Производство солнечных батарей, как и любое другое, требует контроля различных параметров изделия.
Рассмотрим более подробно рентгеновский (X-Ray) анализ, применяемый для контроля элементного состава солнечных батарей, профиля глубины распределения примеси, определения стехиометрии кристалла (соотношения элементов) и пр.. Рентгеновские лучи были открыты чуть более века тому назад Рентгеном. Хотя существуют свидетельства, что излучение в этом диапазоне получали и Герц, и Крукс, которые, однако, результатов своей работы не опубликовали. В итоге, Рентген издал около трех исчерпывающих статей на эту тематику, впоследствии никому не удавалось добавить к ним ничего существенного. Известна фотография руки жены Рентгена, сделанная им же самим и опубликованная в одной из своих работ (рисунок 1).
Существует несколько разновидностей рентгеновского анализа, хотя физика процессов остается прежней. Рентгенофлуоресцентный анализ (XRF analysis) используется с целью получения элементного состава вещества. Характеристическое излучение несет информацию об излучающих атомах. Рентгенофазовый анализ основан на применении длины волны излучения, сравнимой с межплоскостным расстоянием кристаллической решетки исследуемого вещества. Волны, отраженные разными плоскостями, интерферируют за счет разности пройденных путей. Обычно ослаблением амплитуды волны, прошедшей вглубь кристалла и возвратившейся на поверхность, пренебрегают. Основное уравнение рентгенофазового аннализа - уравнение Брэгга-Вульфа. Оно позволяет содной стороны, используя рентгеновское излучение с определенной длиной волны исследовать неизвестную структуру вещества, а с другой - используя известные кристаллы, как соль например, исследовать рентгеновские лучи. Рентгенография поликристаллических материалов позволяет определить состояния твердого тела (кристаллическое, аморфное, нанокристаллическое, аморфное с кристаллическими включениями), определить параметры элементарной ячейки исследуемого образца.
С точки зрения определения элементного состава, важное значение имеет характеристическое излучение. Закон Мозли (рисунок 2), устанавливает связь между длиной волны характеристического излучения и порядковым номером элемента. Первичное рентгеновское излучение (или поток электронов) выбивает электроны на более глубоких (с меньшей энергией) уровнях атома. Затем происходит последовательные каскадные переходы электронов с высших уровней на нижние вакантные уровни. Переход электронов на один общий уровень энергии со всех остальных называется серией. Существуют K,L,M,N серии, причем L,M,N являются сложными и состоят из нескольких подуровней (см.рисунок 3).
Схема рентгеновского спектрометра показана на рисунке 4. В общем случае имеем источник рентгеновского излучения, объект и приемник характеристического излучения. В качестве первичного источника рентгеновского излучения обычно используют рентгеновские трубки, в которых возбуждение электрода происходит высокоэнергетичными электронами. Количественные оценки анализа основываются на относительной интенсивности линии излучения. В качестве эталона берется интенсивность линии излучения элемента с известной концентрацией. Также существует возможность перепоглощения характеристического излучения другими элементами. Чтобы исключить эту возможность, обычно используют тонкие образцы (микроны) или прибегают к упрощениям и используют эталоны, которые по количественному составу элемента-поглотителя характеристического излучения близки к исследуемому образцу. Вторичное рентгеновское излучение характеризуется изотропностью распространения в пространстве. Это удобно для определения наличия источников излучения с разными длинами волн. Спектрографы размещаются в пределах полусферы над источником характеристического излучения, таким образом удается зарегистрировать разные длины волн. Вообще-то характеристическое излучение нужно разложить в спектр. Для того, чтобы это сделать используют кристалл-анализаторы, действие которых основано на дифракции длин волн под определенными углами - снова закон Брэгга-Вульфа nl = 2d sinq.
В рентгеновской спектроскопии часто используется так называемое синхротронное излучение – излучение релятивистских частиц, движущихся ускоренно по круговым траекториям в магнитном поле. С увеличением скорости частицы роль высоких гармоник возрастает. Когда частица приближается к релятивистскому пределу, излучение в области наиболее интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора ~ mc2/Е, где m и Е — масса и энергия частицы, с — скорость света в вакууме. Синхротронное излучение используют для анализа тонких пленок и многослойных тонких структур (рисунок 6).
Пример исследования многослойной структуры солнечной батареи рентгеновским методом показан на рисунке 12. В подтверждение уже сказанному, видим, что бета линии смещены в коротковолновую часть спектра по сравнению с альфа линиями излучения одной и той же серии.
Список использованной литературы
1 И.Б.Боровский. Рентгеноспектральный анализ. УФН. 1959
2 PV seminar papers 2009, Centroterm, Author Dr. Koetschau, PTB
3 PV seminar papers 2009, Author Dr. Beckhoff, PTB
4 PV seminar papers 2009, Sulfurcell, Author Dr. Koetschau, PTB
