ligger i den store relative nøyaktigheten i kart eller sammenlignbare målinger.
(b) skannehastighet
I mange måle moduser som er basert på Foton deteksjon som XRF eller røntgen spredning, øker signal intensiteten i første tilnærming lineært med anskaffelses tiden, med følgelig økt signal-til-støy-forhold. Dette er ikke sant for XBIC målinger, der vinduet for mulige skannehastigheter ikke er diktert av telle statistikk, men av mer komplekse betraktninger som carrier dynamikk og enhets struktur.
Likevel, langsomme målinger med mange perioder med modulert signal per piksel fører vanligvis til det beste signal-til-støy-forholdet i lock-in forsterket XBIC-målinger, og oversampling med glatting under etterbehandling (f.eks. ved binning eller ved å anvende filtre) kan redusere støynivået ytterligere hvis målings tiden tillater det. Men bortsett fra gjennomstrømning betraktninger, ytterligere begrensninger kan sette lavere grenser for måling hastighet, inkludert: (1) X-ray stråle indusert degradering (se følgende avsnitt), eller miljø-indusert sample endringer under in-situ målinger reduserer ofte den tillatte levetiden. (2) prøvedrift og reproduserbarhet for scene bevegelser kan være begrensende, spesielt for målinger på nanoskala. (3) variasjoner av det elektromagnetiske støynivået kan løpe forbi raskere målinger. (4) mens Foton-telling målinger kan lett bli normalisert til hendelsen Foton Flux, det XBIC signalet (og enda mer så XBIV signal) er bare til en viss grad lineær til hendelsen Foton Flux28. Derfor normalisering av Foton Flux kompenserer bare en del av effektene fra Foton-Flux variasjon, og man bør unngå å ta XBIC målinger (for eksempel kart eller tid-serien) mens Flux er variert. Dette er spesielt et problem når lagringen ringen er fylt under et XBIC kart.
Hvis XBIC-målingen ikke styres av andre måle modi (se pkt. (d)), tas vanligvis XBIC-målinger med maksimal hastighet som gir tilfredsstillende signal-til-støy-forhold. Øvre grenser for måle hastigheten er gitt av følgende begrensninger: (1) en fundamental øvre grense for måle hastigheten er responstiden for DUT. Til syvende og sist er responstiden begrenset av tidsperioden for kostnader. For de fleste tynne-film solceller med charge-carrier levetid i nano-eller mikrosekund utvalg, dette er ukritisk, men dette må holdes i bakhodet for høy kvalitet krystallinsk-silisium solceller med levetid på flere millisekunder. Imidlertid kan kapasitans effekter øke responstiden også av TF solceller slik at det kan begrense måle hastigheten. (2) roterende helikopter blader som brukes til å modulere X-ray-strålen har øvre fartsgrenser. Avhengig av deres plassering i røntgen strålen, kan stråle størrelsen være opp til 1 mm bred, noe som definerer minimumsperioden for bladet. Hvis helikopteret drives i vakuum, er rotasjons frekvensen sjelden begrensende, matchende i noen tilfeller selv elektron-haug frekvens. Imidlertid er driften av helikoptre på slike hastigheter i vakuum utfordrende, slik at de fleste helikoptre drives i luft. I dette tilfellet er den roterende hastigheten begrenset av mekaniske vibrasjoner og til slutt av hastigheten på den ytterste delen av bladet som må være mindre enn hastigheten på lyden. I vår erfaring er hakke frekvensen ofte begrenset til ~ 7000 Hz i luft. (3) i mange tilfeller setter responstiden til PA den øvre grensen for måle hastigheten. Som vist i Figur 4, er raske stige tider av pa nødvendig å oversette signalet modulering fra helikopteret. For stor forsterkning brukes lav-støy strøm forsterkere, som har opp til 100 MS. med slike oppstignings tider, kan hakke frekvensen begrenses til få Hz, noe som ville kreve bo tider på flere sekunder. Derfor er den beste strategien ofte å velge en lavere forsterkning av PA med en raskere responstid som matcher hakke frekvensen. Selv om dette oversettes til mindre signal-til-støy-nivåer etter pre-forsterkning, kan lock-in forsterkning ofte fortsatt hente et modulert signal av høy kvalitet.
