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 erkänner starkt J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Brückner, J. Hagemann, K. Spiers och T. Boese från Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) och A. Kolditz, J. Siebels, J. Flügge, C. Strelow, T. Kipp och A. Mews från Hamburgs universitet för stödjande mätningar på fd P06 vid Petra III, DESY; M. Holt, Z. CAI, m. cherukara, och V. Rose från Argonne National Laboratory (anl) för att stödja mätningar vid fd 26-ID-C vid den avancerade fotons källan (APS) vid Anl; D. Salomon och R. tucoulou från den europeiska synkrotronstrålningsanläggningen (ESRF) för att stödja mätningar på fd ID16B vid ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy, och J. Bailey från MiaSolé Hi-Tech Corp., och E. Avancini, Y. Romanyuk, S. Bücheler, och A. Tiwari från schweiziska federala laboratorier för materialvetenskap och teknik (EMPA) för att tillhandahålla solceller. Vi erkänner DESY (Hamburg, Tyskland), en medlem av Helmholtz Association HGF, för tillhandahållande av experimentella anläggningar. Vi erkänner Europeiska Synkrotronstrålningsanläggningen (Grenoble, Frankrike) för tillhandahållande av synkrotronstrålningsanläggningar. Denna forskning används resurser av den avancerade Photon källa, en US Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning drivs för DOE Office of Science av Argonne National Laboratory under kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357.

