[发明专利]新型化合物半导体及其制备方法,以及使用该新型化合物半导体的太阳能电池和热电转换元件

说明书

技术领域

本发明提供了一类新型化合物半导体及其制备方法，以及使用该新型化合物半导体的太阳能电池和热电转换元件。

背景技术

化合物半导体不是像锗一样的单一元素，而是通过结合至少两种元素得到并由此作为半导体运行的化合物。在许多领域中已经开发并应用了各种各样的化合物半导体。化合物半导体典型地应用于发光器件(如使用光电转换效应的LED或激光二极管)、太阳能电池以及使用珀尔帖效应(Peltier Effect)的热电转换元件中。

其中，集中研究了除了太阳光以外不需要其他任何能源的环境友好的太阳能电池作为未来的替代能源。太阳能电池通常分为使用主要为硅的单一元素的硅太阳能电池、使用化合物半导体的化合物半导体太阳能电池以及具有至少两个有不同带隙能级的叠层太阳能电池的串联太阳能电池。

化合物半导体太阳能电池在吸收太阳光以产生电子-空穴对的光吸收层中使用化合物半导体。化合物半导体包括III-V族化合物半导体，如GaAs、InP、GaAlAs和GaInAs；II-VI族化合物半导体，如CdS、CdTe和ZnS；以及I-III-VI族化合物半导体，如CuInSe₂。

太阳能电池的光吸收层需要优异的长期电-光稳定性、高的光电转换效率和通过掺杂或改变组成而对带隙能级或导电性的轻松控制。此外，在实际应用中，光吸收层需要满足制备成本和产率上的需求。以上所述的各种化合物半导体并不能满足所有的这些条件，因此，需要根据它们的优点和缺点对它们进行适当的选择和应用。

此外，热电转换元件应用于热电转换发电或热电转换冷却。例如，对于热电转换发电，在热电转换元件上施加温度差以产生温差电动势，然后此温差电动势用于将热能转换为电能。

热电转换元件的能量转换效率取决于热电转换材料的性能指标ZT值。ZT值取决于塞贝克系数(Seebeck coefficient)、电导率和热导率。更具体地说，ZT值与电导率和塞贝克系数的平方成正比，与热导率成反比。因此，为了提高热电转换元件的能量转换效率，需要开发具有高塞贝克系数、高电导率或低热导率的热电转换材料。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一类新型化合物半导体，其可用于不同的应用中，如太阳能电池和热电转换元件的热电转换材料。

本发明的另一目的是提供一种制备上述新型化合物半导体的方法。

此外，本发明的再一目的是提供一种使用该新型化合物半导体材料的太阳能电池或热电转换元件。

技术方案

作为新型化合物半导体的研究结果，本发明提出了通式1的组合物。结果发现，这些新型化合物可以用作太阳能电池的光吸收层，热电转换元件的热电转换材料等。

通式1

Bi_1-xM_xCu_wO_a-yQ1_yTe_b-zQ2_z

其中，M为选自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Eu、Sm、Mn、Ga、In、Tl、As和Sb中的至少一种元素，Q1和Q2为选自S、Se、As和Sb中的至少一种元素，且0≤x＜1、0＜w≤1、0.2＜a＜4、0≤y＜4、0.2＜b＜4和0≤z＜4。

根据本发明，由通式1表示的化合物半导体的优选组成为BiCu_0.8-1.2O_0.8-1.2Te_0.8-1.2。

根据本发明，通式1中的x、y和z满足x+y+z＞0，且优选地，a、y、b和z分别为a＝1、0≤y＜1、b＝1和0≤z＜1。

在其他情况下，x、w、a、y、b和z分别优选为0≤x＜0.15、0.8≤w≤1、a＝1、0≤y＜0.2、b＝1和0≤z＜0.5。在此，M优选为选自Sr、Cd、Pb和Tl中的任意一种，且Q1和Q2分别优选为Se或Sb。

在本发明的另一个实施方式中，提供了一种通过加热Bi₂O₃、Bi、Cu和Te的混合物制备由以上通式1表示的化合物半导体的方法。

或者，本发明提供了通过加热Bi₂O₃、Bi、Cu、Te和选自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Eu、Sm、Mn、Ga、In、Tl、As和Sb元素或其氧化物中的至少一种的混合物制备由通式1表示的化合物半导体的方法。