Name: x-ray beam induced current measurements for multi-modal x-ray microscopy of solar cells
Uploaded: 2019-08-20T15:00:00
Duration: 10 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells at JoVE.com

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.

1. sette opp måle miljøet
<ol><li>Krav for å låse inn forsterkede XBIC-målinger
	<ol>
<li>Sørg for å ha følgende tilgjengelig: en nano-eller mikro-fokusering X-ray beamline; en X-ray helikopter som absorberer periodevis de fleste av røntgenstråler; en PA; en LIA; moduler for fjernkontroll av helikopter, PA, og LIA; et datainnsamlingssystem (DAQ); en DUT.</li>
	</ol></li>
	<li>Eksempel holder fabrikasjon
	<ol>
<li>Bruk en Kinematisk base for prøve holderen. Dette gjør det mulig å plassere prøver på nytt innenfor mikrometer presisjon og sparer verdifull beamtime. Videre tillater det for posisjonering av prøvene på tvers av ulike måle plattformer med ulike monteringssystemer.</li>
		<li>Design prøveholderen på en måte som gir maksimal frihet til å plassere forskjellige detektorer i nærheten rundt prøven, samtidig som den er kompatibel med røntgen gjennomsiktige prøver og måleteknikker som SAXS eller WAXS. Vanligvis, dette oversettes til minimal prøve holderen størrelse, stivhet ned til nanometer skalaen og være lett.</li>
		<li>Utform et kretskort (PCB) som skal brukes som montering for den elektroniske enheten for XBIC-målinger. Selv om en dedikert PCB med direkte tilkobling til en koaksialkabel er ikke nødvendig strengt tatt, kan det spille en betydelig rolle i reduksjon av støy i forhold til løse ledninger, der ledningene fungerer som antenner. Merk: ideelt sett ville en Faraday buret skjerme prøven fra elektromagnetiske felt. Dette er imidlertid i de fleste tilfeller ikke kompatible med målings geometri.</li>
	</ol></li>
	<li>Eksempel på kontakt
	<ol>
<li>Lim den elektroniske DUT på PCB. Avhengig av materialer og krav til senere fjerning av DUT, anbefales det å bruke neglelakk, Instant lim, kompositt lim, eller silisium lim.</li>
		<li>Sørg for at ingen monteringsdeler eller ledninger blokkerer hendelsen X-ray-stråle eller hindrer av andre detektorer som brukes som for XRF-målinger.</li>
		<li>Kontakt begge terminalene på DUT. Merk: det finnes ulike måter å kontakte elektroniske enheter, og det beste valget avhenger av spesifikke prøve egenskaper, hvor vedheft, kjemisk eller mekanisk motstand, og tilgjengelig plass er argumenter for en eller annen kontaktmetode.</li>
		<li>Koble den fremre kontakten (oppstrøms kontakten mot hendelsen X-ray Beam) med skjoldet til koaksialkabelen.</li>
		<li>Koble bak kontakten (den nedstrøms kontakten) med kjernen av koaksialkabelen.</li>
		<li>Ground fronten kontakten (skjoldet til koaksialkabel). Merk: den innkommende strålen fører til utstøting av elektroner fra DUT, noe som fører til en kompensasjon strøm i måle kretsen som lett blir misforstått som XBIC. Derfor bør front kontakten alltid være jordet23. Det kan være nødvendig å teste ulike jordings metoder for å minimere potensielle variasjoner.</li>
		<li>Vurder figur 2 som et eksempel på en prøve holderen som består av en Kinematisk base, en aluminiums holder og en PCB med en solcelle koblet til en av de to koaksial kontaktene.</li>
	</ol></li>
	<li>Plassering av prøve og detektorer
	<ol>
<li>Monter prøven på holderen.</li>
		<li>Monter prøveholderen på prøve trinnet.</li>
		<li>Plasser sentrum av rotasjon av scenen i fokus for X-ray strålen.</li>
		<li>Plasser prøven i sentrum av rotasjon av rotasjons stadiet.</li>
		<li>Roter scenen slik at flyet av interesse er vinkelrett på hendelsen strålen å minimere strålen fotavtrykk og maksimere romlig oppløsning.</li>
		<li>I tilfelle av multi-sperrende målinger, plasser detektoren (e) rundt prøven. Merk: avhengig av røntgen optikk er det lite plass til å plassere detektorer oppstrøms i prøven. For ikke-X-ray-transparente prøver bør fluorescens detektoren se på X-ray fokuspunkt under en vinkel på 10-20 ° til prøven flyet slik at selv-absorpsjon for elementer av interesse og teller fra spredning minimeres.</li>
	</ol></li>
	<li>Installasjon av Chopper
	<ol>
<li>Monter en motorisert scene, med evnen til å flytte vinkelrett til røntgen strålen, oppstrøms av prøven. Merk: selv om denne motoriserte scenen er ikke nødvendig, det gir mulighet for å flytte helikopteret inn og ut av X-ray strålen uten å gå inn i bur, og dermed muliggjør høyere gjennomstrømning og større stabilitet.</li>