1. inställning av mät miljön
<ol><li>Krav för amplifierade XBIC-mätningar
	<ol>
<li>Se till att ha följande tillgängliga: en nano-eller mikro-fokusering röntgen beamline; en röntgen-chopper som absorberar regelbundet majoriteten av röntgenstrålar; en PA; a LIA; moduler för fjärrstyrning av helikoptern, PA och LIA; ett system för datainsamling (DAQ). en DUT.</li>
	</ol></li>
	<li>Provhållare tillverkning
	<ol>
<li>Använd en kinematisk bas för provhållaren. Detta gör det möjligt att ompositionera prover till inom mikrometer precision och sparar värdefull beamtime. Dessutom möjliggör den positionering av prover över olika mätplattformar med olika monteringssystem.</li>
		<li>Utforma provhållaren så att den ger maximal frihet att placera olika detektorer i närheten av provet, samtidigt som den är kompatibel med röntgen genomskinliga prover och mättekniker som SAXS eller WAXS. Typiskt, detta leder till minimal prov innehavarens storlek, styvhet ner till nanometer skala och vara lätt.</li>
		<li>Designa ett kretskort (PCB) som ska användas som fäste för den elektroniska enheten för XBIC-mätningar. Även om en dedikerad PCB med direkt anslutning till en koaxialkabel är inte nödvändigt strängt taget, kan det spela en betydande roll i minskningen av buller i jämförelse med lösa ledningar, där trådarna fungerar som antenner. Obs: helst skulle en Faraday bur skydda provet från elektromagnetiska fält. Detta är dock i de flesta fall inte förenligt med mät geometrier.</li>
	</ol></li>
	<li>Exempel på kontakt
	<ol>
<li>Limma den elektroniska DUT på PCB. Beroende på material och krav för senare avlägsnande av DUT, det rekommenderas att använda nagellack, Instant lim, komposit lim, eller silikon lim.</li>
		<li>Se till att ingen monteringsdel eller ledningar blockerar den infallande röntgenstrålen eller hindrar siktlinjen för andra detektorer som används, såsom för XRF-mätningar.</li>
		<li>Kontakta båda terminalerna på DUT. Det finns olika sätt att kontakta elektroniska enheter, och det bästa valet beror på specifika exempel egenskaper, där vidhäftning, kemisk eller mekanisk resistens och tillgängligt utrymme är argument för en eller annan kontaktmetod.</li>
		<li>Anslut den främre kontakten (uppströms kontakten vänd mot händelsen röntgenstråle) med sköld av koaxialkabeln.</li>
		<li>Anslut den bakre kontakten (den efterföljande kontakten) med koaxialkabelns kärna.</li>
		<li>Jorda den främre kontakten (sköld av koaxialkabeln). Anmärkning: den inkommande strålen leder till utmatning av elektroner från DUT, vilket leder till en kompensations ström i mätkretsen som lätt misstolkas som XBIC. Därför bör den främre kontakten alltid vara jordad23. Det kan vara nödvändigt att testa olika jordningsmetoder för att minimera potentiella variationer.</li>
		<li>Betrakta figur 2 som ett exempel på en provhållare som består av en kinematisk bas, en aluminium hållare och ett PCB med en solcell ansluten till en av de två koaxialkontakterna.</li>
	</ol></li>
	<li>Arrangemang av prov och detektorer
	<ol>
<li>Montera provet på hållaren.</li>
		<li>Montera provhållaren på prov stadiet.</li>
		<li>Placera rotationscentrum för scenen i fokus för röntgenstrålen.</li>
		<li>Placera provet i rotationscentrum.</li>
		<li>Rotera scenen så att planet av intresse är vinkelrät mot den infallande strålen för att minimera strålen fotavtryck och maximera den rumsliga upplösningen.</li>
		<li>I händelse av multimodala mätningar, Placera detektorn (erna) runt provet. Obs: beroende på röntgen optik, det finns lite utrymme att placera detektorer uppströms provet. För icke-röntgen-transparenta prover bör fluorescensdetektorn titta på röntgen fokuspunkten under en vinkel på 10-20 ° till prov planet så att själv absorption för de delar av intresse och räkningar från spridning minimeras.</li>
	</ol></li>
	<li>Chopper installation
	<ol>
<li>Montera en motoriserad etapp, med möjlighet att röra sig vinkelrätt mot röntgenstrålen, uppströms provet. Obs: även om detta motoriserade skede inte är nödvändigt, det gör det möjligt för att flytta helikoptern in och ut ur röntgenstrålen utan att gå in i Hutch, vilket möjliggör högre genomströmning och större stabilitet.</li>
		<li>Installera en optisk helikopter på den motoriserade scenen för att modulera den inkommande signalen. Anmärkning: helst är helikoptern placerad långt uppströms i provet så att den inte inducerar några vibrationer på röntgen optiken eller provet av motorn eller turbulensen, respektive. Ändå har goda resultat med vibrations amplituder under 100 nm erhållits med helikoptern hjulet är så nära som 10 mm till provet, medan hackning på > 6 kHz.</li>
	</ol></li>
	<li>Reducering av bakgrundsljus
	<ol>
<li>Stäng av ljuskällorna i hutschen när det är möjligt och skydda alla andra, inklusive små lampor på LIA och Chopper Wheel Controller. På något beamlines, där er en ljus den där er vände på när den kaninbur är sökte. Detta ljus bör dock inte förbli på under mätningen.</li>
	</ol></li>
</ol>2. inställning av XBIC-mätningar
<ol><li>Se figur 1 för en schematisk representation av nödvändiga hårdvarukomponenter och ledningar.</li>
	<li>Inställning av en förförstärkare
	<ol>
<li>Placera en PA i närheten av provet. Obs: vissa LIAs levereras med en integrerad PA. I detta fall tillämpas PA-inställningar på ett liknande sätt som inställningarna för LIA.</li>
		<li>Anslut pa till en styrenhet utanför hutschen för att möjliggöra fjärr förändring av amplifiering inställningar utan att gå in i kaninbur. I idealfallet är styrenheten ansluten till fd-kontrollen och pa-inställningarna registreras automatiskt.</li>
		<li>Effekt PA från en ren strömkrets. Obs: enheter som vakuumpumpar kan förorena strömkretsen och bör därför drivas separat från hög precision elektronik såsom PA och LIA som kan överföra variationer i strömförsörjningen till mätsignalen. Av denna anledning, beamlines har vanligtvis rena och förorenade strömkretsar. Många förstärkare kan även manövreras från batterier.</li>
		<li>Anslut provet via BNC-kontakten på prov fästet.</li>
