新化合物半导体及其用图
【技术领域】
[0001] 本公开内容涉及一种可以用于例如热电材料、太阳能电池等各种目的的新化合物 半导体材料及其制造方法和其应用。
[0002] 本申请要求在韩国于2013年10月4日提交的韩国专利申请第10-2013-0118771 号和于2014年10月6日提交的韩国专利申请第10-2014-0134340号的优先权，其全部公 开内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003] 化合物半导体是由至少两种元素而不是由一种元素例如硅或锗构成并且用作 半导体的化合物。现已经开发出各种类型的化合物半导体，并且目前这些化合物半导体 正应用于工业的各个领域中。通常，化合物半导体可以应用于使用佩尔捷效应（Peltier Effect)的热电转换装置，使用光电转换效应的发光装置例如发光二极管或激光二极管、太 阳能电池等中。
[0004] 首先，由于太阳能电池不需要除太阳光线以外的其他能源，所以太阳能电池是环 境友好的，因此被积极地研究作为一种可替代的未来能源。太阳能电池通常可以分为使用 单一元素硅的硅太阳能电池、使用化合物半导体的化合物半导体太阳能电池、以及其中堆 叠有具有不同带隙能量的至少两个太阳能电池的串联型太阳能电池。
[0005] 在这些太阳能电池中，化合物半导体太阳能电池在光吸收层中使用吸收太阳光线 并产生电子-空穴对的化合物半导体，尤其可使用III-V族化合物半导体（例如GaAs、InP、 GaAlAs和GalnAs)、II-VI族化合物半导体（例如CdS、CdTe和ZnS)，以及以CuInSe2为代 表的I-III-VI族化合物半导体。
[0006] 太阳能电池的光吸收层需要优异的长期的电和光的稳定性、高的光电转换效率， 以及通过组成改变或掺杂而对带隙能量或电导率的轻松控制。此外，如生产成本和良品率 的条件也应满足实际应用。然而，许多常规的化合物半导体不能同时满足所有的这些条件。
[0007] 此外，热电转换装置用于热电转换发电或热电转换冷却应用，并且通常包括串联 电连接和并联热连接的N型热电半导体和P型热电半导体。热电转换发电是通过使用在热 电转换装置中产生温度差而造成的温差电动势从而使热能转换为电能来发电的方法。此 外，热电转换冷却是通过利用当直流电流过热电转换装置的两端时在热电转换装置的两端 之间产生温度差的效应从而使电能转换为热能来制造冷却的方法。
[0008] 热电转换装置的能量转换效率通常取决于热电转换材料的性能指数值或ZT。此 处，ZT可以基于塞贝克系数、电导率和热导率来确定，并且当ZT值增加时，热电转换材料具 有更好的性能。
[0009] 迄今为止，已经提出了许多种热电转换材料，但是基本上没有具有足够高的热电 转换性能的热电转换材料。具体地，热电转换材料被应用于越来越多的领域，并且温度条件 可以根据其应用领域而变化。然而，因为热电转换材料根据温度可以具有不同的热电转换 性能，所以每种热电转换材料需要具有适于其应用领域的优化的热电转换性能。然而，还没 有提出具有针对各种温度范围的优化性能的热电转换材料。
【发明内容】
[0010] 技术问题
[0011] 本公开内容旨在设计来解决上述问题，并且因此，本公开内容涉及提供一种可以 用于各种目的例如热电转换装置、太阳能电池等的热电转换材料的具有优异的热电转换性 能的化合物半导体材料及其制造方法，以及使用所述化合物半导体的热电转换装置或太阳 能电池。
[0012] 本公开内容的这些和其他目的和优点可以从下面的详细描述中理解，并且将从本 公开内容的示例性实施方案中变得更加清楚。此外，将易于理解的是，本公开内容的目的和 优点可以通过所附权利要求书中所示的装置及其组合来实现。
[0013] 技术方案
[0014] -方面，本公开内容的发明人经过反复研究化合物半导体后，已经成功地合成出 由化学式1表示的化合物半导体，并且发现这种化合物可以用于热电转换装置的热电转换 材料或太阳能电池的光吸收层。
[0015] 化学式1
[0016] BiixMxCu!wTw0ayQlyTebSez
[0017] 其中在化学式 1 中，M是选自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Mn、Ga、In、 Tl、As和Sb中的至少一种，Q1是选自S、Se、As和Sb中的至少一种，T是选自过渡金属元 素中的至少一种，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] 此处，在化学式1中，Τ可以包括过渡金属元素中的至少一种元素，其中当例如Co、 Ag、Zn、Ni、Fe和Cr取代Cu位时，d轨道的能级可以在费米能级附近10eV内。
[0019] 此外，在化学式1中，w可以满足0〈w〈0. 05的条件。
[0020] 此外，在化学式1中，X、y和z可以分别满足x= 0、y= 0和z= 0的条件。
[0021] 此外，化学式1可以通过BiCUlwCow0Te表示。
[0022] 此外，在化学式1中，Μ可以是Pb，并且y、b和z可以分别满足y= 0、b= 0和z =1的条件。
[0023] 此外，化学式1可以通过叫xPbxCUlwCow0Se表示。
[0024] 此外，根据本公开内容的化合物半导体在300K至800K的温度条件下可以具有 5. 0μW/cmK2以上的功率因数。
[0025] 另一方面，本公开内容还可以提供一种制造化合物半导体的方法，该方法包括：通 过以下来形成混合物：将Bi203、Bi和Cu的粉末，选自Te、S、Se、As、Sb及其氧化物中的至 少一种的粉末，以及选自过渡金属元素及其氧化物中的至少一种的粉末混合，以及任选进 一步混合选自Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Mn、Ga、In、Tl、As、Sb及其氧化物中 的至少一种的粉末；以及加压烧结所述混合物。
[0026] 优选地，在混合物形成步骤中混合的过渡金属元素可以包括Co、Ag、Zn、Ni、Fe和 Cr〇
[0027] 还优选地，上述方法还可以包括在加压烧结步骤之前对该混合物进行热处理。
[0028] 还优选地，热处理步骤可以通过固态反应进行。
[0029] 还优选地，加压烧结步骤可以通过放电等离子体烧结或热压进行。
[0030] 另一方面，本公开内容还提供了一种包括上述化合物半导体的热电转换装置。
[0031] 另一方面，本公开内容还提供了一种包括上述化合物半导体的太阳能电池。
[0032] 另一方面，本公开内容还提供了一种包括上述化合物半导体的体型热电材料。
[0033] 有益效果
[0034] 根据本公开内容，提供了一种可以用于热电转换装置或太阳能电池的化合物半导 体材料。
[0035] 具体地，根据本公开内容的新化合物半导体可以取代常规的化合物半导体或可以 用作除了常规化合物半导体之外的另一种材料。
[0036] 此外，根据本公开内容的一个实施方案，化合物半导体可以被用作热电转换装置 的热电转换材料。在这种情况下，确保了高ZT值，因而可以制造具有优异的热电转换性能 的热电转换装置。另外，在本公开内容中，可以提供在l〇〇°C至500°C温度范围内具有高ZT 值的热电转换材料，因而这可以更有效地应用于中温和高温的热电转换装置。
[0037] 具体地，根据本公开内容的化合物半导体可以用作P型热电转换材料。
[0038] 此外，在本公开内容的另一方面，化合物半导体可以用于太阳能电池。具体地，本 公开内容的化合物半导体可以用作太阳能电池的光吸收层。
[0039] 此外，在本公开内容的另一方面，化合物半导体可以用于选择性地通过IR的IR窗 口、IR传感器、磁器件、存储器等。<