		<li>Monter et optisk helikopter på den motoriserte etappen for å modulere det innkommende signalet. Merk: ideelt sett er helikopteret plassert langt oppstrøms av prøven slik at den ikke induserer noen vibrasjoner på X-ray optikk eller prøven ved motoren eller luft turbulens, henholdsvis. Likevel, gode resultater med vibrasjons amplituder under 100 NM er oppnådd med helikopter hjulet er så nær som 10 mm til prøven, mens hakking ved > 6 kHz.</li>
	</ol></li>
	<li>Reduksjon av bakgrunnslys
	<ol>
<li>Slå av kilder til lys i Hutch når det er mulig og skjerme alle andre, inkludert noen små lys på LIA og helikopter hjul kontrolleren. På noen beamlines, det er et lys som er slått på når Hutch er søkte. Imidlertid bør dette lyset ikke være på under målingen.</li>
	</ol></li>
</ol>2. sette opp XBIC-målinger
<ol><li>Se figur 1 for en skjematisk fremstilling av nødvendige maskinvarekomponenter og ledninger.</li>
	<li>Oppsett av en pre-forsterker
	<ol>
<li>Plasser en PA i nærheten av prøven. Merk: noen LIAs kommer med en integrert PA. I dette tilfellet brukes PA-innstillinger på en lignende måte som innstillingene for LIA.</li>
		<li>Koble PA til en kontrollenhet utenfor Hutch å aktivere ekstern endring av forsterkning innstillinger uten å gå inn i Hutch. Ideelt sett er kontrollenheten koblet til beamline-kontrollen, og PA-innstillingene registreres automatisk.</li>
		<li>Strøm på PA fra en ren strømkrets. Merk: enheter som vakuumpumper kan forurense strømkretsen og bør derfor være drevet separat fra høy presisjon elektronikk som PA og LIA som kan overføre variasjoner i strømforsyningen til målingen signal. Av denne grunn har beamlines vanligvis rene og forurensede strømkretser. Mange forsterkere kan også betjenes fra batterier.</li>
		<li>Koble prøven gjennom BNC-kontakten på prøve braketten.</li>
		<li>Sørg for at prøven ledningene er belastning-lettet slik at den ikke vil begrense prøven bevegelser.</li>
		<li>Påfør en bias spenning via PA hvis XBIC signalet skal ikke måles under KORTSLUTNINGS forhold. Ikke Påfør noen bias spenning hvis XBIV signalet skal måles under åpen krets forhold.</li>
		<li>Mål signal amplituden til DUT under målings forhold (dvs. vanligvis i mørket) og under arbeidsforhold (f.eks. med lys fra rommet og beamline mikroskop lampe på) for å teste signalområdet.</li>
		<li>Sørg for at signal amplituden til DUT samsvarer med inntastingsområdet til PA, og ta forholdsregler for å unngå oversaturation under høye signalforhold (f.eks. skrudd på rom lys), da oversaturation kan ødelegge PA.</li>
		<li>Sørg for at følsomheten til PA samsvarer med utgangs rekkevidden og inngangsområdet til LIA. Det er god praksis å holde forsterkning av PA på minimum følsomhet når ingen måling skjer for å unngå utilsiktet oversaturation.</li>
		<li>Koble DUT til PA. Gitt den lille signal amplitude, er det avgjørende å holde ledningene korte. Merk: kabler som bærer XBIC-signal må ikke være flettet sammen med andre kabler, da disse kan forårsake støy. Kilder til støy inkluderer skanning stadier og detektorer som de brukes for XRF. Forskjellige wire posisjoner kan testes for å minimere støy. For ytterligere støyreduksjon, kan ledningen være innpakket i jordet aluminiumsfolie eller triaxial kabler kan brukes.</li>
		<li>Del det pre-forsterkede signalet inn i tre parallelle signal grener for å registrere DC (positive og negative) og modulert AC-komponenter separat. Merk: alternative signalbaner er nevnt delvis (a) i diskusjons delen.</li>
		<li>Koble to signal grener til spennings-til-frekvens (V2F) omformere, hvorav en med invertert inngangssignal rekkevidde å akseptere det negative DC-signalet.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektrisk oppsett av en forsterker med lås
	<ol>
<li>Koble LIA til en kontrollenhet utenfor Hutch å aktivere ekstern endring av forsterkning innstillinger uten å gå inn i Hutch. Ideelt sett er kontrollenheten koblet til beamline-kontrollen, og LIA-innstillingene registreres automatisk.</li>
		<li>Strøm den LIA fra en ren strømkrets og holde den på avstand fra muligens støyende instrumenter.</li>
		<li>Pass på at utgangen av PA matcher input av LIA under alle forhold, som oversaturation kan skade LIA. Det er god praksis å holde LIA inngangsområdet på sitt maksimale når ingen måling som skjer for å unngå utilsiktet oversaturation.</li>
		<li>Mate modulerings frekvensen fra den optiske helikopteret som referanse signal i LIA. Merk: referanse frekvensen kan enten bli gitt av en Oscillator av LIA, kjøring av helikopter og dermed tillater eksternt kontrollere det, eller å være innspill fra helikopteret kontrolleren som en referanse til LIA. En kombinasjon av begge er også mulig.</li>