		<li>Kontrollera att prov ledningarna är avspända så att de inte begränsar prov rörelserna.</li>
		<li>Applicera en bias-spänning via PA om XBIC-signalen inte ska mätas under kortslutnings förhållanden. Använd inte någon bias-spänning om XBIV-signalen ska mätas under förhållanden med öppen krets.</li>
		<li>Mät signalamplituden för DUT under mätförhållanden (dvs. vanligtvis i mörker) och under arbetsförhållanden (t. ex. med rums ljus och fd Mikroskop ljus på) för att testa signal området.</li>
		<li>Se till att signalamplituden för DUT matchar indataområdet för PA, och vidta försiktighetsåtgärder för att undvika övermättnad under hög signalförhållanden (t. ex., vände på rummet ljus), som övermättnad kan förstöra PA.</li>
		<li>Se till att känsligheten hos PA matchar dess utgångsområde och indataområdet för LIA. Det är god praxis att hålla amplifiering av PA vid minsta känslighet när ingen mätning pågår för att undvika oavsiktlig övermättnad.</li>
		<li>Anslut DUT till PA. Med tanke på den lilla signalamplituden är det viktigt att hålla ledningarna korta. Obs: kablar som transporterar XBIC-signal bör inte vara sammanflätade med andra kablar eftersom dessa kan framkalla brus. Källor till buller inkluderar scanning stadier och detektorer som de används för XRF. Olika tråd positioner kan testas för att minimera bullret. För ytterligare brusreducering kan tråden slås in i jordad aluminiumfolie eller triaxialkablar kan användas.</li>
		<li>Dela upp den pre-amplifierade signalen i tre parallella signal grenar för att separat registrera DC (positiva och negativa) och modulerade AC komponenter. Anmärkning: alternativa signalvägar nämns i del (a) i diskussionsavsnittet.</li>
		<li>Anslut två signal grenar till spänning till frekvens (V2F) omvandlare, varav en med inverterad insignal intervall att acceptera den negativa DC-signalen.</li>
	</ol></li>
	<li>Elektrisk inställning av en lock-in förstärkare
	<ol>
<li>Anslut Lia till en styrenhet utanför hutschen för att möjliggöra fjärr förändring av amplifiering inställningar utan att gå in i kaninbur. I idealfallet är styrenheten ansluten till fd-kontrollen och Lia-inställningarna registreras automatiskt.</li>
		<li>Driva LIA från en ren strömkrets och hålla den på ett avstånd från möjligen bullriga instrument.</li>
		<li>Se till att utdata från PA matchar input av LIA under alla förhållanden, som övermättnad kan skada LIA. Det är god praxis att hålla LIA indataområdet vid sitt maximum när ingen mätning pågår för att undvika oavsiktlig övermättnad.</li>
		<li>Mata modulerings frekvensen från den optiska helikoptern som referens signal till LIA. Obs: referens frekvensen kan antingen tillhandahållas av en oscillator av LIA, köra helikoptern och därmed möjliggöra distans kontrollera det, eller som indata från helikoptern styrenheten som en referens till LIA. En kombination av båda är också möjlig.</li>
		<li>Anslut den tredje grenen av den pre-amplifierade XBIC-signalen till LIA-ingången.</li>
		<li>Output den root-mean-squared (RMS) amplitud av låset-i förstärks <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> signalen som analog AC signal av DUT. Obs: som <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img>  alltid är positivt, en uppdelning av signalen och invertering av en gren är inte nödvändigt så länge signalen ingången på V2F Converter är inte negativt. Om fas informationen också ska registreras rekommenderas att fasen <img src="/files/ftp_upload/60001/60001q.jpg"> matas ut utöver <img src="/files/ftp_upload/60001/60001r.jpg"> </img> , eller komponenten i fas <img src="/files/ftp_upload/60001/60001x.jpg"> och kvadratur. <img src="/files/ftp_upload/60001/60001y.jpg"> </img></li>
		<li>Anslut utdata från LIA till en tredje V2F kanal.</li>
		<li>Anslut V2F omvandlare till DAQ enheter och fd programvara för att lagra de tre xbic signalkomponenter med motsvarande tid och pixelinformation. Obs: det finns alternativa metoder för att V2F omvandlare för XBIC DAQ. Till exempel kan spänningsutgången från PA och Lia digitaliseras direkt, eller så kan digital avläsning av förstärkarna integreras i fd-styrsystemet. Emellertid, den presenterade metoden är kompatibel med de flesta synkrotron beamlines, som V2F omvandlare är allmänt tillgängliga.</li>
	</ol></li>
</ol>3. xbic-mätningar
<ol><li>Välja väl lämpade XBIC mätförhållanden
	<ol>
<li>Akta dig för avvägningen av skanningshastighet, Chopper frekvens och low-pass filterinställningar som diskuteras senare i manuskriptet.</li>
	</ol></li>
	<li>Optimera XBIC-mätparametrar
	<ol>
<li>Se till att DUT är avskärmad från alla lampor i hutchen.</li>
		<li>Ställ in alla amplifikationer av PA och LIA till det minimum, och inmatnings intervall till det maximala för att undvika övermättnad.</li>
		<li>Ställ in frekvensen av helikoptern, vilket är modulationsfrekvensen för signalen och referens frekvensen för dess demodulering. Anmärkning: som en tumregel bör den valda frekvensen vara så hög som möjligt under begränsningarna av (a) tillräckligt snabbt svar av DUT, (b) snabb nog amplifiering kedja, (c) acceptabel vibrationsnivå induceras av helikoptern. Dessutom bör frekvenser som är multiplar av vanliga buller frekvenser såsom 50/60 Hz eller 45 kHz undvikas.</li>
		<li>Ställ in amplifiering av PA så att (a) den maximala uteffekten amplitud är väl inom det maximala inmatningsområdet för LIA och (b) svaret från PA är tillräckligt snabb för den valda Chopper frekvens. För optimering av förstärkarens inställningar i denna avvägning hänvisar vi till underavsnitt (b) i diskussionsavsnittet. Varning: innan du tillåter fler fotoner på DUT (t. ex. När du går in i Hutch), Ställ förstärkarna igen till deras maximala inmatningsområde och till deras minsta förstärkning för att undvika överbelastning. Helst implementeras detta direkt i skannings kommandona.</li>
		<li>Ställ in indataområdet för LIA så att den matchar signalamplituden efter pre-amplifiering för den region av intresse med den starkaste signalen.</li>
