【摘要】 新型光谱仪的结果与辉光放电发射光谱法获得的定量深度剖面非常吻合。

提出了一种基于能量色散面探测器免扫描浅层探测概念的角分辨X射线荧光光谱仪。该仪器在能量分辨率、线性、角度辨别和重复性方面具有特征，并详细介绍了必要的数据评估策略。为了展示其功能并展示潜在应用，我们对通常应用于薄膜太阳能电池的两种不同的铜铟镓（二）硒化物 (CIGS) 吸收层进行了分析。结合商用 XRF 光谱仪的层成分和层厚度的定量（但积分）结果，可以获得两个 ≈ 2 μm 薄样品的 Ga 浓度的深度剖面。

 

新型光谱仪的结果与辉光放电发射光谱法获得的定量深度剖面非常吻合。光谱仪概念的简单性、稳定性和效率的结合使其成为工业应用的潜在候选者。紧凑型角分辨 X 射线荧光光谱仪的描述。利用免扫描放牧发射 X 射线荧光方法。具有单光子检测功能的能量色散电荷耦合器件。实现非破坏性、定量的元素深度分析。纳米结构分层样本（此处为 CIGS 太阳能电池）的深度分析。

 

图 1. 上图：Fischer（蓝色）和 PVcomB（橙色）CIGS 吸收体的 (a) Cu Kα、(b) Ga Kα 和 (c) In Lα 与 Se Kα 的 ARXRF 剖面比率。最佳拟合结果显示为实线。底部：来自 ARXRF 测量的 Fischer (d) 和 PVcomB 样品 (e) 各自的最佳拟合元素深度剖面（实线）。指示了从拟合的协方差矩阵传播的置信区间 (3 sigma)。还显示了 GD-OES（辉光放电发射光谱法）深度剖析测量的结果【1】。

 

图1a-c（实线）。尽管双线性梯度的样本模型相当简单，但除了对近地表成分最敏感的最低角度外，测量的强度均满足要求。事实上，众所周知，在铜生长条件较差的情况下，由于相分离，通常会观察到靠近表面的铜耗尽，PVcomB 样品就是这种情况。所应用的模型不涵盖近地表成分的任何此类变化，以限制拟合参数的数量图 1 底部还显示了对相同样品获得的 GD-OES 测量结果。

 

定性地，使用 ARXRF 和 GD-OES 获得的深度剖面相似，PVcomB 样品的前接触附近的前几个 100 nm 处的 Ga 浓度较高，而 Fischer 样品的 Mo 界面附近的 Ga 浓度较高。对于 PVcomB 样品，深度 GD-OES 剖面大部分在 ARXRF 测量的不确定度范围内，而对于 Fischer CIGS 吸收体，定量结果差异更大，特别是对于背接触。一些差异可归因于 ARXRF 样品模型的简单性以及 ARXRF 用于参数降低和 GD-OES 用于校准的量化总体浓度的差异。

 

然而，GD-OES 测量中也存在一些伪影。尽管进行了溅射参数优化，但优化后的参数仍然会产生稍微凸形的溅射，导致 CI​​GS/Mo 界面处出现非矩形过渡，如 CIGS 的模糊过渡所示-图1d)和e)中Mo的元素。此外，在评估 GD-OES 深度剖面期间，对实际层厚度的溅射时间进行量化可能会导致费舍尔样品的额外误差。此量化过程中使用的参数之一是 CIGS 的质量密度，它可能受到材料中的针孔和其他空腔的强烈影响。这些在 CIGSe 薄膜中相当常见，尤其是顺序处理的薄，在量化过程中必须考虑到。

 

由于定量程序针对 CIGS 吸收层的 PVcomB 类型进行了优化，因此可以针对 PVcomB 样品进行此操作，但不适用于 Fisher 样品。由于平均密度降低，这些空腔也会影响 ARXRF 定量。 ARXRF 计算的密度不考虑空腔。由于在每层的 ARXRF 剖面计算中，质量密度和厚度的乘积进入方程，因此如果实际密度实际上较低，则层厚度会被低估。这可能会导致如图 1 e) 所示的压缩深度剖面。

 

最后，每个样品的 GD-OES 和 ARXRF 测量的测量位置并不相同。 ARXRF 测量使用样品的中心，而 GD-OES 测量由于具有破坏性，因此在样品的一角进行。显然，这两种方法的可靠性都应该进行检查，并且可能在未来通过在不同 CIGS 吸收层上的 GD-OES 和 ARXRF 测量之间进行更系统的比较研究来增强，但 ARXRF 测量的潜力是一种非破坏性的测量方法。

 

【1】. Baumann, D. Grötzsch, O. Scharf, T. Kodalle, R. Bergmann, F. Bilchenko, I. Mantouvalou, B. Kanngießer,A compact and efficient angle-resolved X-ray fluorescence spectrometer for elemental depth profiling,Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy,Volume 181,2021,106216,

 

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