Energy Dispersive Spectrometry Analysis of a CIGS Solar Cell

Význam tématu

Tenkovrstvé CIGS (Cu(In,Ga)Se2) solární články dosahují vysokých účinností při nízkých výrobních nákladech a malé tloušťce, což je činí atraktivními pro průmyslovou výrobu a komerční aplikace. Kontrola chemického složení a prostorového rozložení prvků v jednotlivých vrstvách je klíčová pro optimalizaci jejich elektrických vlastností a dlouhodobé stability.

Cíle a přehled studie

Tato aplikace popisuje použití energie rozptylové rentgenové spektrometrie (EDS) k analýze CIGS solární článku v pohledu na povrchu (planární pohled) a v řezu (příčný řez). Hlavním cílem je identifikovat složení vrstev, tloušťky filmů a přítomnost nečistot či kontaktních materiálů.

Použitá metodika

Vzorek komerčního CIGS článku byl mechanicky rozebrán a fragment povrchu analyzován přímo v SEM. Příčný řez byl zalit epoxidem, vybrušován a leštěn. Planární analýza proběhla při 20 kV pro základní určení prvkového složení. Pro mapování příčného řezu bylo použito napětí 5 kV ke snížení objemu interakce a minimalizaci nabíjení polymerní podložky. Pro eliminaci driftu byla aplikována korekce pozice obrazu.

Použitá instrumentace

• Skelné elektronové mikroskopie s wolframovou katodou
• EDS systém Thermo Scientific NORAN System 7
• Detektor NanoTrace SiLi pro X-ray signál
• Software Thermo Scientific COMPASS pro fázovou analýzu a kvantitativní mapování

Hlavní výsledky a diskuse

• Planární pohled: Top vrstva obsahuje převážně In a Se, doplněné menším množstvím Cu, Ga, Zn, O, Cd a S. Kontaktovaný povrch tvořila Ag barva a podkladový substrát Mo.
• Příčný řez (nízké zvětšení): Analýza odhalila silné polymerní vrstvy (C), hliníkové a železné podložky s celkovou tloušťkou ~0,3 mm.
• Příčný řez (vysoké zvětšení): Fázové mapy ukázaly podklad z Fe, na něm Mo vrstvu (~1 µm) a dvě separátní vrstvy Cu-Ga-Se (první ~3 µm s nízkým počtem rentgenových signálů, druhá ~1,5 µm bohatší na In). Recesní vzhled první vrstvy naznačuje odlišnou tvrdost a možnou preferentialní úpravu leštěním.
• Fáze CdS a ZnO nebyly detekovány, pravděpodobně kvůli jejich extrémní tenké povaze a limitům objemu generovaných X-paprsků.

Přínosy a praktické využití metody

• EDS analýza poskytuje rychlé a lokálně specifické informace o chemickém složení vrstev solárního článku.
• Mapování i bodové analýzy pomáhají při kontrole výroby a optimalizaci depozičních procesů.
• Identifikace nečistot a kontaktních materiálů umožňuje zefektivnit výrobní postupy a zlepšit celkovou kvalitu zařízení.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozvoj detektorů s vyšší citlivostí a vyšším rozlišením pro odhalení ultratenkých vrstev CdS/ZnO.
• Integrace EDS s 3D tomografickými technikami pro trojrozměrné zobrazení mikrostruktury.
• Automatizované fázové analýzy a strojové učení pro rychlejší interpretaci složitých dat.

Závěr

EDS systém Thermo Scientific NORAN System 7 v kombinaci se SEM umožňuje detailní charakterizaci tenkovrstvých solárních článků CIGS za nízkých napětí a proudů. Metoda poskytuje cenné informace o složení vrstev, jejich tloušťkách a integritě, což přispívá k optimalizaci výroby a zvýšení účinnosti solárních zařízení.

Reference

D. Abou-Ras, et al. Elemental distribution profiles across Cu(In,Ga)Se2 solar-cell absorbers acquired by various techniques. Proceedings of EMC 2008, volume 1, p. 741.