太阳能电池薄膜材料中层结构、物相、层厚、层元素组成分析检测方案(能散型XRF)

GIXRD 和 EDXRF 技术联合分析太阳能电池薄膜材料 关键词： GIXRD； EDXRF； 太阳能电池；薄膜 目标：薄膜的层结构、物相、层厚、层元素组成分析 引言： 太阳能薄膜电池具有质量小、厚度极薄、可弯曲等优点。当前工业化制作太阳能薄膜电池的材料主要有：化镉、铜锢家硒、非晶体硅、砷化家等。其中，铜中家硒(Culn1-xGax Se2)具有成本低、转换效率高、性能稳定、弱光性好、几乎不衰减等优点，是目前世界上最具潜力的太阳能电池材料。 对于材料科研人员，探索铜硒 (CIGS) 材料制备工艺以及最佳掺杂比例对于材料的性能提升是至关重要的。而生产出高品质 CIGS 薄膜的难点则是解决包括控制薄膜厚度和掺杂均匀性、以及大面积生产稳定性的问题。解决这些影响 CIGS 薄膜质量的问题有助于生产商提高产品的竞争力。 XRD和 EDXRF 作为快速无损的分析技术，已经越来越广泛的应用于科研和工业生产。在 CIGS 薄膜电池领域， XRD和 EDXRF 技术与实际的应用需求十分契合。当科研人员采用新的工艺制备出高性能薄膜材料或者获得一款高性能薄膜材料时，可以利用 XRD确认薄膜材料的每一层结构及物相组成，一旦获取了这些信息之后，则可以使用 EDXRF对每一层镀层的厚度和元素百分比进行分析，从而帮助科研人员完成薄膜材料的结构和化学组成剖析，并为后续科研工作奠定基础。对于工业生产而言，利用 EDXRF技术对产品进行快速、多点的分析，可以在品控方面进行有效的薄膜厚度、掺杂均匀性和工艺稳定性监控，从而保证产品的质量。 接下来我们将展示使用赛默飞世尔科技的 XRD 和EDXRF产品， 对 CIGS薄膜样品进行薄膜层结构、物相、层厚、层元素组成分析。 仪器设备： 本次实验使用的是赛默飞世尔科技的 ARL EQUINOX 100 台式 XRD 以及 ARLQUANT'X台式 EDXRF 分析仪。 ARL EQUINOX 100 台式 XRD (见图1)采用了超大面积实时探测器，可以实现超高速实时测量。独家专利的 Smart OpticTM 聚焦光学技术，保证了样品在50W低功率照射下依然可以产生媲美2. 2KW 大功率光管的衍射灵敏度。 ARL EQUINOX 100 是市场上功能最全面的台式 XRD， 丰富的样品台选择极大的拓展了台式机的应用。其中，薄膜样品台(见图2)就可以实现在程序控制下在w和z方向机动，进行XRD掠入射分析 (GIXRD)，非常适用于太阳能薄膜材料的镀层研究。 图1，ARL EQUINOX 100 X射线衍射仪 图2，薄膜样品台 ARL QUANT'X EDXRF 分析仪(见图3)配备了高性能的 SDD 探测器和50W高功率Rh靶×射线管。该仪器还配备有9组滤光片组合，除元素周期表中原子序数低于11的超轻元素以外，对几乎所有元素均具有较高的激发效率。特别是对于太阳能薄膜电池中 的 Mo、In、Cd等重元素，仪器拥有极高的灵敏度，这可以大大缩短测试时间。独家专利的 Wintrace 软件集成了镀层分析算法，可以轻松实现对薄膜样品的层厚和每层元素组成的分析。 图3， ARL QUANT'X EDXRF 分析仪 XRD 实验： ARL EQUINOX 100 衍射仪采用 CuKa 波长(1.541874 A)作为光源，将薄膜样品台安装在仪器上，并用双面胶将样品固定在薄膜样品台(见图4)。利用“Omega Z"程序调节w和z方向位置，使样品处于“准直”状态。设定起始掠入射角度为0.5°，每张谱采集2分钟，入射角度按0.25°递增。采集所得的数据使用 JADE 2010 软件以及 PDF4+数据库进行分析。 