CN1705139A - 一系列半导体材料 - Google Patents
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Abstract
一系列半导体材料，涉及新型半导体材料系列CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)及其制备方法。CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)空间群为Cmm2(No35)，单胞参数为a＝16.7～17.9，b＝8.8～10.0，c＝9.1～10.2，α＝β＝γ＝90°，Z＝4，单胞体积V＝1500～20003。该晶体用于直流输电、太阳能电池以及光电开关等领域。
Description
技术领域
本发明涉及新型半导体材料系列CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)。
背景技术
半导体不仅在计算机和通信方面发挥着越来越大的作用，而且在现代能源技术(如，直流输电，太阳能电池，等等)中也起着巨大的、无法替代的作用。
半导体在直流输电中主要用于长距离大功率输电，它具有显著的优点：输送同样功率时，它的造价低，交流需要三根线，直流只要两根线，线路杆的结构比交流电的简单；输电过程中功率损耗小，没有电容、电感形成的阻抗，只有电阻损耗；对电磁波的干扰小；不受相位同步的限制；等等。由于上述优点，直流输电获得了越来越广泛的应用。如，我国葛洲坝电站向华东和广东输电就采用了直流50万伏的输电，长江三峡也采用直流输电。
人们早在1873年就发现了硒的光敏现象并用硒做出太阳能电池，经光照可以产生电流，这个结果使人们感到用太阳能直接发电是十分诱人的。但经过多年的研究，人们发现这种方式发电的光电转换效率不超过1％。为提高太阳能直接发电的光电转换效率，人们做出不懈的努力。到了1954年，光电转换效率提高到了10％。1958年3月，美国的Vanguard-1号卫星第一次装上太阳能电池，并连续运行8年。在以后发射的人造天体上，几乎都装设太阳能电池。太阳能电池重量轻、使用寿命长、不需燃料供给，在宇宙开发中赢得了它的无竞争对手的牢固地位。太阳能电池本身也获得很大的发展，研究开发工作主要围绕着提高电池光电转换效率和克服因辐照造成的光电性能的衰退方面。
现在，除已有的硅单晶太阳能电池外，人们还研究开发了多晶硅、硫化镉、碲化镉、砷化嫁、硒铟铜等太阳能电池。但直到目前太阳能电池仍然未得到普遍应用，一方面是由于它的光电转换效率还有待进一步提高，另一方面是由于它的发电成本太高。为此，开发具有高的光电转换效率和低的发电成本的可用于太阳能电池的半导体材料仍然是很有意义的。
为充分利用太阳能，提高光电较换效率，带隙宽度为1.35eV的化合物是最佳选择。以下两种化合物的光电较换效率较高：CuInSe2(CIS)的光电较换效率为17％，它的带隙宽度为1.04eV；CdTe(II-VI)的光电较换效率为15.8％，它的带隙宽度为1.50eV。我们的工作是通过研究新的组成和结构的化合物，为研究这类光电转换材料提供新的思路，以合成带隙宽度接近1.35eV的化合物。
近一段时期以来，对半导体材料的研究进展很快，人们合成了很多半导体材料，这些半导体材料具有各不相同的带隙宽度。
发明内容
本发明的目的是要找到一种带隙宽度具有较大的可“剪裁”性的半导体材料。为此，需要选择合适的元素来合成一类新的化合物半导体。
我们选择了VIA族元素Se，VIIA族元素Br和IIB族的Cd和Hg，用固相反应法，合成出新型半导体材料化合物CdHg5Se5Br4。由于周期表中同一族元素具有相类似的性质，因此，可选择S或Te元素替代Se，Cl或I替代Br元素，按反应式中各反应物的摩尔比准确称取相应质量的反应物，在一定温度范围下反应一段时间，可以得到异质同晶的系列化合物CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)，如CdHg5S5Br4，CdHg5Te5Br4，CdHg5Se5Cl4等。同时由于同族元素的差异，使得该系列半导体材料的带隙宽度存在差异，因此，通过调整材料的组份可以得到不同带隙宽度的半导体材料以满足不同应用领域的需求。
新型半导体材料化合物CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)具有如下优点：此化合物的制备简单易行，反应过程不引入杂质，只要使用足够纯的试剂，就无须提纯；可以在相对温和的条件下制备，无须复杂的设备；可以直接获得单晶体，无须进一步生长单晶。
具体实施方式
关于半导体材料化合物CdHg5Se5Br4的合成和单晶体生长：
半导体材料化合物CdHg5Se5Br4的合成和单晶体生长是采用固相反应法同时完成的。反应式为：
所用化学试剂及生产厂家为：
HgBr2 May & Baker(England) 纯度≥99.95％
Se粉 四川半导体材料厂 纯度≥99.999％
Cd粉 上海化学试剂公司 纯度≥99.999％
三种试剂的投料量为：
HgBr2 0.5mmol 0.1802g
Se粉 0.7mmol 0.0553g
Cd粉 0.1mmol 0.0112g
具体操作步骤为：
先按反应式中各反应物的摩尔比准确称取相应质量的反应物，放入研钵中研磨均匀，然后将研磨好的混合物压片，装入玻璃管内。将玻璃管抽真空然后用火焰封闭玻璃管。把封好的玻璃管放入马福炉，用温度控制仪控制温度，由室温4h内升温至200℃，在200℃恒温12小时，再5h内升温至300℃，在300℃恒温144小时，再48h内降至室温，然后关掉电源。从马福炉中取出玻璃管，打开，可得到黄色块状晶体，最大可达1.2mm×1.0mm×0.6mm.
经单晶结构测定，化合物CdHg5Se5Br4的空间群为Cmm2(No35).单胞参数为a＝17.56(4)Å，b＝9.41(2)Å，c＝9.78(2)Å，α＝β＝γ＝90°，Z＝4，单胞体积V＝1829.79Å3.紫外一可见光谱测试表明，化合物CdHg5Se5Br4的禁带宽度约为1.63eV。
Claims (6)
1.一系列半导体材料，其特征在于：CdHg5Q5X4(Q＝S，Se，Te；X＝Cl，Br，I)空间群为Cmm2(No35)，单胞参数为a＝16.7～17.9Å，b＝8.8～10.0Å，c＝9.1～10.2Å，α＝β＝γ＝90°，Z＝4，单胞体积V＝1500～2000Å3。
2.一种权利要求1的半导体材料的制备方法，其特征在于：用固相反应法，用HgX2，Q粉，单质Cd，真空密封后加热反应合成并同时制备单晶体。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：用固相反应法，用HgX2，Q粉，单质Cd，按权利要求2中所述的方法合成并同时制备单晶体。
4.一种权利要求1的半导体材料的用途，其特征在于：该晶体用于直流输电。
5.如权利要求4所述的半导体材料的用途，其特征在于：该晶体用于太阳能电池。
6.如权利要求4所述的半导体材料的用途，其特征在于：该晶体用于光电开关。
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