DE102005008865A1 - Modified bismuth sulfide composition, useful in semiconductor material, which is used in e.g. thermoelectric modules and photovoltaic cells is new - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft modifizierte Bismutsulfide, diese enthaltende Halbleitermaterialien für die Thermoelektrik und Photovoltaik, Verfahren zur Herstellung dieser Halbleitermaterialien und deren Verwendung.The The present invention relates to modified bismuth sulfides, these containing semiconductor materials for thermoelectrics and photovoltaics, Process for the preparation of these semiconductor materials and their Use.
Dass Sulfide, wie beispielsweise Cu2S, PbS, CdS oder Bi2S3, Halbleiter sind, ist schon sehr lange bekannt. Ihre Eigenschaften in dieser Hinsicht wurden intensiv untersucht. Auch die Anwendung von insbesondere Cu2S oder PbS als Gleichrichterdioden oder CdS als aktives Material in Solarzellen ist lange bekannt.That sulfides, such as Cu 2 S, PbS, CdS or Bi 2 S 3 , are semiconductors, has been known for a long time. Their properties in this regard have been intensively studied. The use of in particular Cu 2 S or PbS as rectifier diodes or CdS as active material in solar cells has long been known.
Vereinzelt werden auch Untersuchungen über komplexere Sulfide in der Anwendung als thermolelektrisch aktives Material beschrieben, wie in „Thermoelectric Properties Of The Cubic Family Of Compounds Ag Pb Bi Q3 (Q = S, Se, Te). Very Low Thermal Conductivity Materials", S. Sportouch et al., Thermoelectric Materials 1998, Materials Research Society, Symposium Proceedings Vol. 545, p. 123-130, ISBN 1-55899-451-3.In isolated cases, investigations of complex sulphides in the application as thermoelectrically active material are described as in "Thermoelectric Properties Of The Family Of Cubic Compounds Ag Pb Bi Q 3 (Q = S, Se, Te). Very Low Thermal Conductivity Materials ", S. Sportouch et al., Thermoelectric Materials 1998, Materials Research Society, Symposium Proceedings Vol. 545, p. 123-130, ISBN 1-55899-451-3.
Thermoelektrische Generatoren und Peltier-Anordnungen als solche sind seit langem bekannt. p- und n-dotierte Halbleiter, die auf einer Seite erhitzt und auf der anderen Seite gekühlt werden, transportieren elektrische Ladungen durch einen äußeren Stromkreis. Durch diese thermoelektrischen Generatoren kann an einem Verbraucher im Stromkreis elektrische Arbeit verrichtet werden. Damit können thermoelektrische Materialien zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrischen Strom verwendet werden. Auch der umgekehrte Prozess, der als Peltier-Effekt bezeichnet wird, ist durch thermoelektrische Materialien unter Anlegung eines elektrischen Stromes zur Erzeugung von Temperaturdifferenzen möglich. Eine derartige Peltier-Anordnung arbeitet als Wärmepumpe und eignet sich deshalb zur Kühlung von Apparateteilen, Fahrzeugen oder Gebäuden. Auch die Heizung über das Peltier-Prinzip ist günstiger als eine herkömmliche Heizung, weil immer mehr Wärme transportiert wird als dem zugeführten Energieäquivalent entspricht.thermoelectric Generators and Peltier arrangements as such have long been known. p- and n-doped semiconductors that are heated on one side and cooled on the other side electric charges are transported through an external circuit. Through these thermoelectric generators can be connected to a consumer electrical work is performed in the electric circuit. This can be thermoelectric Materials for the conversion of heat energy to be used in electricity. Also the reverse process, which is referred to as Peltier effect is by thermoelectric Materials under application of an electric current for generation possible from temperature differences. Such a Peltier arrangement operates as a heat pump and is therefore suitable for cooling of apparatus parts, vehicles or buildings. Also the heating over the Peltier principle is cheaper as a conventional one Heating, because more and more heat is transported is supplied as the energy equivalent equivalent.