图4，样品固定在薄膜样品台 XRD 结果 ： 选取采集的部分谱图进行分析，如如5，样品在入射角为1.0°时，图谱仅显示第一层的衍射峰。而当入射角为2°时，第二层的衍射峰(红色箭头所指处)开始显现，并且随着入射角度的增大第二层的衍射峰强度越来越高。 图5，入射角在1.0°、2.0°、3.0°、4.0、5.0°、6.0°下对应的衍射叠加图 如图6，使用 JADE2010软件以及 PDF4+数据库分别对入射角为1.0°和5.0°的两张图谱进行定性分析，定性分析表明第一层镀层的物相与 Culn1-xGax Se2 化合物的匹配度较高，而第二层的物相则与 Mo 较为匹配。 图6， JADE 2010软件定性分析入射角为1.0°和5.0°下对应的谱图 EDXRF实验： ARL QUANT'X的超大样品腔适用于大尺寸样品的分析。对于此次测试的薄膜样品，不需要进行任何前处理即可进行测试。将由上述 XRD 实验中获知的样品元素信息输入仪器的 Wintrace 软件中，该软件内置了强大的薄膜分析程序，进而建立了该样品的镀层厚度分析方法。 表1中列出了方法中采用的元素激发条件，分析环境为空气。每组条件的采谱时长仅为 30s。图7为该薄膜样品在 50kV激发条件下的光谱图。 表1，薄膜测试条件 Voltage(kV) Tube Filter Atmosphere Live Time (s) Element of Interest 30 Pd Thick Air 30 Cu、 GaSe 50 Cu Thin Air 30 In、Mo 图7，薄膜样品的能谱图。 EDXRF结果： 通过建立镀层厚度分析方法，得到了样品的每一层的镀层厚度和元素组成(见表2)。 表2， CIGS薄膜测试条件 CIGS 1.43 microns Cu 19.5% Se 46.8% in 23.5% Ga 10.2% Mo 0.34 microns Mo 100% 应用小结： XRD 掠入射分析 (GIXRD)可以准确对薄膜和镀层进行层结构的剖析，而 XRF可以对镀层的厚度和和成进行准确的测量。 XRD 技术为 XRF分析提供了所需要的镀层结构信息，而 XRF分析又能够更好的对XRD 的结果进行验证和补充。这两种技术结合起来完美的解决太阳能电池薄膜样品的分析。 ARL QUANT’X EDXRF 分析仪配备了高性能的SDD 探测器和50W 高功率Rh 靶X 射线管。该仪器还配备有9 组滤光片组合，除元素周期表中原子序数低于11的超轻元素以外，对几乎所有元素均具有较高的激发效率。特别是对于太阳能薄膜电池中的Mo、In、Cd等重元素，仪器拥有极高的灵敏度，这可以大大缩短测试时间。专利的Wintrace软件集成了镀层分析算法，可以轻松实现对薄膜样品的层厚和每层元素组成的分析。ARL QUANT’X的超大样品腔适用于大尺寸样品的分析。对于此次测试的薄膜样品，不需要进行任何前处理即可进行测试。将由上述XRD实验中获知的样品元素信息输入仪器的Wintrace软件中，该软件内置了强大的薄膜分析程序，进而建立了该样品的镀层厚度分析方法。ARL EQUINOX 100 台式XRD采用了超大面积实时探测器，可以实现超高速实时测量。Smart OpticTM  聚焦光学技术，保证了样品在50W 低功率照射下依然可以产生媲美2. 2KW 大功率光管的衍射灵敏度。ARL EQUINOX 100 是市场上功能全面的台式XRD，丰富的样品台选择极大的拓展了台式机的应用。其中，薄膜样品台就可以实现在程序控制下在ω 和z 方向机动，进行XRD掠入射分析（GIXRD），非常适用于太阳能薄膜材料的镀层研究。