		<li>I LIA, dela och blanda signalen från DUT med referens signalen från helikoptern och en 90 ° fas skiftad referens signal som diskuteras i underavsnitt (c) av representativa resultat.</li>
		<li>Ställ in lågpassfilter frekvensen för LIA till det minimum som är kompatibelt med skanningshastigheten. Anmärkning: som en tumregel, Ställ in den på minst en storleksordning under Hack frekvensen, och en storleksordning över samplingsfrekvensen. Helst bör lågpassfilter frekvensen väljas så att vanliga buller frekvenser inte passeras, viktigast under 50/60 Hz för att skära av rutnäts frekvensen. För detaljer hänvisar vi till underavsnitt (e) av representativa resultat.</li>
		<li>Ställ in förstärknings skalan för den analoga utgången på den förstärkta signalen så att den överensstämmer med V2F och inte överskrider den.</li>
		<li>Ställ in mjuk-eller maskin varu gränser för förstärkarens utgångar enligt inmatningsområdet för följande enheter för att förhindra mättnad.</li>
	</ol></li>
	<li>Ta XBIC-mätningar Anmärkning: med rätt amplifiering parametrar som fastställts för XBIC mätningar, och automatiserad kontroll och avläsning genomförs, det finns inga ytterligare åtgärder som krävs för att ta XBIC mätningar bortsett från att starta en skanning.</li>
	<li>Efter behandling av XBIC-data
	<ol><li>Gå längs signal kedjan från DUT till datainsamlings enheten, där signalen sparas som räknings hastighet <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq5v2.jpg"> (Hz), för att konvertera räknar hastigheten tillbaka till en ström.<ol>
<li>Få amplifieringsfaktorn <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq6v2.jpg"> (V/A) vid PA, där <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq7v2.jpg"> signalen (mätt i ampere) förstärks och konverteras till en spänning.</li>
			<li>Få amplifieringfaktorn <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq8v2.jpg"> (V/v) vid Lia.</li>
			<li>Få spännings acceptans intervallet <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq9v2.jpg"> (V) för V2F omvandlare som projiceras på frekvensområdet <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq10v2.jpg"> (Hz).</li>
			<li>Överväg ytterligare vågform faktorer: produktionen signalen av LIA är RMS amplitud, men signalen av intresse är Peak-to-Peak värdet av den modulerade ingångssignalen.</li>
		</ol></li>
		<li>Multiplicera räkningshastigheten för varje pixel med konverterings termen <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq11v2.jpg"> i följande ekvation för att få xbic-värdena i ampere från frekvens värden sorterade efter DAQ: (1) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq12v2.jpg"> med <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq13v2.jpg"> , var <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq14v2.jpg"> är en faktor som beror på vågformen av moduleringen32. Anmärkning: för en inkommande sinusvåg<img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"><img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq16v2.jpg">,; för en triangel våg, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq15v2.jpg"> <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq17v2.jpg"> ; och för en fyrkantig våg, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq18v2.jpg"> </img>. Typiska värden för mätning av tunnfilmssolceller vid hårda röntgen nanosonder är <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>För eventuell korrigering av den råa XBIC signalen <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq23v2.jpg"> för topologiska variationer, Använd28: (2) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq24v2.jpg"> </img>, med <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq25v2.jpg"> att vara X-ray dämpning koefficienten33 och <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq26v2.jpg"> massan täthet för absorbator element <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq27v2.jpg"> som kan mätas genom samtidiga XRF mätningar17.</li>
		<li>För eventuell omvandling av XBIC-signalen till laddningseffektivitet, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq28v2.jpg"> </img>Använd23: (3) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq29v3.jpg"> </img>, var <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq30v2.jpg"> och <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq31v2.jpg"> är generering och insamling hastighet av elektron-hålpar, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq32v2.jpg"> är graden av infallande fotoner, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq33v2.jpg"> är den elementära laddningen, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> och är en materiell konstant.</li>
		<li>För eventuell beräkning av materialkonstanten <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq34v2.jpg"> </img>, Använd: (4) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq35v2.jpg"> </img>, var <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq36v2.jpg"> är energin deponeras i absorbatorn skiktet av DUT per incident röntgen foton, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq37v2.jpg"> är bandgap av absorbator material, och <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> är en konstant. Anm.: faktorn <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq38v2.jpg"> står för energieffektiviteten hos elektron håls par generationen. Det approximeras ofta23,34 as <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq39v2.jpg"> </img>.</li>
		<li>För en eventuell uppskattning av injektions nivån <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> </img>, från xbic-signalen, Använd: (5) <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq41v2.jpg"> </img>, där <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq40v2.jpg"> tolkas som antalet sol ekvivalenter, <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq42v2.jpg"> är X-ray beam tvärsnitt, och <img src="/files/ftp_upload/60001/60001eq43v2.jpg"> är kortslutningsström täthet under standard mätförhållanden35.</li>
	</ol></li>
</ol>