Einen guten Überblick über themtoelektrische Effekte und Materialien gibt z. B. Cronin B Vining, ITS Short Course on Thermoelectricity, 08.11.93, Yokohama, Japan, 1997 Proceedings, Sixteenth International Conference on Thermoelectrics (ICT), CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC-Press 1995, und Materials Research Society Symposium Proceedings Volume 545: Thermoelectric Materials 1998 – The next generation materials for small-scale refrigeration and power generation applications.a good overview of themoelectric Effects and materials are z. B. Cronin B Vining, ITS Short Course on Thermoelectricity, 08.11.93, Yokohama, Japan, 1997 Proceedings, Sixteenth International Conference on Thermoelectrics (ICT), CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC-Press 1995, and Materials Research Society Symposium Proceedings Volume 545: Thermoelectric Materials 1998 - The next generation materials for small-scale refrigeration and power generation applications.
Gegenwärtig werden thermoelektrische Generatoren in Modulen zur Temperierung von Mikroprozessoren oder optoelektronischen Bauteilen, in Raumsonden und Satelliten zur Erzeugung von Gleichströmen, zum kathodischen Korrosionsschutz von Pipelines, zur Energieversorgung von Leucht- und Funkbojen, zum Betrieb von Radios und Fernsehapparaten sowie als Kühlaggregat in Kühltaschen eingesetzt. Die Vorteile von thermoelektrischen Generatoren und Pettier-Anordnungen liegen dabei in ihrer hohen Zuverlässigkeit. So arbeiten sie unabhängig von atmosphärischen Bedingungen wie Luftfeuchte; es erfolgt kein störungsanfälliger Stofftransport, sondern nur ein Ladungstransport; der Betriebsstoff wird kontinuierlich – auch katalytisch ohne freie Flamme – verbrannt, wodurch nur geringe Mengen an Kohlenmonoxid, Stickoxiden und unverbranntem Betriebsstoff frei werden; es sind beliebige Betriebsstoffe einsetzbar, von Wasserstoff über Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff bis zu biologisch erzeugten Kraftstoffen wie Rapsölmethylester.Becoming present Thermoelectric generators in modules for controlling the temperature of microprocessors or opto-electronic components, in space probes and satellites for the generation of direct currents, for cathodic corrosion protection of pipelines, for energy supply of lights and radio buoys, to the operation of radios and TVs as well as a cooling unit in cool bags used. The advantages of thermoelectric generators and Pettier arrangements are in their high reliability. That's how they work independently from atmospheric Conditions such as humidity; there is no problematic material transport, but only one charge transport; the fuel becomes continuous - also catalytic without a free flame - burned, resulting in only small amounts of carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned fuel get free; any fuels can be used, from hydrogen to natural gas, Gasoline, kerosene, diesel fuel up to biologically produced fuels like rapeseed oil methyl ester.
Damit passt sich die thermoelektrische Energiewandlung äußerst flexibel in künftige Bedürfnisse, wie Wasserstoffwirtschaft oder Energieerzeugung aus regenerativen Energien, ein.In order to The thermoelectric energy conversion adapts very flexibly in future Needs, such as hydrogen economy or energy production from regenerative Energies, one.
Thermoelektrisch aktive Materialien werden im Wesentlichen anhand ihres Wirkungsgrades bewertet. Kennzeichnend für thermoelektrische Materialien ist diesbezüglich der so genannte Z-Faktor (figure of merit) mit dem Seebeck-Koeffizienten S (μV/grad), der elektrischen Leitfähigkeit σ (Ω–1 cm–1) und der Wärmeleitfähigkeit k (mW/cm·grad). Bevorzugt werden thermoelektrische Materialien, die eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit, eine möglichst große elektrische Leitfähigkeit und einen möglichst großen Seebeck-Koeffzienten aufweisen, sodass der figure of merit einen möglichst hohen Wert annimmt.Thermoelectrically active materials are evaluated essentially on the basis of their efficiency. Characteristic of thermoelectric materials in this regard is the so-called Z factor (figure of merit) with the Seebeck coefficient S (μV / grad), the electrical conductivity σ (Ω -1 cm -1 ) and the thermal conductivity k (mW / cm · grad). Preference is given to thermoelectric materials which have the lowest possible thermal conductivity, the highest possible electrical conductivity and the largest possible Seebeck coefficients, so that the figure of merit assumes the highest possible value.
