[发明专利]用于光电用途的混合的铋和铜的氧化物以及硫化物

说明书

本发明涉及旨在用于尤其通过光电效应提供光电流的无机化合物的领域。

当今，使用无机化合物的光电技术主要是基于硅技术(大于80％的市场)以及基于“薄层”技术(主要地CdTe和CIGS(铜铟镓硒)，代表20％的市场)。光电市场的增长看起来是指数的(在2010年累积40GW，在2011年累积67GW)。

不幸地，这些技术遭受以下缺点：限制了它们满足这个增长的市场的能力。这些缺点包括从机械和安装观点来看关于硅的较差柔性，以及用于“薄层”技术的元素的毒性和稀缺性。具体地，镉、碲和硒是有毒的。此外，铟和碲是稀有的，这尤其对它们的成本具有影响。

由于这些原因，寻求尽可能免除铟、镉、碲和硒的使用。

已经推荐的用于替换CIGS中的钢的一种路线是使用(Zn²⁺，Sn⁴⁺)对来替换它。在这一背景下，尤其已经提出了化合物Cu₂ZnSnSe₄(被称为CZTS)。现今这种材料被认为是就效力而言对于CIGS的最重大的后继者，但是具有硒的毒性的缺点。

关于硒和碲，已经提出了很少的替换解决方案，并且它们通常证明是不利的。的确已经测试了如SnS、FeS₂和Cu₂S的化合物，但是，尽管它们具有有利的本证特性(间隙、传导率等)，它们并未证明是足够化学稳定的(例如：在与空气和水份接触时Cu₂S非常容易地转化为Cu₂O)。

就本发明人所知道的，迄今为止没有公开用于获得良好的光电效力而没有与在光电系统中使用的元素的毒性和/或稀缺性相关的问题的令人满意的解决方案。

确切地说，本发明的一个目的是提供对于在目前光电技术中使用的那些的替代性无机化合物，这使得可能避免上述问题。

为此，本发明提出了使用一种新颖的无机材料家族，对于这些无机材料诸位发明人现在已经出人意料地展示了它们被证明具有良好的效力，并且它们具有不需要使用稀有或有毒的金属(如上述In、Te或Cd)的优点，并且还提供了使用阴离子的可能性，例如减少含量的Se或Te，或者甚至不使用这种类型的阴离子的可能性。

更确切地说，根据一个第一方面，本发明的一个主题是使用一种材料作为p型半导体以提供光电流的用途，该材料包含至少一种具有式(I)的化合物：

BiCu_1-zO_aS_bSe_cTe_d    (I)

其中0≤z≤0.2(例如，0≤z≤0.1)；0≤a＜2；0≤b＜2；0≤c＜2；0≤d＜2；并且a+b+c+d＝2。

优选地，c＝d＝0并且a和b是非零的，在这种情况下该材料包含至少一种化合物BiCu_1-zO_aS_b。

根据一个有利的实施例，z＝0，a＝1，b＝1，c＝0并且d＝0，在这种情况下存在于该无机半导体材料中的化合物典型地是BiCuOS。

在本发明的背景下，诸位发明人现在已经证实了对应于上述式(I)的材料，当它们在比它们的间隙更长的波长下被辐射时，能够提供光电流(即在足够能量的入射光子的作用下在该材料中产生电子空穴对，所形成的带电物质(电子和“空穴”，即不存在电子)自由移动以产生电流)。

具体地，诸位发明人现在已经证实了本发明的材料看来是能够产生光电效应的。

总体上，光电效应是通过不同类型的两种半导体化合物的组合使用获得的，即：

-一种具有p类半导体性质的第一化合物；以及

-一种具有n类半导体性质的第二化合物。

将这些化合物以本身已知的方式靠近彼此放置(即，直接接触或至少在足够小以确保光电效应的距离下)以形成一个p-n型结。由光吸收产生的电子空穴对在该p-n结处解离并且通过该n型半导体可以将这些受激发的电子传递给阳极，这些空穴本身通过该p型半导体被传递给阴极。

在本发明的背景下，该光电效应典型地通过以下方式获得：在两个电极之间将一种具有上述式(I)的基于半导体的材料与一种n型半导体接触放置，直接接触或任选地通过一个附加的涂层(例如一个电荷收集涂层)与这些电极中的至少一个连接；并且使用合适的电磁辐射，典型地使用来自太阳光谱的光照射由此制成的光电装置。为了做到这一点，优选的是这些电极之一允许所使用的电磁辐射的通过。