Författarna har inget att avslöja.

I en värld där efterfrågan på elenergi ständigt stiger är en ren och hållbar energikälla alltmer nödvändig. En möjlighet att tackla dessa krav är solcellssystem (PV)1,2,3. För ett riktat och effektivt sätt att utveckla nästa generations solceller, är det nödvändigt att förstå hur sammansättningen och strukturen av solceller påverkar deras prestanda4. Typiska frågor i sol cells utveckling inkluderar: vilka typer av defekter är mest skadliga, och var är de belägna5,6? Finns det ohomogena element i elementardistributionen, och vad är deras inverkan7,8,9? Hur förändras solcellerna vid modulmontering och åldrande10,11?
Som en solcell är bara så bra som sin svagaste del, är det särskilt viktigt att förstå effekten av sammansättning och strukturell variation på prestanda i polykristallina solceller som lider till sin natur från inhomogenitetsmätningar7, 8. Detta gäller särskilt för Thin Film (tf) solceller, som innehåller absorbatorskikt med individgrafitcrystalliten storlekar i mikrometerområdet. Här är effekten av korngränser på prestanda av högsta intresse, men deras ringa storlek och det faktum att de är begravda i en hel lager stack utgör unika karakteriseringsutmaningar. Dessutom kräver den komplexa kemin för flerkomponentabsorbatorn skikt med samexisterande faser och interna lutningar sofistikerade karakteriseringsmetoder12.
Synchrotron-baserade Hard X-ray Mikroskop kan möta karakteriseringen utmaningar TF solceller: de ger X-ray spot storlekar ner till nanometer skala13,14,15,16 och penetration djup av hårda röntgen gör det möjligt att söka olika enheter lager17, inklusive begravda absorbatorn lager. Med en mängd olika mättekniker vid en scanning röntgen Mikroskop, blir det möjligt att samtidigt studera inte bara en, men många olika aspekter av solceller inom multimodala mätningar och att korrelera de observerade egenskaperna. Till exempel har röntgenstråle inducerade ström (xbic) mätningar framgångsrikt kombinerats med röntgen fluorescens (XRF)7,18,19, röntgen upphetsad optisk Luminescens (xeol)20, 21, och röntgendiffraktion (XRD)22 att korrelera den elektriska prestanda med sammansättning, optiska prestanda, och struktur, respektive23.
Under xbic mätningar av solceller eller andra enheter under test (DUT)24,25, den incident röntgen fotonerna iväg partikel duschar som består av elektroner och fotoner, vilket resulterar i en mängd Exciterade elektron-hålpar per incident röntgen foton i det halvledande absorbatorn material. Slutligen, elektron-hålpar thermalize till bandet kanterna av sol cells absorbator. Därför kan dessa X-ray upphetsad laddning bärare behandlas som Laddningsbärare som genereras av absorptionen av fotoner med energier precis ovanför bandgap under normal solcellsdrift, och den resulterande ström eller spänning kan mätas som röntgen Strålinducerade ström23,26,27 eller spänning (xbiv)28,29 liknar mer vanliga mätningar som elektronstråle inducerad ström (EBIC) eller laser-beam inducerad ström (LBIC). Följaktligen, XBIC/XBIV signalen inte bara beror på tjockleken på absorbatorn skiktet, men också på den elektriska prestandan hos DUT, både på mikroskopisk och makroskopisk nivå, inklusive den lokala bandgap, Fermi-nivå uppdelning, och rekombination. Således kan vi kartlägga lokala variationer av laddning-Carrier inkassoeffektivitet som definieras som sannolikheten att ett externt upphetsad elektron håls par i absorbatorn skiktet samlas vid elektriska kontakter av DUT.
Observera att endast elektron håls par som genereras i DUT-skiktet i absorbatorn bidrar till XBIC/XBIV-signalen. Laddningsbärare som genereras i andra skikt, såsom metalliska kontakter eller substrat, kommer omedelbart att återförenas, eftersom de inte har någon möjlighet att separeras av korsningen. Därför, andra skikt påverkar endast XBIC/XBIV mätningar via sekundära effekter såsom parasitisk röntgenabsorption eller utsläpp av sekundära fotoner och elektroner som kan återabsorberas i absorbatorn skiktet. Däremot kan alla skikt bidra till XRF-signalen.
Med tanke på att XBIC-och XBIV-signalerna kan vara små (ofta variationer i sub-picoampere och nanovolt sortiment är av intresse), är signalerna lätt begravda i buller. Därför föreslog vi att använda Lås-i amplifiering för att extrahera XBIC och XBIV signaler30. För detta ändamål är den inkommande röntgenstrålen modulerad av en optisk helikopter som anges i figur 1. Denna modulering bär över till signalera som produceras av DUTEN. Innan signalen matas in i lock-in-förstärkaren (LIA) används vanligtvis en förförstärkare (PA) för att matcha den råa signalintensiteten med räckvidden för analog-till-digital-omvandlaren vid ingången till digital LIA. LIA blandar den modulerade mätsignalen med referens signalen. Genom att använda en lågpassfilter, endast frekvenser nära referens signalen leds genom och förstärks31. Detta möjliggör en effektiv extraktion av XBIC-eller XBIV-signalen från en bullrig bakgrund.
I protokollet introducerar vi förutsättningarna och rörelserna som krävs för att ta lyckade XBIC-mätningar inklusive RAW-signalen (likström, DC) och den modulerade signalen (växelström, AC). Utöver att beskriva tekniska detaljer diskuterar vi en xbic-inställning i samband med multimodala mätningar på fd P06 på Petra III13. Observera att, jämfört med de flesta laboratorieexperiment, miljön i Hutches på Hard X-ray nanosonder kräver särskild planering och övervägande. Specifikt multimodala mätningar med nanometer-skala upplösning utmana experimentalister med en mängd specifika begränsningar. Till exempel är elektroniskt brus ofta närvarande med stora amplituder från Piezo-drivna motorer och annan utrustning, såsom nätaggregat av detektorer. Dessutom måste en mängd olika anordningar och detektorer ordnas på optimerad geometri utan att störa varandra eller inducera vibrationer. Figuren 1 visar en typisk inställning för xbic mätningar i kombination med XRF och små/vidvinkel X-ray spridning (saxs/waxs) mätningar.