		<li>Koble den tredje grenen av pre-forsterket XBIC signal til LIA inngang.</li>
		<li>Output roten-gjennomsnittlig-kvadrat (RMS) amplitude av låsen-in forsterket <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> signal som analoge AC signal av DUT. Merk: som <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img>  alltid er positiv, en splitting av signalet og invertere av en gren er ikke nødvendig så lenge signalet input på V2F omformer er ikke negativt. Hvis fase informasjonen også skal registreres, anbefales det å sende ut fasen <img src="/files/ftp_upload/60001/60001q.jpg"> i tillegg til <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img> , eller i-fase komponenten <img src="/files/ftp_upload/60001/60001x.jpg"> og Quadrature-komponenten. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001y.jpg"> </img></li>
		<li>Koble utdataene fra LIA til en tredje V2F kanal.</li>
		<li>Koble V2F omformere til DAQ enheter og beamline programvare for å lagre de tre XBIC signal komponenter med tilsvarende tid og pikselinformasjon. Merk: det finnes alternative metoder for å V2F omformere for XBIC DAQ. For eksempel kan spenningsutgangen fra PA og LIA bli digitalisert direkte, eller digital avlesning av forsterkere kan integreres i beamline kontrollsystem. Imidlertid, det forevist adgang er forenlig med høyst Synchrotron beamlines, idet V2F omformerne er vanligvis anvendelig.</li>
	</ol></li>
</ol>3. XBIC målinger
<ol><li>Velge godt egnet XBIC måle forhold
	<ol>
<li>Vokt dere for handelen-off av skanning hastighet, Chopper frekvens, og low-pass filterinnstillinger som diskuteres senere i manuskriptet.</li>
	</ol></li>
	<li>Optimalisere parametere for XBIC-måling
	<ol>
<li>Sørg for at DUT er skjermet fra alle lysene i Hutch.</li>
		<li>Sett alle presiseringer av PA og LIA til minimum, og input områder til det maksimale for å unngå oversaturation.</li>
		<li>Sett hyppigheten av helikopteret, som er modulering frekvensen av signalet og referanse frekvensen for sin demodulation. Merk: som en tommelfingerregel bør frekvensen som velges være så høy som mulig under begrensningene (a) raskt nok respons fra DUT, (b) rask nok forsterknings kjede, (c) akseptabelt vibrasjonsnivå indusert av helikopteret. Videre bør frekvenser som er multiplum av vanlige støy frekvenser som 50/60 Hz eller 45 kHz unngås.</li>
		<li>Angi forsterkning av PA slik at (a) maksimal utgangs amplitude er godt innenfor maksimal inngangs rekkevidde av LIA og (b) responsen av PA er rask nok for den valgte helikopter frekvensen. For optimalisering av forsterker innstillingene i dette hestekreftene refererer vi til avsnittet (b) i diskusjons delen. FORSIKTIG: før du tillater mer fotoner på DUT (f. eks, når du går inn i bur), sett forsterkere igjen til deres maksimale inngangsområde og til deres minimum forsterkning for å unngå overbelastning. Ideelt sett er dette implementert direkte i skanningen kommandoene.</li>
		<li>Angi inngangsområdet til LIA for å matche signal amplitude etter pre-forsterkning for regionen av interesse med det sterkeste signalet.</li>
		<li>I LIA, splitte og bland signalet fra DUT med referanse signalet fra helikopteret og en 90 ° fase-forskjøvet referanse signal som omtalt i ledd (c) av representative resultater.</li>
		<li>Sett low-pass filter frekvens av LIA til minimum som er kompatibel med skanningen hastighet. Merk: som en tommelfingerregel setter du den til minst en størrelsesorden under hakke frekvensen, og en størrelsesorden over samplingsfrekvensen. Ideelt sett bør low-pass filter frekvensen velges slik at vanlige støy frekvenser ikke er bestått, viktigst under 50/60 Hz å kutte av rutenettet frekvens. For detaljer, refererer vi til ledd (e) av representative resultater.</li>
		<li>Angi forsterkning skala for den analoge utgangen av låsen-i forsterket signal slik at den samsvarer med inngangsområdet til V2F og ikke overstiger det.</li>
		<li>Angi grenser for myke eller maskinvare for forsterker utganger i henhold til inngangsområdet til følgende enheter for å forhindre metning.</li>
	</ol></li>
	<li>Ta XBIC målinger Merk: med riktige forsterknings parametre satt for XBIC målinger, og automatisert kontroll og avlesning implementert, er det ingen ytterligere tiltak som kreves for å ta XBIC målinger bortsett fra å starte en skanning.</li>
	<li>Etterbehandling av XBIC data
	<ol><li>Gå langs signal kjeden fra DUT til datainnsamlingsenheten, der signalet lagres som telle rate <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq5v2.jpg"> (Hz), for å konvertere telle hastigheten tilbake til en strøm.<ol>
