新化合物半導(dǎo)體及其用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容涉及一種可以用于例如熱電材料、太陽能電池等各種目的的新化合物 半導(dǎo)體材料及其制造方法和其應(yīng)用。
[0002] 本申請(qǐng)要求在韓國于2013年10月4日提交的韓國專利申請(qǐng)第10-2013-0118771 號(hào)和于2014年10月6日提交的韓國專利申請(qǐng)第10-2014-0134340號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其全部公 開內(nèi)容通過引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 化合物半導(dǎo)體是由至少兩種元素而不是由一種元素例如硅或鍺構(gòu)成并且用作 半導(dǎo)體的化合物?，F(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出各種類型的化合物半導(dǎo)體，并且目前這些化合物半導(dǎo)體 正應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中。通常，化合物半導(dǎo)體可以應(yīng)用于使用佩爾捷效應(yīng)（Peltier Effect)的熱電轉(zhuǎn)換裝置，使用光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的發(fā)光裝置例如發(fā)光二極管或激光二極管、太 陽能電池等中。
[0004] 首先，由于太陽能電池不需要除太陽光線以外的其他能源，所以太陽能電池是環(huán) 境友好的，因此被積極地研究作為一種可替代的未來能源。太陽能電池通?？梢苑譃槭褂?單一元素硅的硅太陽能電池、使用化合物半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體太陽能電池、以及其中堆 疊有具有不同帶隙能量的至少兩個(gè)太陽能電池的串聯(lián)型太陽能電池。
[0005] 在這些太陽能電池中，化合物半導(dǎo)體太陽能電池在光吸收層中使用吸收太陽光線 并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的化合物半導(dǎo)體，尤其可使用III-V族化合物半導(dǎo)體（例如GaAs、InP、 GaAlAs和GalnAs)、II-VI族化合物半導(dǎo)體（例如CdS、CdTe和ZnS)，以及以CuInSe2為代 表的I-III-VI族化合物半導(dǎo)體。
[0006] 太陽能電池的光吸收層需要優(yōu)異的長(zhǎng)期的電和光的穩(wěn)定性、高的光電轉(zhuǎn)換效率， 以及通過組成改變或摻雜而對(duì)帶隙能量或電導(dǎo)率的輕松控制。此外，如生產(chǎn)成本和良品率 的條件也應(yīng)滿足實(shí)際應(yīng)用。然而，許多常規(guī)的化合物半導(dǎo)體不能同時(shí)滿足所有的這些條件。
[0007] 此外，熱電轉(zhuǎn)換裝置用于熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電或熱電轉(zhuǎn)換冷卻應(yīng)用，并且通常包括串聯(lián) 電連接和并聯(lián)熱連接的N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體。熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電是通過使用在熱 電轉(zhuǎn)換裝置中產(chǎn)生溫度差而造成的溫差電動(dòng)勢(shì)從而使熱能轉(zhuǎn)換為電能來發(fā)電的方法。此 外，熱電轉(zhuǎn)換冷卻是通過利用當(dāng)直流電流過熱電轉(zhuǎn)換裝置的兩端時(shí)在熱電轉(zhuǎn)換裝置的兩端 之間產(chǎn)生溫度差的效應(yīng)從而使電能轉(zhuǎn)換為熱能來制造冷卻的方法。
[0008] 熱電轉(zhuǎn)換裝置的能量轉(zhuǎn)換效率通常取決于熱電轉(zhuǎn)換材料的性能指數(shù)值或ZT。此 處，ZT可以基于塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率來確定，并且當(dāng)ZT值增加時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換材料具 有更好的性能。
[0009] 迄今為止，已經(jīng)提出了許多種熱電轉(zhuǎn)換材料，但是基本上沒有具有足夠高的熱電 轉(zhuǎn)換性能的熱電轉(zhuǎn)換材料。具體地，熱電轉(zhuǎn)換材料被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，并且溫度條件 可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域而變化。然而，因?yàn)闊犭娹D(zhuǎn)換材料根據(jù)溫度可以具有不同的熱電轉(zhuǎn)換 性能，所以每種熱電轉(zhuǎn)換材料需要具有適于其應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)化的熱電轉(zhuǎn)換性能。然而，還沒 有提出具有針對(duì)各種溫度范圍的優(yōu)化性能的熱電轉(zhuǎn)換材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 技術(shù)問題
[0011] 本公開內(nèi)容旨在設(shè)計(jì)來解決上述問題，并且因此，本公開內(nèi)容涉及提供一種可以 用于各種目的例如熱電轉(zhuǎn)換裝置、太陽能電池等的熱電轉(zhuǎn)換材料的具有優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性 能的化合物半導(dǎo)體材料及其制造方法，以及使用所述化合物半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換裝置或太陽 能電池。
