Nature Energy: 导电原子力显微镜（CAFM）揭示CIGS电荷载流子浓度不均匀性

来源：布鲁克纳米表面仪器部分类：科技文献

2025-03-07 09:44:38 146阅读次数

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第134期

布鲁克期刊俱乐部

Bruker Journal Club

布鲁克纳米表面与量测部李慧琴

内容简介

本文应用了一种新兴的导电原子力显微镜（C-AFM）断层扫描技术，并获得了三维电导率图，从而能够在亚微米尺度上逐粒对载流子浓度成像。发现，具有KF PDT的太阳能电池显示出更强的载流子浓度不均匀性，而RbF和CsF在较高的载流子浓度下导致窄分布。CIGS载流子浓度及其均匀性直接影响太阳能电池的开路电压，从而影响器件性能。此外，C-AFM断层扫描方法广泛适用于能量材料。

研究背景：

对抗气候所需的碳中和能源系统改变的光伏（PV）被广泛认为是太阳能电池的主要组成部分。当前的研究和开发活动是针对降低PV的生产成本，提高性能并拓宽可能的应用范围。多晶吸收层（如卤化铅钙钛矿、碲化（CdTe）或铜铟镓硒（Cu（In，Ga）Se2，（CIGS））的薄膜太阳能电池可以进行高通量低成本制造，并在过去几年中达到了远高于20%的功率转换效率。为了实现进一步的改进，大量的研究工作旨在了解这些多晶半导体中晶界的物理性质，并开发钝化机制，以尽量减少这些丰富的结构缺陷处的复合损失。

学者们通常使用原子探针断层扫描、纳米X射线荧光和透射电子显微镜来表征这类材料的掺杂机制，这些技术忽略了材料晶粒尺度上的可能变化。到目前为止，还没有关于在纳米尺度上直接观察单个晶粒的电荷载流子浓度的报道。为了了解多晶半导体的电子特性，扫描探针显微镜方法如开尔文探针力显微镜或导电原子力显微镜（C-AFM），因为提供了低至纳米尺度的高空间分辨率得到了广泛的应用。C-AFM对导电AFM尖端和样品之间的电流进行成像，从而深入了解所研究材料的输运特性。通常，扫描探针显微镜方法，包括C-AFM，应用于被研究样品的表面。最近，C-AFM已经与断层扫描技术相结合，从而形成三维（3D）电流图。

本文演示了CIGS太阳能电池的C-AFM断层扫描暴露于不同的AlkF PDT中吸收器，对获得的三维C-AFM电流图像进行了定量分析，得到了逐粒电荷载流子浓度图。发现CIGS的电荷载流子浓度及其均匀性对开路电压的影响，从而影响各个太阳能电池的性能。

研究内容和结果

C-AFM断层扫描测量模式的尖端诱导材料去除导致深度随着扫描次数的增加而增加（红色箭头）。对于选定区域的，图1显示了在较大面积（20×20μm2）的成像扫描中获得的形貌相关信息，以及断层扫描区域（10×10μm2）中的相应C-AFM电流图。整个C-AFM断层扫描实验共包括197次后续扫描，在断层扫描区域达到约1.84μm的最终深度。非PDT样品和几个Alk=K、Rb和Cs的AlkF PDT样品重复获得了类似的C-AFM断层扫描数据。根据从较大成像扫描中获得的断层扫描区域的演变深度（图1a），可以计算出实验去除率（RR）；如果需要，通过在扫描过程中稍微调整施加的力（5-6μN），将RR保持在每次扫描约9nm的恒定值。对于每个晶粒（并避开晶界），可以获得C-AFM电流的深度分布（图2b）。这个几种晶粒的C-AFM电流深度分布的比较揭示了不同晶粒之间存在相当大的差异。然而，电流向CIGS层深处增加的总体趋势是始终如一。当探针产生压痕时，材料的塑性变形导致材料去除。因此，确定压痕深度，可以估计出AFM断层扫描的RR。这里的压痕深度描述了深度单个扫描线的材料去除。但是，要获得删除在全扫描速率下，需要考虑线密度。

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图1：无PDT的CIGS样品的C-AFM断层扫描

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图2：分析无PDT CIGS上C-AFM断层扫描的电流

对单个晶粒的分析结果显示，电导率及其分布的均匀性明显依赖于用于AlkF PDT的碱金属元素(图4)。非PDT CIGS具有最低的电导率值，随着碱金属元素由轻到重K→Rb→Cs，电导率增加颜色较浅并变得更均匀。这些定性观察结果被逐粒电导率的定量统计分析所证实。它清楚地表明，所有分析颗粒的电导率的平均值随着碱金属元素的增加而增加。

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图3：在AlkF PDT CIGS上绘制电导率和载流子浓度分布

图4：AlkF PDT CIGS上的载流子浓度和电流分布图

结论

理解多晶吸收材料电子特性的空间不均匀性是寻求更好性能制造太阳能电池的关键。本文采用了细致的逐片处理，进行纳米级C-AFM层析成像实验，以获取多晶材料的3D电流体积分布，并开发了一种针对单个颗粒定量提取出电荷载流子浓度的分析方法。实验发现，对于使用较轻碱金属元素的PDT电荷载流子浓度分布较广，而具有更强的碱处理样品显示出分布较窄且数值较高电荷载流子浓度。研究结果显示，同质CIGS颗粒的高电荷载流子浓度值在使用较重碱元素的AlkF PDT工艺后提高了性能，这证实了需要仔细优化CIGS生长和AlkF PD T，以实现各CIGS太阳能电池的最佳性能。

论文链接：

Charge-carrier-concentration inhomogeneities in alkali-treated CuIn,GaSe2 revealed by conductive atomic force microscopy tomography. Nat Energy, 2024.

DOI: 10.1038/s41560-023-01420-7

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01420-7

技术介绍：

布鲁克原子力显微镜拥有除了基本的成像模式之外的一系列电学和力学高级表征功能，如EFM、KPFM、SCM、C-AFM和SECM等，可对纳米电学进行深入研究，如半导体载流子分布、金属和半导体的功函数计算、电阻率分布等。