<li>Få forsterkning faktoren <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq6v2.jpg"> (V/A) på pa, hvor <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq7v2.jpg"> signalet (målt i ampere) forsterkes og omdannes til en spenning.</li>
			<li>Få forsterkningsfaktoren <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq8v2.jpg"> (V/v) på Lia.</li>
			<li>Få spenningen aksept rekkevidde <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq9v2.jpg"> (V) av V2F omformer som projiseres på frekvensområdet <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq10v2.jpg"> (Hz).</li>
			<li>Vurdere ytterligere bølgeform faktorer: output signal av LIA er RMS amplitude, men signalet av interesse er topp-til-toppverdien av modulert inngangssignal.</li>
		</ol></li>
		<li>Multipliser telle frekvensen for hver piksel med konverterings termen <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq11v2.jpg"> i følgende ligning for å få XBIC-verdiene i ampere fra frekvens verdiene SORTERT etter DAQ: (1) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq12v2.jpg"> med <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq13v2.jpg"> , hvor <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq14v2.jpg"> er en faktor som avhenger av bølgeform av moduleringshjul32. Merk: for en innkommende sinus bølge<img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"><img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq16v2.jpg">; for en trekant bølge, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq17v2.jpg"> ; og for en firkantet bølge <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq18v2.jpg"> </img>,. Typiske verdier for måling av tynne-film solceller ved hard X-ray hjemme er <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq19v2.jpg"> </img>:, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq20v2.jpg"> </img>, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq21v2.jpg"> </img>,. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq22v2.jpg"> </img></li>
		<li>For den endelige korreksjon av den rå XBIC signal <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq23v2.jpg"> for topologisk variasjoner, bruk28: (2) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq24v2.jpg"> </img>, med <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq25v2.jpg"> å være X-ray dempings koeffisient33 og <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq26v2.jpg"> massen tetthet for Absorber element <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq27v2.jpg"> som kan måles gjennom samtidige XRF målinger17.</li>
		<li>For den endelige konverteringen av XBIC signalet i lade innkreving effektivitet, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq28v2.jpg"> </img>, bruk23: (3) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq29v3.jpg"> </img>, hvor <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq30v2.jpg"> og <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq31v2.jpg"> er den generasjonen og samling rate av elektron-hulls parene, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq32v2.jpg"> er frekvensen av hendelsen fotoner, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq33v2.jpg"> er elementære kostnader, og <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> er et materiale konstant.</li>
		<li>For den endelige beregning av materialet konstant <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> </img>, bruk: (4) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq35v2.jpg"> </img>, hvor <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq36v2.jpg"> er energien avsatt i Absorber lag av DUT per hendelse X-ray Foton, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq37v2.jpg"> er bandgap av Absorber materiale, og <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> er en konstant. Merk: faktoren <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> utgjør for energieffektivisering av elektron-hulls par generasjon. Det er ofte rundet23,34 som <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq39v2.jpg"> </img>.</li>
		<li>For den endelige estimering av injeksjon nivå <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> </img>, fra XBIC signalet, bruk: (5) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq41v2.jpg"> </img>, der <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> tolkes som antall Søn ekvivalenter, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq42v2.jpg"> er X-ray strålen tverrsnitt, og <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq43v2.jpg"> er KORTSLUTNINGS nåværende tetthet under standard måling forhold35.</li>
	</ol></li>
</ol>

