Investigation of a CIGS solar cell with ARL EQUINOX 100 X-ray Diffractometer and ARL QUANT'X EDXRF Spectrometer

Význam tématu

Copper indium gallium selenide (CIGS) představuje jednu z klíčových technologií pro tenkovrstvé solární články díky nízké spotřebě materiálu a potenciálu pro nákladovou efektivitu. Pro zabezpečení kvality a optimalizaci výkonu CIGS modulů je nezbytné přesně sledovat chemické složení, tloušťku a krystalovou strukturu jednotlivých vrstev. Kombinace rychlé difrakční analýzy a elementární spektroskopie přináší komplexní přehled o vlastnostech absorberu a elektrodových struktur, což je klíčové pro vývoj účinnějších a spolehlivějších fotovoltaických řešení.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem studie bylo demonstrovat využití přístrojů Thermo Scientific ARL EQUINOX 100 XRD a ARL QUANT’X EDXRF pro kontrolu tenkovrstvých solárních článků CIGS. Autoři prezentují postup měření, analýzu dat a praktické ukázky, jak rychle a spolehlivě rozlišit krystalické fáze a stanovit chemické složení jednotlivých vrstev modulu.

Použitá instrumentace

• ARL EQUINOX 100 X-ray Diffractometer s Cu (50 W) nebo Co (15 W) mikrofokusovou trubicí a zakřiveným detektorem CPS pro rychlé GIXRD měření.
• ARL QUANT’X EDXRF Spectrometer vybavený SDD detektorem a Rh/Ag trubicí (50 W) pro elementární analýzu od Z=9 do Z=92.

Metodika

Pro XRD analýzu byla použita tenkovrstvá příloha s počítačově řízeným naklápěním ω a ᴢ. Při grazing-incidence měřeních byly pořízeny skeny při úhlech 1° a 5° s dobou sběru 2 min. Data byla zpracována v SYMPHONIX a vyhodnocena v MDI JADE 2010 s databází pdf4+. EDXRF analýza proběhla v softwaru WinTrace s využitím Fundamental Parameters metody k výpočtu koncentrací a tlouštěk vrstev.

Hlavní výsledky a diskuse

GIXRD měření odhalila:

• Při 1° se zobrazují výhradně difrakční vrcholy CIGS fáze.
• Při 5° se objevují i vrcholy odpovídající Mo podkladové vrstvě.

EDXRF potvrdila typické tloušťky a složení:

• CIGS vrstva: 1,43 µm; Cu 19,50 wt %, Se 46,80 wt %, In 23,50 wt %, Ga 10,20 wt %.
• Mo vrstva: 0,34 µm; Mo 100 wt %.

Ukázalo se, že kombinace GIXRD a EDXRF umožňuje rychlé rozlišení jednotlivých vrstev a jejich krystalografické i chemické charakteristiky.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé QC/QA protokoly s dobou měření řádově v minutách.
• Jednoduché nastavení a obsluha bez vysoce specializovaného personálu.
• Plánování optimalizace vrstvených struktur a sledování dopantů v průběhu výroby.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření in-line integrace XRD a EDXRF metod pro kontinuální kontrolu výrobních procesů. Dalšími směry jsou vývoj automatizovaných systémů s umělou inteligencí pro rychlou interpretaci dat a propojování s dalšími analytickými technikami (röntgenová fotoelektronová spektroskopie, Ramanova spektroskopie) pro multidisciplinární hodnocení fotovoltaických materiálů.

Závěr

Kombinovaná analýza pomocí ARL EQUINOX 100 GIXRD a ARL QUANT’X EDXRF nabízí komplexní a časově efektivní nástroj pro charakterizaci CIGS solárních článků. Metoda umožňuje kontrolu krystalových fází, chemického složení a tloušťky vrstev v jednom workflow, což významně podporuje optimalizaci výrobních procesů a zvyšování účinnosti modulů.

Reference

• Welzmiller S., Weicai J. Investigation of a CIGS solar cell with ARL EQUINOX 100 X-ray Diffractometer and ARL QUANT’X EDXRF Spectrometer. Thermo Fisher Scientific Application Note XR-AN41123, 2020.