Measuring the Film Thickness of ITO and Perovskite Layers in Perovskite Solar Cells

Význam tématu

EDXRF (energeticky disperzní rentgenová fluorescence) představuje rychlou, bezkontaktní a nedestruktivní metodu pro kvantifikaci tloušťek tenkých vrstev v nanometrovém rozsahu, což je v kontextu perovskitových solárních článků klíčové. Kontrola tloušťky ITO transparentních elektrod a perovskitových vrstev významně ovlivňuje optické a elektrické vlastnosti článků (propustnost světla, měrný odpor, účinnost konverze), a proto je vhodná analytická technika pro výzkum i průmyslovou kontrolu jakosti.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem článku bylo ukázat použitelnost spektrometru EDX-7200 pro kvantifikaci tlouštěk ITO vrstev a vícevrstvých struktur s perovskitem (FAPbI3/ITO) na skleněném substrátu. Studie porovnávala výsledky EDXRF s referenčními hodnotami získanými OLS5500 laserovým mikroskopem pro ITO vzorky a demonstrovala schopnost EDXRF současně měřit tloušťky více vrstev při předdefinované informačním nastavení o složení a hustotě vrstev.

Použitá metodika

Metoda: film FP (film fundamental parameters) byla použita pro kvantifikaci hmotnosti vrstvy (µg/cm2), ze které se dopočítá tloušťka dělením hustotou vrstvy. Vzorec použitý v analýze je: Film thickness [nm] = (depozice [µg/cm2] / hustota [g/cm3]) × 10. Klíčové analytické postupy:

• Volba kvantifikačního prvku: pokud je určitý prvek unikátní pro cílovou vrstvu, použije se pro kvantifikaci; v případě, že se prvek vyskytuje i v substrátu nebo jiných vrstvách, musí být jejich složení, tloušťka a hustota zadány do měřicích podmínek, aby byla kvantifikace možná.
• Průměrování: EDXRF dodává průměrnou tloušťku v rámci průměrovacího průmětu kolimátoru (v tomto případě 3 mm nebo 10 mm), nikoli lokální krokoměrné hodnoty.
• Počítejte s vlivem povrchové drsnosti, která ovlivňuje topografii měřené OLS metodou a může mít dopad i na interpretaci výsledků vícevrstvých struktur.

Použitá instrumentace

• EDX-7200 (Shimadzu) – EDXRF spektrometr s SDD detektorem, Rh rentgenkou, pracovní napětí 50 kV.
• Detektor: SDD (silicon drift detector).
• Radionka: Rh-target, napětí 50 kV, proud nastavován automaticky; integrační čas typicky 60 s; maximální dead time ~30 %.
• Kolimátory: pro měření ITO byla použita 3 mm díra, pro vícevrstvé perovskitové vzorky 10 mm díra.
• Primární filtry: bez filtru pro měření ITO; filtr #4 použit pro FAPbI3/ITO analýzu.
• Referenční instrument: OLS5500 laserový skenovací mikroskop (Olympus) použit pro měření výškového kroku lithograficky vytvořeného vzorku a ověření tloušťky ITO.

Hlavní výsledky a diskuse

• ITO vzorek: EDXRF měření (film FP) provedená na třech pozicích dala tloušťky 212 nm, 213 nm a 210 nm. OLS5500 určil tloušťku 214 nm. Shoda mezi metodami je velmi dobrá, což ukazuje kvantitativní spolehlivost EDXRF pro nanometrové rozsahy při krátkém integračním čase (60 s).
• Perovskit/ITO vzorky: dvě varianty (A a B) s rozdílnou tloušťkou FAPbI3. Výsledky EDXRF ukázaly:
  • Vzorek A: FAPbI3 ≈ 957 nm, ITO ≈ 161 nm.
  • Vzorek B: FAPbI3 ≈ 325 nm, ITO ≈ 128 nm.
  EDXRF umožnila simultánní kvantifikaci Pb (pro perovskit) a In (pro ITO) díky použití PbLβ1 a InKα analytických čar.
• Omezení: EDXRF poskytuje průměrné hodnoty přes plochu kolimátoru, takže neodhalí mikroskopické variace pod hranicí prostorového rozlišení. K přesnému rozdělení signálu mezi vrstvy, které obsahují stejné prvky, je nutné zadat přesné informace o složení a hustotě ostatních vrstev.

Přínosy a praktické využití metody

• Nedestruktivní měření bez potřeby předúpravy vzorku nebo řezů – možnost analyzovat plochy, kde není vystaven průřez.
• Rychlost a jednoduchost: měření za minuty s opakovatelnými výsledky vhodné pro rutinní kontrolu jakosti a výzkumné aplikace.
• Možnost simultánní analýzy více vrstev při předchozím zadání jejich složení a hustot – vhodné pro komplexní tenkovrstvé systémy v perovskitových článcích.
• Komparabilita s výškovými metodami (OLS): EDXRF poskytuje srovnatelné průměrné hodnoty tloušťky, což umožňuje rychlou ověřovací alternativu k časově náročnějším lokálním topografickým metodám.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace EDXRF do inline nebo polo-inline kontrolních linek pro masovou výrobu tenkých filmů a perovskitových článků, kde rychlá, bezkontaktní metrologie zvyšuje výtěžnost a konzistenci výrobků.
• Zvýšení prostorového rozlišení a kombinace EDXRF s mapovacími režimy či mikrokolimátory pro lokalizovanou analýzu defektů a nepravidelností vrstev.
• Pokročilejší modelování vrstev a kalibrace s využitím referenčních standardů a kombinovaných technik (XPS, SIMS, AFM) pro přesnější oddělení signálů v multisložkových strukturách.
• Monitorování stability perovskitových vrstev v čase – opakované EDXRF měření pro sledování degradace, difúze prvků nebo změn hustoty vrstvy v reálných podmínkách.

Závěr

EDXRF (EDX-7200) se ukázala jako efektivní nástroj pro kvantifikaci tlouštěk ITO a perovskitových vrstev v nanometrovém a mikrometrovém rozsahu. Metoda nabízí rychlé, nedestruktivní a reprodukovatelné výsledky srovnatelné s OLS laserovým mikroskopem pro měření průměrné tloušťky. Klíčovým předpokladem pro vícevrsné analýzy je znalost složení a hustoty vrstev; při jejich zadání lze EDXRF úspěšně kvantifikovat jednotlivé vrstvy i současně. To ji činí vhodnou pro výzkum i průmyslovou kontrolu kvality v oblasti perovskitových solárních článků.

Reference

• Tamura Y., Futamata Y., Fujii T., Application News: Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer — Measuring the Film Thickness of ITO and Perovskite Layers in Perovskite Solar Cells, Shimadzu Corporation, First Edition: Oct. 2026.
• Uznání: National Institute for Materials Science (NIMS) – poskytnutí vzorků a spolupráce při přípravě studie.