Forfatterne har ingenting å avsløre.

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:728px;" width="728">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">BNC cabling and connectors</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:172px;">From generall cable suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Chopper blade</td>
			<td style="width:134px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:123px;">MC1F10HP</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Conductive silver paint</td>
			<td style="width:134px;">Conrad</td>
			<td style="width:123px;">530042</td>
			<td>Alternative products can be obtained from Pelco and others</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Copper wires</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>From cable suppliers for contacting of the solar cell</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Current Preamplifier</td>
			<td style="width:134px;">Standford</td>
			<td style="width:123px;">SR570</td>
			<td>Alternatives include the Keithley 487 or 6487 Picoammeter.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Device under test (DUT)</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td></td>
			<td>Suitable device for XBIC measurements.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Holder with printed circuit board</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Custom design</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Kinematic sample mount</td>
			<td style="width:134px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:123px;">KB25/M</td>
			<td>Optional, allows easy positioning and changing of sample. Alternatives include the M-BK-1A from Newport</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:300px;">Lock-in Amplifier</td>
			<td style="width:134px;">Zurich Instruments</td>
			<td style="width:123px;">UHFLI or MFLI</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:300px;">Measurement control/data acquisition unit</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Available at different synchrotrons.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Optical Chopper</td>
			<td style="width:134px;">Thorlabs</td>
			<td>MC2000B(-EC)</td>
			<td>Alternatives include the choppers SR540 from Stanford Research Systems, or model 3502 from Newport.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">Polyimide tape</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Rolls with different widths and thicknesses are available</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:300px;">X-ray source</td>
			<td style="width:134px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Available at different synchrotrons</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