Zu Vergleichszwecken wird darüber hinaus oftmals das dimensionslose Produkt Z·T angegeben. Bisher bekannte thermoelektrische Materialien weisen maximale Werte von Z·T von ungefähr 1 bei einer optimalen Temperatur auf. Jenseits dieser optimalen Temperatur sind die Werte von Z·T oft niedriger als 1. Den optimalen Stand der Technik verkörpern zurzeit Materialien wie Bi2Te3, PbTe sowie die Antimonide Zn4Sb3 und CoSb3.For comparison purposes, moreover, the dimensionless product Z · T is often stated. Previously known thermoelectric materials have maximum values of Z · T of about 1 in an optima low temperature. Beyond this optimum temperature, the values of Z · T are often lower than 1. The optimum state of the art is currently embodied by materials such as Bi 2 Te 3 , PbTe and the antimony Zn 4 Sb 3 and CoSb 3 .
Ziel
ist es deshalb, ein thermoelektrisches Halbleitermaterial mit einem
möglichst
hohen Wert für
Z und hoher realisierbarer Temperaturdifferenz bereit zu stellen.
Aus der Sicht der Festkörperphysik
sind hierbei viele Probleme zu bewältigen:
Materialien mit
hoher elektrischer Leitfähigkeit
weisen meist gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf (Wiedemann-Franzsches
Gesetz), wodurch der Figure of Merit Z ungünstig beeinflusst wird. Gegenwärtig eingesetzte
Materialien wie Bi2Te3,
PbTe oder SiGe stellen schon Kompromisse dar. So wird die elektrische
Leitfähigkeit
durch Legieren weniger herabgesetzt als die Wärmeleitfähigkeit. Deshalb setzt man
vorzugsweise Legierungen ein, wie z. B. (Bi2Te3)90(Sb2Te3)5(Sb2Se3)5 oder Bi12SB23Te65,
wie sie in der
Materials with high electrical conductivity usually have at the same time a high thermal conductivity (Wiedemann-Franz's law), whereby the figure of merit Z is adversely affected. Currently used materials such as Bi 2 Te 3 , PbTe or SiGe are already compromises. Thus, the electrical conductivity is reduced by alloying less than the thermal conductivity. Therefore, it is preferable to use alloys, such. B. (Bi 2 Te 3 ) 90 (Sb 2 Te 3 ) 5 (Sb 2 Se 3 ) 5 or Bi 12 SB 23 Te 65 , as described in the
Für thermoelektrische Materialien mit hohem Wirkungsgrad sind vorzugsweise noch weitere Randbedingungen zu erfüllen. So müssen sie temperaturstabil sein, um bei Arbeitstemperaturen von 700 bis 1000 K über Jahre ohne wesentlichen Wirkungsgradverlust arbeiten zu können. Dieses bedingt sowohl hochtemperaturstabile Phasen an sich, eine stabile Phasenzusammensetzung, wie auch eine zu vernachlässigende Diffusion von Legierungsbestandteilen in die anliegenden Kontaktmaterialien.For thermoelectric High-efficiency materials are preferably still others To meet boundary conditions. So have to They are temperature stable to work at temperatures of 700 to 1000 K over Years to work without significant loss of efficiency. This requires both high temperature stable phases per se, a stable Phase composition, as well as a negligible diffusion of alloying constituents in the adjacent contact materials.
Wie aus der oben zitierten Literaturstelle „Thermoelectric Properties..." hervorgeht, sinkt die elektrische Leitfähigkeit in der Reihenfolge vom Tellurid über das Selenid zum Sulfid in erwarteter Reihenfolge ab. Es werden 300, 67 und 25 S/cm erhalten. Umgekehrt steigt die Bandlücke zwischen Valenzband und Leitungsband von 0,28 eV für das Tellurid über 0,48 eV des Selenids zu 0,54 eV für das Sulfid an. Es wird allgemein erwartet, dass mit größerer Bandlücke eine geringere elektrische Leitfähigkeit erhalten wird. Allgemein soll ein thermoelektrisch aktiver Halbleiter ja durch Wärme angeregt werden, was niedrige Bandlücken von 0,1 bis üblicherweise 0,4 eV erfordert.As from the reference cited above "Thermoelectric Properties ..." decreases the electrical conductivity in the order of telluride about the selenide to the sulfide in the expected order. It will be 300, 67 and 25 S / cm. Conversely, the band gap increases between Valence band and conduction band of 0.28 eV for telluride over 0.48 eV of selenide at 0.54 eV for the sulfide. It is generally expected that with larger bandgap one lower electrical conductivity is obtained. In general, a thermoelectrically active semiconductor yes by heat be excited, giving low band gaps of 0.1 to usually 0.4 eV required.
