[发明专利]新化合物半导体及其用途

说明书

本发明提供了一种新化合物半导体和用于制备其的方法，所述新化合物半导体具有提高的热电优值以及优异的导电性，并且因此可以应用于多种用途，例如太阳能电池、热电转换装置的热电转换材料等。

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0032642号的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

本发明涉及一种新化合物半导体、用于制备其的方法及其用途，所述新化合物半导体具有提高的热电优值(thermoelectric figure of merit)以及优异的导电性，并且因此可以应用于多种用途，例如热电转换装置的热电转换材料、太阳能电池等。

背景技术

化合物半导体是其中两种或更多种元素结合而不是单一元素(例如，硅或锗)充当半导体的化合物。目前，已经开发了多种化合物半导体并且将其用于各种领域中。代表性地，化合物半导体可以用于使用帕尔帖效应(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等)或者太阳能电池等。

其中，热电转换装置可以应用于热电发电或热电冷却等，并且热电发电是使用通过在热电转换装置中形成温差而产生的温差电动势将热能转换成电能的发电形式。热电转换装置的能量转换效率取决于热电转换材料的优值(ZT)。这里，ZT根据塞贝克系数、电导率和热导率等来确定，并且更具体地，其与塞贝克系数的平方和电导率成比例，而与热导率成反比。因此，为了提高热电转换装置的能量转换效率，需要开发具有高塞贝克系数或电导率或者低热导率的热电转换材料。

已知具有在结晶学上属于立方空间群Im3的单位晶格的二元方钴矿为满足高ZT值要求的材料。方钴矿的结构包括单位晶格中的8个TX3群的32个原子，此外，其具有相对大的单位晶格，因此由于晶格热导率的降低而能够改善热电特性。其中T为过渡元素，由诸如Co、Rh、Ir等元素占据；以及X为氮属(nicogen)元素，由P、As、Sb元素占据。

然而，二元方钴矿由于相对高的晶格热导率而表现出低效率热电特性。为了改善这一点，研究了以下方法：在存在于单位晶格中的两个空隙中填充振动原子(rattleratom)作为填充物以引起振动效应(rattling effect)从而降低晶格热导率的方法，或者用掺杂元素替代一部分元素以形成能带工程、质量波动等并引起载流子浓度控制和晶格散射从而提高热电优值等的方法。

虽然已经提出了多种影响材料的热导率降低的填充物，但是表现出优异热电特性的振动原子非常昂贵，而且它们易受到氧化，因此增加了过程成本，并且使用其的热电材料在高温下不稳定，因此使热电发电模块的耐久性劣化。

因此，需要开发可以通过添加能够降低振动原子的含量以降低成本的新振动原子而在高温下保持稳定且高的ZT值并同时弥补上述问题的方钴矿。

同时，由于太阳能电池除了自然界中存在的太阳光之外不需要单独的能量源，因而是环境友好的，因此作为一种未来的替代能源而被积极地研究。太阳能电池可以分为主要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、以及其中堆叠有两个或更多个具有不同带隙能量的太阳能电池的串联太阳能电池等。

其中，化合物半导体太阳能电池在光吸收层中使用吸收太阳光以形成电子-空穴对的化合物半导体，并且特别地，可以使用：V族化合物半导体，例如GaAs、InP、GaAlAs、GaInAs等；VI族化合物半导体，例如CdS、CdTe、ZnS等；以及以CuInSe2为代表的III族化合物半导体等。

需要太阳能电池的光吸收层具有优异的长期电光学稳定性，具有高的光电转换效率，并且易于通过组成变化或掺杂等控制带隙能量或传导类型。此外，为了商业化，应满足诸如制造成本或产率等的要求。然而，许多现有化合物半导体无法同时满足这些要求。

发明内容