[0012] 本公開內(nèi)容的這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)可以從下面的詳細(xì)描述中理解，并且將從本 公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方案中變得更加清楚。此外，將易于理解的是，本公開內(nèi)容的目的和 優(yōu)點(diǎn)可以通過所附權(quán)利要求書中所示的裝置及其組合來實(shí)現(xiàn)。
[0013] 技術(shù)方案
[0014] -方面，本公開內(nèi)容的發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)研究化合物半導(dǎo)體后，已經(jīng)成功地合成出 由化學(xué)式1表示的化合物半導(dǎo)體，并且發(fā)現(xiàn)這種化合物可以用于熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱電轉(zhuǎn)換 材料或太陽能電池的光吸收層。
[0015] 化學(xué)式1
[0016] BiixMxCu!wTw0ayQlyTebSez
[0017] 其中在化學(xué)式 1 中，M是選自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Mn、Ga、In、 Tl、As和Sb中的至少一種，Q1是選自S、Se、As和Sb中的至少一種，T是選自過渡金屬元 素中的至少一種，0 彡x〈l，0〈w〈l，0. 2〈a〈l. 5,0 彡y〈l. 5,0 彡b〈l. 5 和 0 彡ζ〈1· 5。
[0018] 此處，在化學(xué)式1中，Τ可以包括過渡金屬元素中的至少一種元素，其中當(dāng)例如Co、 Ag、Zn、Ni、Fe和Cr取代Cu位時(shí)，d軌道的能級(jí)可以在費(fèi)米能級(jí)附近10eV內(nèi)。
[0019] 此外，在化學(xué)式1中，w可以滿足0〈w〈0. 05的條件。
[0020] 此外，在化學(xué)式1中，X、y和z可以分別滿足x= 0、y= 0和z= 0的條件。
[0021] 此外，化學(xué)式1可以通過BiCUlwCow0Te表示。
[0022] 此外，在化學(xué)式1中，Μ可以是Pb，并且y、b和z可以分別滿足y= 0、b= 0和z =1的條件。
[0023] 此外，化學(xué)式1可以通過叫xPbxCUlwCow0Se表示。
[0024] 此外，根據(jù)本公開內(nèi)容的化合物半導(dǎo)體在300K至800K的溫度條件下可以具有 5. 0μW/cmK2以上的功率因數(shù)。
[0025] 另一方面，本公開內(nèi)容還可以提供一種制造化合物半導(dǎo)體的方法，該方法包括：通 過以下來形成混合物：將Bi203、Bi和Cu的粉末，選自Te、S、Se、As、Sb及其氧化物中的至 少一種的粉末，以及選自過渡金屬元素及其氧化物中的至少一種的粉末混合，以及任選進(jìn) 一步混合選自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Mn、Ga、In、Tl、As、Sb及其氧化物中 的至少一種的粉末；以及加壓燒結(jié)所述混合物。
[0026] 優(yōu)選地，在混合物形成步驟中混合的過渡金屬元素可以包括Co、Ag、Zn、Ni、Fe和 Cr〇
[0027] 還優(yōu)選地，上述方法還可以包括在加壓燒結(jié)步驟之前對(duì)該混合物進(jìn)行熱處理。
[0028] 還優(yōu)選地，熱處理步驟可以通過固態(tài)反應(yīng)進(jìn)行。
[0029] 還優(yōu)選地，加壓燒結(jié)步驟可以通過放電等離子體燒結(jié)或熱壓進(jìn)行。
[0030] 另一方面，本公開內(nèi)容還提供了一種包括上述化合物半導(dǎo)體的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
[0031] 另一方面，本公開內(nèi)容還提供了一種包括上述化合物半導(dǎo)體的太陽能電池。
[0032] 另一方面，本公開內(nèi)容還提供了一種包括上述化合物半導(dǎo)體的體型熱電材料。
[0033] 有益效果
[0034] 根據(jù)本公開內(nèi)容，提供了一種可以用于熱電轉(zhuǎn)換裝置或太陽能電池的化合物半導(dǎo) 體材料。
[0035] 具體地，根據(jù)本公開內(nèi)容的新化合物半導(dǎo)體可以取代常規(guī)的化合物半導(dǎo)體或可以 用作除了常規(guī)化合物半導(dǎo)體之外的另一種材料。
[0036] 此外，根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方案，化合物半導(dǎo)體可以被用作熱電轉(zhuǎn)換裝置 的熱電轉(zhuǎn)換材料。在這種情況下，確保了高ZT值，因而可以制造具有優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性能 的熱電轉(zhuǎn)換裝置。另外，在本公開內(nèi)容中，可以提供在l〇〇°C至500°C溫度范圍內(nèi)具有高ZT 值的熱電轉(zhuǎn)換材料，因而這可以更有效地應(yīng)用于中溫和高溫的熱電轉(zhuǎn)換裝置。
[0037] 具體地，根據(jù)本公開內(nèi)容的化合物半導(dǎo)體可以用作P型熱電轉(zhuǎn)換材料。
[0038] 此外，在本公開內(nèi)容的另一方面，化合物半導(dǎo)體可以用于太陽能電池。具體地，本 公開內(nèi)容的化合物半導(dǎo)體可以用作太陽能電池的光吸收層。
[0039] 此外，在本公開內(nèi)容的另一方面，化合物半導(dǎo)體可以用于選擇性地通過IR的IR窗 口、IR傳感器、磁器件、存儲(chǔ)器等。<