薄膜太阳能电池能谱EDS分析

CIGS太阳能电池是基于铜、铟、镓、硒[Cu(In，Ga)Se2薄膜。这种太阳能电池已经展现了优秀的效率，有替代制造成本更高尺寸更厚的硅基太阳能电池的潜能。

CIGS太阳能电池通过在基体上（过去是玻璃，但当前为聚合物）成多层薄膜加工而成，如图1。钼层和氧化锌层形成电接触电极。CIGS膜层作为阳光吸收层，一薄层硫化镉形成P-N节。最通常的制造方法是同时或者按照顺序在基体上蒸发或溅射铜、铟、镓。被蒸发上的硒和膜层反应从而确定最终的合成膜层。

在制造薄膜太阳能电池过程中的主要挑战是控制膜层的成分。商品化所需要的膜层结构重复再现性，结果是不确定的，这和依靠膜层精确成分的电池的电学性质同样重要。EDS分析能够适用于确定整个装置的化学元素空间分布。

 

 

图1：Cu(In，Ga)Se2 薄膜太阳能电池（剖面）的扫描电镜图和它的操作模式-光伏效应。

实验

市场上可以买到的CIGS太阳能电池，分解后提取单一元件的一部分。观察分析表面和断面，断面观察采用环氧树脂镶样和抛光。

使用钨灯丝扫描电镜进行检测。表面分析初步使用20KV加速电压来确定元素成分。随后的剖面分析使用5kv加速电压以减小作用区。当发现基体的主要材料大部分是聚合物，需要注意保持较低的荷电水平。即使在这样的水平，少量的荷电出现，漂移补偿作为面分布分析还是需要的。

结果
二维表面观察
在拆解电池过程中，一些CIGS材料从基体上剥落（图2a）。这给了测量难得的机会。（1）样品顶层，（2）下层的金属基体 （3）金属表面电接触材料。图2b：选定区域的多点谱分析

 

图2a：剥落的CIGS材料的表面二维观察。

 

图2b：CIGS材料的最上层表面EDS能谱分析。自动多点分析。

表一：CIGS材料最上层表面的的元素成分定量分析结果

 

 

薄膜上的位置1和2，具有相同的材料组成，主要成分是铟和硒和少量的铜和镓。由于氧化锌和硫化镉的薄层特性，只有少部分的Zn，O，Cd和S被测出。

金属接触层上的位置3好像是银漆

膜层去除的位置4 显示膜层生长的钼基体

 

图3：CIGS剖面包含所有计数的X-ray元素面分布，扫描电镜图像在低加速电压下5kv，

剖面观察分析

低倍

样品剖面在低倍进行谱图像面分布分析，理解所有层的材料组成。所有层的厚度大约1/3mm。有趣的是，多数层中含有C，表明多数的聚合物包含在这些层中。除了聚合物层，铝和铁层也被观察到。如图3

高倍率

在高倍率下，进一步对最外面的铁层进行研究。元素面分布表明Cu，Ga，Se，Mo and In层。定量面分布，图4，移除了在面分布图像的背底x射线强度后，比总体计数的面分布具有更高的对比度。热电科技(Thermo）的COMPASS软件相分析能够在微小尺度定位显微组织中的单个层，图5，COMPASS面分布揭示了相对铁基体的Mo层，然后是Cu-Ga-Se层。第一层Cu-Ga-Se的计数很低，第二层包含铟的Cu-Ga-Se-In计数要高的多。低X-ray计数层像是在形貌上凹陷，这个样品特殊层表明的优先抛光可能发生。因为薄层性质和环境相同，所以这个优先抛光部分表明，源于和下层不同的成分不同，具有不同硬度。Mo层厚度小于1μm，而Cu-Ga-Se层分别小于3μm和1.5μm。没有发现Cds或者ZnO相，可能由于层太薄，过大的X-ray生成作用区。

 

图4：CIGS剖面在高倍率下的定量元素面分布

 

图5：CIGS 剖面在高倍率下的 Compass相分布

概括

X射线能谱仪提供有关CIGS太阳能电池的结构成分信息。如果样品大部分是聚合物，需要降低电子束能量和探针电流，需要漂移补偿获得有意义的结果。结果的空间分辨率有赖于入射电子束能量和束斑直径。在大块样品中，在面分布图中可能观察不到超薄膜层。
 

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