Som et eksempel, gir den brukte PA en båndbredde på mer enn 10 kHz for forsterkning i μA/V-serien, selv for lav-støy-innstillingen37. Dette gjør det mulig å hakke på kHz-rekkevidden og måle hastigheten opptil 100 Hz-rekkevidden med et low-pass-filter med en cut-off-frekvens mellom skanne-og hakke frekvensen. Dette er måle forholdene vi ofte bruker.
For å unngå måle artefakter, er det kritisk viktig å analysere signalet langs forsterknings kjeden: mens begrensning av low pass-filteret til LIA kan lett bli oppdaget som linje-artefakter i kart (smøre ut av XBIC signalet over flere piksler), system responsen til DUT og PA krever inspeksjon av signalet av et omfang, som kan integreres i LIA.
(c) stråle skade
X-ray Beam indusert skade er et vanlig problem, og har vært diskutert i mange systemer, fra biologiske prøver til silisium solceller og detektorer46,47. Selv om uorganiske halvledere er generelt mer robuste mot røntgenstråling sammenlignet med organiske halvledere eller biologiske systemer, er røntgen skade forårsaket av X-ray-skader også vanlig i tynne film solceller. Spesielt har vi observert Røntgenstråle forårsaket skade av solceller med CdTe, CIGS29, perovskite18, og organiske Absorber lag. Legg merke til at den elektroniske responsen til DUT som solceller er følsom for feil konsentrasjoner under ppm-nivået, der charge-carrier-rekombinasjon påvirker ytelsen uten tilsynelatende kjemisk skade.
Derfor er det vanligvis nødvendig å teste følsomheten til en DUT å stråle skade. I praksis evaluerer vi X-ray strålen indusert degradering av noen DUT før faktiske XBIC målinger, og etablere forhold som tillater målinger å være minst påvirket av nedbrytning effekter.
Ulike strategier eksisterer for å takle Røntgenstråle indusert skade, men det de alle har til felles er at de tar sikte på å redusere strålingen dosering ved et mål sted før evalueringen av ytelsen der. Med andre ord, er målet å løpe nedbrytning etter paradigmet “måle raskere enn DUT forringer”. Strategiene inkluderer: (1) Bruk korte bo tider. (2) Øk trinn størrelsen og Reduser målings oppløsningen. (3) Reduser X-stråle intensiteten med dempings filtre. Avhengig av beamline og DUT, kan ulike tilnærminger velges eller en kombinasjon av disse. For eksempel, mangelen på raske skodder eller fly-skanning moduser utelukke (1), og bred-spredt X-ray stråle profiler som de som genereres av sonen plater kan føre til betydelig nedbrytning langt borte fra sentral strålen posisjon.
Heldigvis, mest fornedrelse mekanismer bare føre til lokalt forbedret belaste carrier rekombinasjon. Dette begrenser lateral effekten av degradering til diffusjon lengden på lade bærere, og XBIC målinger lenger bort fra de degradert områdene forblir nesten upåvirket. Hvis, i stedet, degradering mekanismer føre til lokale skifting av DUT, ytterligere XBIC målinger vil bli alvorlig hemmet. For å holde avsatt stråling dosering til et minimum, bør de kritiske målingene utføres først på et friskt sted og deretter etterpå, Foton-sultne metoder, som XRF, som er mer likegyldig å stråle skade, kan utnyttes på samme sted.
(d) multi-sperrende målinger
Kompatibiliteten til XBIC med videre målings moduser muliggjør direkte punkt-for-punkt-korrelasjon for den elektriske ytelsen med samtidig vurderte parametere23. Her diskuterer vi kort kombinasjonen av XBIC-målinger med XBIV-, XRF-, SAXS-, WAXS-og XEOL-målinger. Kombinasjonen med ytterligere måle moduser som elektron utbytte eller holography kan lett tenkes, men disse modusene er ikke generelt kompatible med oppsett eller moduser av skanningen målinger.
Selv om den geometriske anordning av detektorer og prøver for samtidig måling av XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS, og XEOL er mulig, er det grunnleggende og praktiske aspekter som forbyr samtidig vurdering av alle moduser.
