CIGS太陽能電池是基于銅、銦、鎵、硒[Cu(In，Ga)Se2薄膜。這種太陽能電池已經(jīng)展現(xiàn)了優(yōu)秀的效率，有替代制造成本更高尺寸更厚的硅基太陽能電池的潛能。

CIGS太陽能電池通過在基體上（過去是玻璃，但當前為聚合物）成多層薄膜加工而成，如圖1。鉬層和氧化鋅層形成電接觸電極。CIGS膜層作為陽光吸收層，一薄層硫化鎘形成P-N節(jié)。最通常的制造方法是同時或者按照順序在基體上蒸發(fā)或濺射銅、銦、鎵。被蒸發(fā)上的硒和膜層反應(yīng)從而確定最終的合成膜層。

在制造薄膜太陽能電池過程中的主要挑戰(zhàn)是控制膜層的成分。商品化所需要的膜層結(jié)構(gòu)重復再現(xiàn)性，結(jié)果是不確定的，這和依靠膜層精確成分的電池的電學性質(zhì)同樣重要。EDS分析能夠適用于確定整個裝置的化學元素空間分布。

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圖1：Cu(In，Ga)Se2 薄膜太陽能電池（剖面）的掃描電鏡圖和它的操作模式-光伏效應(yīng)。

實驗

市場上可以買到的CIGS太陽能電池，分解后提取單一元件的一部分。觀察分析表面和斷面，斷面觀察采用環(huán)氧樹脂鑲樣和拋光。

使用鎢燈絲掃描電鏡進行檢測。表面分析初步使用20KV加速電壓來確定元素成分。隨后的剖面分析使用5kv加速電壓以減小作用區(qū)。當發(fā)現(xiàn)基體的主要材料大部分是聚合物，需要注意保持較低的荷電水平。即使在這樣的水平，少量的荷電出現(xiàn)，漂移補償作為面分布分析還是需要的。

結(jié)果
二維表面觀察
在拆解電池過程中，一些CIGS材料從基體上剝落（圖2a）。這給了測量難得的機會。（1）樣品頂層，（2）下層的金屬基體 （3）金屬表面電接觸材料。圖2b：選定區(qū)域的多點譜分析

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圖2a：剝落的CIGS材料的表面二維觀察。

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圖2b：CIGS材料的最上層表面EDS能譜分析。自動多點分析。

表一：CIGS材料最上層表面的的元素成分定量分析結(jié)果

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薄膜上的位置1和2，具有相同的材料組成，主要成分是銦和硒和少量的銅和鎵。由于氧化鋅和硫化鎘的薄層特性，只有少部分的Zn，O，Cd和S被測出。

金屬接觸層上的位置3好像是銀漆

膜層去除的位置4 顯示膜層生長的鉬基體

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圖3：CIGS剖面包含所有計數(shù)的X-ray元素面分布，掃描電鏡圖像在低加速電壓下5kv，

剖面觀察分析

低倍

樣品剖面在低倍進行譜圖像面分布分析，理解所有層的材料組成。所有層的厚度大約1/3mm。有趣的是，多數(shù)層中含有C，表明多數(shù)的聚合物包含在這些層中。除了聚合物層，鋁和鐵層也被觀察到。如圖3

高倍率

在高倍率下，進一步對最外面的鐵層進行研究。元素面分布表明Cu，Ga，Se，Mo and In層。定量面分布，圖4，移除了在面分布圖像的背底x射線強度后，比總體計數(shù)的面分布具有更高的對比度。熱電科技(Thermo）的COMPASS軟件相分析能夠在微小尺度定位顯微組織中的單個層，圖5，COMPASS面分布揭示了相對鐵基體的Mo層，然后是Cu-Ga-Se層。第一層Cu-Ga-Se的計數(shù)很低，第二層包含銦的Cu-Ga-Se-In計數(shù)要高的多。低X-ray計數(shù)層像是在形貌上凹陷，這個樣品特殊層表明的優(yōu)先拋光可能發(fā)生。因為薄層性質(zhì)和環(huán)境相同，所以這個優(yōu)先拋光部分表明，源于和下層不同的成分不同，具有不同硬度。Mo層厚度小于1μm，而Cu-Ga-Se層分別小于3μm和1.5μm。沒有發(fā)現(xiàn)Cds或者ZnO相，可能由于層太薄，過大的X-ray生成作用區(qū)。

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圖4：CIGS剖面在高倍率下的定量元素面分布

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圖5：CIGS 剖面在高倍率下的 Compass相分布

概括

X射線能譜儀提供有關(guān)CIGS太陽能電池的結(jié)構(gòu)成分信息。如果樣品大部分是聚合物，需要降低電子束能量和探針電流，需要漂移補償獲得有意義的結(jié)果。結(jié)果的空間分辨率有賴于入射電子束能量和束斑直徑。在大塊樣品中，在面分布圖中可能觀察不到超薄膜層。
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