x-ray beam induced current measurements for multi-modal x-ray microscopy of solar cells

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.

Watch this Scientific Journal Video about X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells at JoVE.com

X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells

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 Beam indusert gjeldende målinger for multi-modal X-ray mikroskopi av solceller

X-ray beam induced current (XBIC) measurements allow mapping of&#160;the nanoscale performance of electronic devices such as solar cells. Ideally, XBIC is ...

Røntgenstråler induserer en strøm i mange elektroniske enheter. Veldig mye som synlige fotoner i solceller. Signalet kalles røntgenstråle indusert strøm.Testenhetene betjenes med andre ord som røntgendetektorer, og XBIC gir den lokale enhetens ytelse. XBIC kombinerer den høye spesielle oppløsningen av elektronstråleindusert strøm med en høy penetrasjonsdybde av laserstråle indusert strøm. Denne kombinasjonen gir den lokale ytelsen selv i varierte strukturer som i innkapslede solceller med høy oppløsning.Fra XBIC-signalet kan vi bestemme den romlig løste ladeinnsamlingseffektiviteten, noe som er avgjørende for den elektriske ytelsen til halvlederenheter. Så i prinsippet kan XBIC-målinger utføres på alle systemer som viser elektrisk respons på rommet, for eksempel solceller, røntgendetektorer, på nanoledninger fra halvledere. Å ta XBIC-målinger er faktisk overraskende enkelt hvis du følger signalbanen fra enheten til forsterkere og datainnsamlingen.Begynn med å designe en prøveholder for å gi maksimal frihet til plassering av ulike detektorer i umiddelbar nærhet. Sett prøveholderen på en kinematisk base for enkel omplassering av prøver med mikrometerposisjon. Bruk et trykt kretskort som er utformet slik at det kan brukes som en mount for den elektroniske enheten for XBIC-målinger.Lim deretter den elektroniske enheten som skal testes på kretskortet. Vær oppmerksom på å unngå kortslutning ved hjelp av polyimid tape. Fest kontaktledningene også med tape.Koble oppstrømskontakten som står overfor hendelsen røntgenstråle med skjoldet på koaksialkabelen. Deretter kobler du nedstrøms kontakt med kjernen i koaksialkabelen. Deretter monterer du det trykte kretskortet i prøveholderen.Monter deretter prøveholderen på prøvestadiet. Koble prøven gjennom BNC-kontakten på prøvebraketten. Plasser ledningene slik at ingen monteringsdel eller ledninger blokkerer hendelsens røntgenstråle eller detektor.Kontroller at prøveledningene er belastningsavlastede slik at den ikke begrenser prøvebevegelsene. Kontroller at prøven er godt jordet. Nå roterer scenen slik at flyet av interesse er vinkelrett på hendelsesstrålen.Dette vil minimere strålens fotavtrykk og maksimere romlig oppløsning. Hvis du skal utføre multimodale målinger, plasser detektorene rundt prøven, for eksempel for røntgenfluorescensmålinger. Deretter måler du signalalituden til testenheten for å teste signalets rekkevidde under forskjellige forhold.Plasser en forforsterker i nærheten av prøven og koble den til en kontrollenhet utenfor hytta. Dette vil aktivere endringer i ekstern innstilling uten å måtte gå inn i hytta på nytt og lagre forsterkningsinnstillingene automatisk. Koble forforsterkeren til en ren strømkrets og slå den på.Kontroller at signalalituden til testenheten samsvarer med inngangsområdet til forforsterkeren. Det er god praksis å holde forsterkningen av forsterkeren ved minimumsfølsomhet når ingen måling skjer for å unngå utilsiktet overmetning. Koble testenheten til forsterkeren.Gitt den lille signalalituden, er det viktig å holde ledningene korte og i avstand fra støykilder. Deretter deler du det forhåndsforsterkede signalet i tre parallelle signalgrener. Disse brukes til å registrere de positive og negative DC-verdiene separat, sammen med de modulerte AC-komponentene.Koble låseforsterkeren til en styreenhet utenfor hytta. Strøm den fra en ren strømkrets. Kontroller at utgangen på forsterkeren stemmer overens med inngangen til låseforsterkeren under alle forhold.Her er den maksimale utgangen på forforsterkeren 10 volt, men det maksimale inngangsområdet til låseforsterkeren er 1,5 volt. Test derfor signalalituden etter forsterkeren og kontroller at inngangsområdet til låseforsterkeren er på sitt maksimale. Deretter kobler du utgangen på forsterkeren til inngangen til låseforsterkeren.Monter