(1) tilstanden til solcellen forbyr samtidig måling av XBIC (kortslutning) og XBIV (åpen krets) målinger. Som XEOL48,49 måler strålingspådrivet rekombinasjon av elektron-hulls par, en målt strøm av solcellen (XBIC) vil være en konkurransedyktig prosess. Derfor utføres XEOL-målinger vanligvis under åpen krets tilstand, som er kompatibel med samtidige XBIV-målinger.
(2) hvis stråle skade er et problem for XBIC eller XBIV målinger, kan de ikke kombineres med Foton-sultne teknikker som XRF eller XEOL. Som en tommelfingerregel, stråle skade effekter er først synlig i den elektriske (XBIC & XBIV) og den optiske (XEOL) ytelse, å være følsom for charge-carrier rekombinasjon via elektroniske defekter. For det andre oppstår strukturelle skader (synlig i SAXS & WAXS), etterfulgt av justering av justeringer som er synlig i XRF.
(3) til tross for hakke det X-rokke stråle er vanligvis forenlig med alle måler måter, den kanne føre til artefakter: for det første, det integrert Foton Flux per pixel skifter av det integrert Flux forbikjøring det Chopper hjul inne ettall periode. Denne effekten blir større med et mindre forhold mellom hakking og skannefrekvensen. For det andre kan samspillet mellom helikopter hjulet og røntgen strålen føre til spredte, diffracted og fluorescerende fotoner. For det tredje, det integrert Foton Flux er nedsatte av 50%, hvilke er spesielt betenkelig for Foton-sulten måler måter.
Som en konsekvens av disse hensyn, avhenger den ideelle måle ordningen på den gitte DUT og prioritering av målings moduser. Det er imidlertid ofte lurt å starte med en måling som er optimalisert for XBIC. Hvis lock-in forsterket XBIV er nødvendig, er dette vanligvis den andre skanningen. Ellers kan helikopteret fjernes, og alle andre målinger, inkludert standard XBIV, kan utføres med lengre botid som kreves for de mest Foton-sulten teknikk. Ideelt sett, XRF data måles under alle skanninger, som gjør det mulig for bilde registrering i etterbehandling å gjøre rede for sample drift.
(e) forskjellige sonder for stråle induserte målinger
Det finnes alternative sonder til røntgenstråler for vurdering av romlig løst elektrisk ytelse av en DUT med spesifikke fordeler og ulemper. Derfor en kvalitativ sammenligning av XBIC med elektron-strålen indusert strøm (EBIC) og laser-Beam indusert strøm (LBIC) som målt i elektronmikroskop eller med optiske oppsett er gitt i tabell 2.
Den elektron-hullet par generasjon av en laser kommer nærmest til utendørs drift av solceller. Imidlertid er romlig oppløsning av LBIC fundamentalt begrenset av Bølgelengden av laseren. EBIC målinger gir en større romlig oppløsning som vanligvis er begrenset av samspillet radius av elektron strålen med DUT. Den største ulempen med EBIC målinger er deres overflate følsomhet, hindrer vurdering av Absorber lag ytelse gjennom laget stabelen eller i innkapslet enheter. Videre vil ujevne overflater på DUT i kombinasjon med ikke-lineære utslipps effekter ofte føre til forvrengte EBIC-resultater. I kontrast, XBIC målinger neppe lide av topologisk variasjoner, som de fleste signal er generert dypt i bulk materiale og overflate-charge effekter er dempet ved riktig jording.
Alle trebjelke-indusert teknikker har til felles at belastningen injeksjon er svært inhomogen, topp på strålen posisjon. Som en konsekvens, det overskytende carrier konsentrasjon og nåværende tetthet er inhomogeneously fordelt. I et forenklet bilde, opererer flertallet av solcellen i mørket, og en liten flekk opererer på et høyt injeksjons nivå som kan nå hundrevis av sol ekvivalenter for fokuserte bjelker. Den injeksjon-nivå fordelingen avhenger ikke bare av strålen størrelse og form, men også på strålen energi, enhet stabelen, og tids strukturen til injeksjon. Så langt har røntgen strålen blitt behandlet som en kontinuerlig stråle, som er berettiget for charge-carrier samling prosesser som er tregere enn mikrosekunder. Synchrotron røntgenstråler består imidlertid av sub-100-PS-pulser med intensitet og pulsfrekvens, avhengig av fyllmønsteret med lagrings ring. Selv om vi ikke har merket noen effekt av fyllmønsteret på sammenlignbare langsomme XBIC målinger, avhenger det kortsiktige injeksjons nivået på det. I kontrast kan man gjøre bruk av tids strukturen av røntgenstråler: lignende som har blitt demonstrert for tid-løst XEOL21, kan man forestille tid-løst XBIC eller XBIV målinger, eller LÅSING av XBIC/XBIV signal i elektron-haug frekvens.