Aus diesem Grund werden in thermoelektrischen Anwendungen entsprechende Halbleiter mit niedrigen Bandlücken eingesetzt, im Wesentlichen Bi2Te3 (um 0,3 eV) sowie PbTe (0,25 eV).For this reason, corresponding semiconductors with low band gaps are used in thermoelectric applications, essentially Bi 2 Te 3 (by 0.3 eV) and PbTe (0.25 eV).
Demgegenüber möchte man bei Solarzellen Halbleiter mit größeren Bandlücken einsetzen, weil man die energiereicheren Lichtquanten nutzt, um Ladungsträger aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Hierzu sind Sulfide wie CdS mit einer Bandlücke um 2,4 eV oder CuInS2 mit 1,2 bis 1,5 eV untersucht worden. Weil sich mit höheren Bandlücken geringere elektrische Leitfähigkeiten einstellen, kam es nicht zum Einsatz von CdS, die Bandlücke war zu groß. Dagegen werden Dünnschicht-Solarzellen mit CuInS2 als p- und n-Halbleiter bereits gefertigt.On the other hand, one would like to use semiconductors with larger band gaps in solar cells, because one uses the higher-energy light quanta to lift charge carriers from the valence band into the conduction band. For this purpose, sulfides such as CdS have been investigated with a band gap of 2.4 eV or CuInS 2 with 1.2 to 1.5 eV. Because lower electrical conductivities occur with higher band gaps, CdS was not used, and the band gap was too large. In contrast, thin-film solar cells with CuInS 2 are already manufactured as p- and n-semiconductors.
Aufgabe der Erfindung war es, ein thermoelektrisches Halbleitermaterial mit einem möglichst hohen Wert für Z und hoher realisierbarer Temperaturdifferenz bereitzustellen, die für unterschiedliche Anwendungsbereiche ein geeignetes Eigenschaftsprofil zeigen.task The invention was a thermoelectric semiconductor material with one as possible high value for Z and provide high realizable temperature difference, the for different application areas a suitable property profile demonstrate.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Halbleitermaterial modifizierte Bismutsulfide eingesetzt werden.The Task was inventively characterized solved, that used as semiconductor material modified bismuth sulfides become.
Gegenstände der
Erfindung sind modifizierte Bismutsulfide, die eine Zusammensetzung
gemäß der folgenden
allgemeinen Formel (1)
x = 1,9 bis
2,1,
y = 0,001 bis 0,08,
z = 2,95 bis 3,05,
u = 0
bis 2y,
und ein Halbleitermaterial, enthaltend diese modifizierten
Bismutsulfide, sowie die Verwendung eines solchen Halbleitermaterials
in thermoelektrischen Modulen und photovoltaischen Zellen oder Modulen.Articles of the invention are modified bismuth sulfides which have a composition according to the following general formula (1)
x = 1.9 to 2.1,
y = 0.001 to 0.08,
z = 2.95 to 3.05,
u = 0 to 2y,
and a semiconductor material containing these modified bismuth sulfides, and the use of such semiconductor material in thermoelectric modules and photovoltaic cells or modules.
Gegenstände der Erfindung sind weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermaterials auf der Basis modifizierter Bismutsulfide.Objects of Invention are also a method for producing a semiconductor material based on modified bismuth sulfides.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich an sich bekannte Sulfide mit hoher Bandlücke in vorher nicht gekannter Weise derart modifizieren lassen, dass sie sowohl in thermoelektrischen Anwendungen als auch in photovoltaischen Anwendungen eingesetzt werden können. Sie werden sowohl von Wärme wie auch durch Licht angeregt und sind damit fähig, sowohl Temperaturunterschiede im Bereich von –100 bis +600°C als auch sichtbares Licht direkt in elektrische Energie umzuwandeln.Surprisingly It has been found that per se known high band gap sulfides in before be modified so that they both in thermoelectric applications as well as in photovoltaic applications can be used. They are both of heat as well as excited by light and are capable of both temperature differences in the range of -100 up to + 600 ° C as well as to convert visible light directly into electrical energy.