<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 beam inducerad ström (XBIC) mätningar möjliggör kartläggning av nanoskala prestanda elektroniska enheter såsom solceller. Idealet är att XBIC används samtidigt med andra tekniker inom en multimodal röntgenmikroskopi. Ett exempel ges häri kombinerar XBIC med röntgen fluorescens för att möjliggöra punkt-för-punkt korrelationer av elektriska prestanda med kemisk sammansättning. För det högsta signal-brus-förhållandet i XBIC-mätningar spelar lock-in amplifiering en avgörande roll. Genom detta tillvägagångssätt moduleras röntgenstrålen av en optisk hackare uppströms provet. Den modulerade röntgenstrålen inducerade elektriska signalen förstärks och demoduleras till Chopper frekvens med hjälp av en lock-in förstärkare. Genom att optimera lågpassfilter inställningar, modulering frekvens, och amplifiering amplituder, kan brus dämpas effektivt för utvinning av en tydlig XBIC signal. En liknande inställning kan användas för att mäta X-ray beam inducerad spänning (XBIV). Utöver standard XBIC/XBIV mätningar, XBIC kan mätas med bias ljus eller bias spänning tillämpas så att utomhus arbetsförhållanden av solceller kan återges under in situ och operando mätningar. I slutändan möjliggör den multimodala och mångdimensionella utvärderingen av elektroniska enheter i nanoskalan nya insikter i de komplexa beroendena mellan sammansättning, struktur och prestanda, vilket är ett viktigt steg mot att lösa materialens Paradigm.