En adekvat drøfting av konsekvensene av inhomogen injeksjons nivåer krever full 3D-simulering av alle relevante stråle-og enhets parametre, inkludert convolution av det tidsavhengige injeksjons nivået med 3D-mobilitet og levetid i DUT, som er utenfor rammen av dette manuskriptet. Det er imidlertid konseptuelt det samme for alle stråle-indusert strøm og spenning målinger og vi refererer til litteraturen diskuterer injeksjon-nivå avhengighet av EBIC50 og LBIC51 målinger.
De negative konsekvensene av lokale kostnader injeksjon kan eksperimentelt reduseres ved anvendelse av bias lys med intensiteten av 1 Søn tilsvarende, og stråle-indusert eksitasjon legge bare en ubetydelig mengde overskytende kostnad bærere. I praksis er dette konseptet teknologisk begrenset av den dynamiske reserven av 100-120 dB i State-of-the-art lock-in forsterkere, som tilsvarer et signal-til-støy-forhold på 105 til 106. Selv om dette tilstrekkelig for enheter av størrelse sammenlignes med strålen størrelse, betyr det ikke tillate anvendelse av bias lys på relevante nivåer for makroskopisk enheter. Den åpenbare løsningen er å redusere utvalgsstørrelsen. Dessverre er dette ofte begrenset av elektriske grense effekter opp til flere hundre mikrometer av prøven grensen eller kontaktpunkter.
Merk også at man kan gjøre bruk av injeksjon-nivå avhengighet av XBIC målinger: ligner på EBIC og LBIC, utføre injeksjon-nivå serien ved å variere Røntgenstråle intensiteten kan avsløre informasjon om dominerende rekombinasjon mekanismer og lade carrier diffusjon52,53.
Som konklusjon, penetrasjon dybden av røntgenstråler kombinert med høy romlig oppløsning gjør XBIC den mest passende teknikk for å studere DUT med begravet strukturer som TF solceller i en correlative mikroskopi tilnærming. Samspillet radius av XBIC målinger er vanligvis mindre enn for EBIC, og romlig oppløsning er ofte begrenset av diffusjon lengden på lade bærere. Den største ulempen med XBIC målinger er den begrensede tilgjengeligheten av X-ray-hjemme.
The authors have nothing to disclose.
Vi erkjenner i stor grad J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Brückner, J. Hagemann, K. spir, 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 støtte målinger ved beamline P06 i PETRA III, DESY; M. Holt, Z. Cai, M. Cherukara, og V. Rose fra Argonne National Laboratory (ANL) for å støtte målinger på beamline 26-ID-C ved Advanced Foton Source (APS) på ANL; D. Salomon og R. Tucoulou fra det europeiske Synchrotron stråle anlegg (ESRF) for å støtte målinger ved beamline ID16B ved ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy, og J. Bailey fra MiaSolé hi-tech Corp, og E. Avancini, Y. Romanyuk, S. Bücheler, og A. Tiwari fra Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA) for å gi solceller. Vi erkjenner DESY (Hamburg, Tyskland), et medlem av Helmholtz Association HGF, for levering av eksperimentelle anlegg. Vi anerkjenner den europeiske Synchrotron stråling Facility (Grenoble, Frankrike) for levering av Synchrotron stråling fasiliteter. Denne forskningen anvendt ressursene av det avansert Foton kilde, en U.S. avdeling av energi (DOE) kontor av vitenskap bruker Letter operert for DOE kontor av vitenskap av Argonne nasjonal laboratorium under kontrakt nei. 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 |