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：碲化镉、铜铟镓硒、非晶体硅、砷化镓等。其中，铜铟镓硒(CuIn1-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Z具潜力的太阳能电池材料。

对于材料科研人员，探索铜铟镓硒（CIGS）材料制备工艺以及Z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。

那么赛默飞世尔科技的XRD和EDXRF能发挥怎样的作用呢？接下来我们就将展示如何使用赛家产品，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ARL QUANT’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ZL的Smart Optic™️ 聚焦光学技术，保证了样品在50 W低功率照射下依然可以产生媲美2. 2 KW大功率光管的衍射灵敏度。ARL EQUINOX 100是市场上功能Z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。

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50 W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。独 家ZL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 CuKα波长(1.541874 Å)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ω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，如图5，样品在入射角为1.0°时，图谱仅显示diyi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diyi层镀层的物相与CuIn1-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2：CIGS薄膜测试条件

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组成进行准确的测量。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wan美的解决太阳能电池薄膜样品的分析。