Bi2S3 weist für thermoelektrische Anwendungen eine sehr niedrige Gitterwärmeleitfähigkeit von 16 mW/cm·grad bei Raumtemperatur auf.Bi 2 S 3 has a very low grating thermal conductivity of 16 mW / cm at room temperature for thermoelectric applications.
Vorteilhaft ist auch, dass zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiter handelsüblicher Schwefel, der vorwiegend aus der Entschwefelung von Erdöl und Erdgas stammt und sehr rein ist, verwendet werden kann. Auch das eingesetzte Bismut fällt in großtechnischen Prozessen in hoher Reinheit an.Advantageous is also that for the production of semiconductors according to the invention commercially available Sulfur, mainly from the desulphurisation of oil and natural gas comes from and is very pure, can be used. Also the used Bismuth falls in large-scale Processes in high purity.
Bi2S3 erhält völlig neue
Eigenschaften, wenn es erfindungsgemäß modifiziert wird entsprechend
der folgenden allgemeinen Formel (1)
Dabei bedeutet E Germanium und/oder Silizium.there E means germanium and / or silicon.
Das Germanium wird vorzugsweise in elementarer Form eingesetzt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird Mg2Ge verwendet.The germanium is preferably used in elemental form. In a further advantageous embodiment, Mg 2 Ge is used.
Das Silizium kann ebenfalls in elementarer Form eingesetzt werden, bevorzugt wird aber dessen Verwendung in Form von Mg2Si.The silicon can also be used in elemental form, but is preferably its use in the form of Mg 2 Si.
Der Index x entspricht einem Wert von 1,9 bis 2,1, vorzugsweise von 1,95 bis 2,05.Of the Index x corresponds to a value of 1.9 to 2.1, preferably of 1.95 to 2.05.
Der Index y entspricht einem Wert von 0,001 bis 0,08, vorzugsweise von 0,005 bis 0,03.Of the Index y corresponds to a value of 0.001 to 0.08, preferably from 0.005 to 0.03.
Die Werte der Indizes x und y müssen sich dabei nicht zu 1 ergänzen.The Values of the indices x and y must do not compliment each other.
Der Index z entspricht einem Wert von 2,95 bis 3,05, vorzugsweise von 2,98 bis 3,02.Of the Index z corresponds to a value of 2.95 to 3.05, preferably of 2.98 to 3.02.
Der Index u entspricht Werten von 0 bis 2y, vorzugsweise von 0 bis 0,06.Of the Index u corresponds to values from 0 to 2y, preferably from 0 to 0.06.
Die erfindungsgemäß modifizierten Bismutsulfide weisen im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 130°C einen Seebeck-Koeffizienten von mehr als 300 μV/grad und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 150 S/cm auf.The modified according to the invention Bismuth sulfides have in the temperature range from room temperature to 130 ° C one Seebeck coefficients of more than 300 μV / grad and an electric conductivity of more than 150 S / cm.
So wird beispielsweise bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 130°C ein mittlerer Seebeck-Koeffizient von bis zu 500 μV/grad und eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 450 S/cm erreicht.So For example, at a temperature of from room temperature to 130 ° C average Seebeck coefficient of up to 500 μV / degree and an electric conductivity of up to 450 S / cm.
Diese modifizierten Bismutsulfide eignen sich hervorragend zum Einsatz als Halbleitermaterial, insbesondere als n-leitende Materialen.These Modified bismuth sulfides are ideal for use as semiconductor material, in particular as n-type materials.
Vorteilhafterweise einsetzbare modifizierte Bismutsulfide sind z. B. Bi1,98Ge0,022S3 und Bi1,99Ge0,02S3. Weitere beispielhaft in den nachstehenden Beispielen angegeben.Advantageously usable modified bismuth sulfides are z. B. Bi 1.98 Ge 0.022 S 3 and Bi 1.99 Ge 0.02 S 3 . Further exemplified in the examples below.