røntgenhakkeren på et motorisert stadium med evnen til å bevege seg inn og ut av røntgenstrålen og drive det via helikopterkontrolleren. Koble helikopteret til styreenheten, i dette tilfellet via innlåsingsforsterkeren. Kjør deretter det optiske helikopteret med demoduleringsfrekvensen til låseforsterkeren.Koble deretter utgangen på låseforsterkeren til en spenning-til-frekvens-omformer. Deretter sender du ut rot-mean-squared amplitude R av det innlåste forsterkede signalet som det analoge AC-signalet til enheten. Kontroller at enheten som testes er skjermet fra alle lysene i hytta.Gjennomsøk hytta. Vennligst forlat området. Vær så snill, legg merke til slå på.Og slå på røntgenstrålen. Hvis alt er riktig konfigurert, og røntgenstrålen treffer prøven, vil et modulert XBIC-signal være synlig. Tilpass forsterkningen av forsterkeren og inngangsområdet til låseforsterkeren slik at de matcher.Kontroller at responsen fra forforsterkeren er rask nok for den valgte helikopterfrekvensen. Et rektangulært XBIC-signal bør observeres. Hvis en sterk forsinkelse er synlig, må helikopterfrekvensen reduseres eller filterstigningstiden til forsterkeren må justeres.Sett filterfrekvensen for lavpassfilteret til låseforsterkeren til det minste som er kompatibelt med skannehastigheten. Deretter maksimerer du det forsterkede signalet med hensyn til forholdet strålen på og stråle av og med hensyn til signal til støyforhold. Oppsettet er nå klart for XBIC-målinger.Gå til et uberørt sted på prøven og start målingen. Den viktigste fordelen med å bruke innlåsing forsterkning for XBIC-målinger er den dramatiske økningen av signal-til-støy-forholdet sammenlignet med målinger med standard forsterkning. Her vises den forhåndsforsterte enheten under testrespons målt ved et omfang uten og med et biaslys slått på.Til tross for tilstedeværelsen av sterk støy eller svikkomponenter indusert av bias lys eller spenning, er det mulig å trekke ut den modulerte røntgenstrålen indusert strømsignal fra bakgrunnssignalet, selv om det er størrelsesorden mindre. Sammenligne disse to bildene, legg merke til et offsetsignal i rekkefølge av åtte millivolts som er forskjøvet til minus 65 millivolts ved å slå på bias lys fra fluorescerende rør. Videre er signalvariasjonen på korte tidsskalaer betydelig forbedret av biaslyset.Med passende innstillinger kan både forskyvningen og høyfrekvent moduleringen reduseres. Likevel bør alle kilder til utilsiktet bias som omgivelsesbelysning og elektromagnetisk støy elimineres for høyeste signal-til-støyforhold. Disse grafene fremhever effekten av bias lys og ulike lav pass filterinnstillinger på lock-in forsterket RMS amplitude.For høy skannefrekvens bør lavpassfilterets avskårne frekvens være så høy som mulig, men høyeste signal til lyder oppnådd med lave avskjæringsfrekvenser. I dette tilfellet tilbød et lavpassfilter med en avskåret frekvens lik 10,27 Hertz det beste kompromisset for skanning ved moderat to Hertz. Her kan du se virkningen av innlåsingsforsterkning på signal-til-støy-forholdet i røntgenstråleinduserte strømmålinger.Støyen til det direkte signalet er tydelig, og det innlåste forsterkede signalet viser fine funksjoner i god detalj. For kvantitativ analyse bør formen på det modulerte XBIC-signalet representere formen på den modulerte røntgenintensiteten. Derfor er det viktig å optimalisere helikopterfrekvensen og lavpassfiltre med hensyn til det.Forsterkning av innlåsing gjør det mulig for oss å måle enheter under forskjellige forhold. For eksempel kan vi bruke bias spenning eller bias lys. Til syvende og sist tillater dette oss å måle hele IV-kurven med høy romlig oppløsning ved nanobildet.XBIC er spesielt nyttig når vi kombinerer det med andre teknikker. For eksempel, med røntgenfluorescensdiffraksjon, tachografi eller røntgen spent optisk luminescens. Hvis vi kombinerer alt dette, kan vi løse og dekonvolutere sammensetningen struktur og ytelse.Bortsett fra generelle forholdsregler som skal tas når du arbeider med elektrisk kraft og intense røntgenstråler, er det ingen spesifikk risiko for å utføre XBIC-målinger for bruk i det minste prøven, men kan dø på grunn av strålingsskader. Med diffraksjon begrensede kilder, som petra fire, nanofokus X-ray flux vil øke etter størrelsesorden. Dette vil øke målehastighetssignalet til støyforholdet og muliggjøre helt nye eksperimenter in situ og operando.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