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

En inställning för röntgenstråle inducerade aktuella mätningar vid synkrotron beamlines beskrivs. Det avslöjar nanoskala prestanda solceller och utökar sviten av tekniker för multimodala röntgen mikroskopi. Från ledningar till signal-till-brus optimering, är det visat hur man utför State-of-the-art XBIC mätningar vid en hård röntgen mikrosond.

Röntgenstråle inducerade aktuella mätningar för multimodala Röntgenmikroskopi 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 ...

Röntgen framkallar en ström i många elektroniska apparater. Väldigt mycket som synliga fotoner i solceller i solceller. Signalen kallas röntgenstråle inducerad ström.Med andra ord, testapparaterna drivs som röntgendetektorer och XBIC ger den lokala enhetens prestanda. XBIC kombinerar den höga speciella upplösningen av elektronstråle-inducerad ström med ett högt genomträngningsdjup av laserstråle inducerad ström. Denna kombination ger den lokala prestanda även i varierande strukturer som i inkapslade solceller med hög upplösning.Från XBIC-signalen kan vi bestämma den rumsligt lösta laddningsinsamlingseffektiviteten, som är avgörande för halvledaranordningars elektriska prestanda. Så i princip kan XBIC-mätningar utföras på alla system som visar elektrisk respons på dess rymd, såsom solceller, röntgendetektorer, på nanotrådar från halvledare. Att göra XBIC-mätningar är faktiskt förvånansvärt enkelt om man följer signalvägen från enheten till förstärkarna och dataanskaffningen.Börja med att utforma en provhållare för att ge maximal frihet till placering av olika detektorer i närheten. Ställ in provhållaren på en kinematisk bas för att möjliggöra enkel ompositionering av prover med mikrometerläge. Använd ett kretskort som har konstruerats så att det kan användas som fäste för den elektroniska enheten för XBIC-mätningar.Därefter limma den elektroniska enheten som ska testas på kretskortet. Var uppmärksam för att undvika kortslutning genom att använda polyimid tejp. Fixera kontakttrådarna även med tejp.Anslut den uppströmskontakt som är vänd mot den infallande röntgenstrålen med koaxialkabelns sköld. Anslut sedan nedströmskontakten med koaxialkabelns kärna. Därefter monterar du kretskortet i provhållaren.Montera sedan provhållaren på provsteget. Anslut provet genom BNC-kontakten på provfästet. Placera ledningarna så att ingen monteringsdel eller ledningar blockerar den infallande röntgenstrålen eller någon detektor.Se till att provets ledningar är töjas avlastade så att det inte kommer att begränsa provrörelserna. Kontrollera att provet är väl jordat. Nu rotera scenen så att planet av intresse är vinkelrätt mot incidentstrålen.Detta kommer att minimera strålfotavtrycket och maximera den rumsliga upplösningen. Om du kommer att utföra multimodala mätningar, placera detektorerna runt provet, till exempel för röntgenfluorescensmätningar. Därefter mäter du testenhetens signalamplitud för att testa signalens räckvidd under olika förhållanden.Placera en förförstärkare i närheten av provet och anslut den till en styrenhet utanför hutch. Detta kommer att möjliggöra fjärrinställning modifieringar utan att behöva komma in i hutch och kommer automatiskt att spara förstärkningsinställningarna. Anslut förförstärkaren till en ren effektkrets och ström på den.Se till att testapparatens signalamlitud överensstämmer med förförstärkarens ingångsområde. Det är god praxis att hålla förstärkningen av förförstärkaren vid minsta känslighet närhelst ingen mätning pågår för att undvika oavsiktlig över mättnad. Anslut nu testenheten till förförstärkaren.Med tanke på den lilla signalamplituden är det avgörande att hålla ledningarna korta och på avstånd från bullerkällor. Nästa dela den förförstärkande signalen i tre parallella signalgrenar. Dessa används för att separat registrera de positiva och negativa DC-värdena, tillsammans med de modulerade AC-komponenterna.Anslut inlåsningsförstärkaren till en styrenhet utanför hutchen. Ström den från en ren kraftkrets. Se till att förförstärkarens utgång stämmer med insatsen på inlåsningsförstärkaren under alla förhållanden.Här är den maximala utgången av förförstärkaren 10 volt, men den maximala ingångsredningen för inlåsningsförstärkaren är 1,5 volt. Testa därför signalamplituden efter förförstärkaren och se till att inspänningsräcksområdet för inlåsningsförstärkaren är som max. Koppla nästa utmatningen av förförstärkaren till ingången på inlåsningsförstärkaren.Montera röntgenhelikopter på en motoriserad scen med förmågan att röra sig in och ut ur röntgenstrålen och driva den via chopper controller. Anslut helikoptern till styrenheten, i detta fall via inlåsningsförstärkaren. Kör sedan den optiska helikoptern med inlåsningsförstärkarens demodulationsfrekvens.Nästa ansluta utmatningen av inlåsningsförstärkaren till en spänning-till-frekvensomvandlare. Mata sedan ut den rot-medel-kvadratiska amplituden R av den inlåsade amplifierade signalen som den analoga växelströmssignalen för enheten. Se till att enheten under test är avskärmad från alla lampor i hutch.Sök igenom hutchen. Var snäll och lämna området. Attention, please, notice switch