DC Circuit Analysis

SCIENTISTS IN ACTION

Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography

Reservoir Tilstand Pore-skala Imaging av flere Fluid Faser Med X-ray microtomography

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energi dispersive X-ray Tomografi for 3D Elemental Kartlegging av individuelle Nanopartikler

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Failure Analysis of Batteries Bruke Synchrotron baserte Hard X-ray microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

Måling av X-ray Beam Coherence sammen flere retninger ved hjelp av 2-D Sjakkbrett fasegitter

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Artsdannelse og biotilgjengelighet Målinger av Miljø Plutonium Bruke Diffusion i Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

Protocol of Electrochemical Test and Characterization of Aprotic Li-O2 Battery

Protokoll fra Elektrokjemisk Test og karakterisering av aprotisk Li-O<sub&gt; 2</sub&gt; Batteri

We demonstrate a method for electrochemical testing of an aprotic Li-O2 battery. An aprotic Li-O2 battery is made of a Li-metal anode, an aprotic ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Dynamisk Pore-skala Reservoir-tilstand Imaging av Reaction i karbonater Bruke Synchrotron Fast Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

I Dybde Analyser av lysdioder ved en kombinasjon av X-ray computertomografi (CT) og lysmikroskopi (LM) korrelert med Scanning elektronmikroskopi (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Digitaltrykk av Titanium Dioxide for Dye Overfølsomme Solar Cells

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

Bruk av X-ray Imaging Crystal spektroskopi for bruk som en High Temperature Plasma Diagnostic

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...