on.Och sätt på röntgenstrålen. Om allt är korrekt inställt, och röntgenstrålen träffar provet, kommer en modulerad XBIC-signal att synas. Anpassa förstärkningen av förförstärkaren och inspänningsrouten på inlåsningsförstärkaren så att de stämmer överens.Se till att förförstärkarens respons är snabb nog för den valda chopperfrekvensen. En rektangulär XBIC-signal ska observeras. Om en kraftig fördröjning är synlig behöver chopperfrekvensen minskas eller förförstärkarens filterstege behöver justeras.Ställ in lågpassfilterfrekvensen för inlåsningsförstärkaren på det minimum som är kompatibelt med skanningshastigheten. Sedan, maximera den förstärkta signalen med avseende på förhållandet balken på och balk av och med avseende på signalen till brus förhållandet. Uppställningen är nu klar för XBIC-mätningar.Gå till en orörd plats på provet och starta mätningen. Den centrala fördelen med att använda inlåsningsförstärkning för XBIC-mätningar är den dramatiska ökningen av signal-brusförhållandet jämfört med mätningar med standardförstärkning. Här visas den förförstärkade enheten under testsvar mätt med en omfattning utan och med ett partiskt ljus påslagen.Trots förekomsten av starkt brus eller svekkomponenter som framkallas av biasljus eller biasspänning, är det möjligt att extrahera den modulerade röntgenstrålen inducerad strömsignal från bakgrundssignalen, även om det är storleksordningar som är mindre. Jämföra dessa två bilder, notera en offset signal i storleksordningen åtta millivolt som flyttas till minus 65 millivolts genom att slå på bias ljuset från lysrör. Dessutom förstärks signalvariationen på korta tidsskalor avsevärt av biasljuset.Med lämpliga inställningar kan både förskjutningen och den höga frekvensmoduleringen mildras. Trots detta bör alla källor till oavsiktlig bias såsom omgivande belysning och elektromagnetiskt brus elimineras för högsta signal-brusförhållande. Dessa grafer belysa effekten av bias ljus och olika lågpass filterinställningar på den inlåsningsförstärkade RMS-amplituden.För hög skanningsfrekvens bör lågpassfiltret avskurna frekvens vara så hög som möjligt men högsta signal till ljud erhållna med lågavskurna frekvenser. I detta fall erbjöd ett lågpassfilter med en avskuren frekvens som motsvarade 10,27 Hertz den bästa kompromissen för skanning vid måttlig två Hertz. Här kan du se effekten av inlåsningsförstärkning på signalen till brusförhållandet i röntgenstråleinducerade strömmätningar.Den noisiness av den direkta signalen är uppenbar och inlåsningsförstärkad signal visar fina funktioner i god detalj. För kvantitativ analys bör formen på den modulerade XBIC-signalen representera formen på den modulerade röntgenintensiteten. Därför är det viktigt att optimera chopper frekvensen och lågpassfilter med avseende på det.Inlåsning förstärkning tillåter oss att mäta enheter under olika förhållanden. Till exempel kan vi tillämpa bias spänning eller bias ljus. I slutändan gör detta att vi kan mäta hela IV-kurvan med hög rumslig upplösning vid nanoscape.XBIC är särskilt användbart när vi kombinerar det med andra tekniker. Till exempel, med röntgenfluorescensdiffraktion, tachography, eller röntgen upphetsad optisk luminescens. Om vi kombinerar allt detta, kan vi lösa och dekonvolutera sammansättning struktur och prestanda.Bortsett från allmänna försiktighetsåtgärder som skall vidtas när det handlar om elkraft och intensiv röntgenstrålar finns det ingen specifik risk att utföra XBIC-mätningar för att använda åtminstone provet, men kan dö på grund av strålningsskador. Med diffraktion begränsade källor, såsom Petra Fyra, nanofokus röntgen flussen kommer att öka med storleksordningar. Detta kommer att öka mäthastighet signal till brus förhållande och möjliggöra helt nya experiment in situ och 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 skick Pore skala avbildning av flera Fluid Faser Använda röntgen 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 röntgen Tomography för 3D Elemental Kartläggning av enskilda nanopartiklar

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

Underlåtenhet Analys av batterier Använda Synchrotron-baserade Hard röntgen 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

Mätning av röntgen Beam Coherence längs flera riktningar användning av 2-D Checkerboard fasgitter

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

Speciering och biotillgänglighet Mätningar av miljö Plutonium Använda 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

Protokollet av Elektro Test och karakterisering av aprotiskt 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-tillstånd avbildning av reaktion i karbonater Använda Synchrotron Snabb 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 Djup Analyser av lysdioder genom en kombination av röntgen Computed Tomography (CT) och ljusmikroskop (LM) korrelerad med svepelektronmikroskop (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

Digital Printing titandioxid för grätzelsolcell

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

Tillämpa X-ray Imaging Crystal spektroskopi för användning som en hög temperatur 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 ...