Die erfindungsgemäßen Materialien werden üblicherweise durch Zusammenschmelzen von Mischungen der jeweiligen Elementbestandteile oder deren Verbindungen/Legierungen hergestellt. Dabei hat sich im Allgemeinen eine Reaktionszeit des Zusammenschmelzens von mindestens einer Stunde als vorteilhaft herausgestellt. Das Zusammenschmelzen erfolgt vorzugsweise während eines Zeitraumes von mindestens 1 Stunde, besonders bevorzugt mindestens 5 Stunden, insbesondere mindestens 10 Stunden. Der Schmelzprozess kann mit oder ohne Vermischung der Ausgangsmischung erfolgen. Wird gemischt, dann eignet sich hierfür insbesondere ein Ofen, der um seine Längsachse gekippt werden kann, um die Homogenität der Mischung zu gewährleisten. Falls keine Mischung vorgenommen wird, so sind im Allgemeinen längere Schmelzzeiten von 2 bis 100 Stunden, insbesondere 30 bis 100 Stunden, erforderlich, um ein homogenes Material zu erhalten.The materials of the present invention are usually prepared by fusing together mixtures of the respective constituent elements or their compounds / alloys. In general, a reaction time of melting together of at least one hour has proven to be advantageous. The melting together is preferably carried out for a period of at least 1 hour, more preferably at least 5 hours, in particular at least 10 hours. The melting process can be carried out with or without mixing the starting mixture. If mixed, then this is particularly suitable for a furnace which can be tilted about its longitudinal axis in order to ensure the homogeneity of the mixture. If no mixture is made, generally longer melting times are used from 2 to 100 hours, especially 30 to 100 hours, required to obtain a homogeneous material.
Das Zusammenschmelzen erfolgt üblicherweise bei einer Temperatur von mindestens 800°C (Schmelzpunkt des Bi2S3 ist ca. 770°C), vorzugsweise mindestens 850°C. Insbesondere liegt die Schmelztemperatur in einem Bereich von 850 bis 950°C.The melting together is usually carried out at a temperature of at least 800 ° C (melting point of Bi 2 S 3 is about 770 ° C), preferably at least 850 ° C. In particular, the melting temperature is in a range of 850 to 950 ° C.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Materials erfolgt im Allgemeinen in einem heizbaren Quarzrohr. Eine Vermischung der beteiligten Komponenten kann durch Verwendung eines dreh- und/oder kippbaren Ofens oder eines Induktionsofens, bei dem das Magnetfeld für die Durchmischung der Schmelze sorgt, gewährleistet werden. Nach Vervollständigung der Umsetzung wird der Ofen abgekühlt. Im Anschluss wird das Quarzrohr aus dem Ofen entnommen und das in Form von Blöcken vorliegende Halbleitermaterial in Scheiben geschnitten. Diese Scheiben werden nunmehr in Stücke von ungefähr 1 bis 5 mm Länge geschnitten, woraus thermoelektrische Module erzeugt werden können.The Production of the material according to the invention generally takes place in a heatable quartz tube. A mixture the involved components can by using a rotary and / or tiltable furnace or an induction furnace where the magnetic field for the Mixing the melt ensures, be guaranteed. After completion the reaction is cooled down the furnace. Following is the quartz tube removed from the oven and present in the form of blocks semiconductor material cut in slices. These discs are now in pieces of approximately 1 to 5 mm in length cut, from which thermoelectric modules can be produced.
Es ist auch möglich, die Schmelze abzuschrecken, indem man das Quarzrohr mit der Schmelze in eine Flüssigkeit wie Wasser oder Öl ablässt. Höhere Abschreckgeschwindigkeiten erhält man, indem man die Schmelze direkt unter einer Schutzgasatmosphäre (N2, Ar) in die Abschreckflüssigkeit laufen lässt. Hierbei darf Wasser nicht verwendet werden, da es nicht inert genug ist. Bevorzugt wird ein Paraffinöl eingesetzt.It is also possible to quench the melt by discharging the quartz tube with the melt into a liquid such as water or oil. Higher quenching rates are obtained by allowing the melt to flow directly into the quench liquid under an inert gas atmosphere (N 2 , Ar). Do not use water as it is not inert enough. Preference is given to using a paraffin oil.
Mit dem Abschrecken der Schmelze erhält man den Vorteil, dass sich das Material während des Abkühlens bezüglich der Dotierstoffe nicht entmischen kann. Man erhält ein homogenes Material, das anschließend noch einer Temperaturbehandlung von vorzugsweise bis zu 100°C unterhalb des Schmelzpunktes unterworfen werden kann.With the quenching of the melt the advantage that the material during cooling relative to the Dopants can not demix. This gives a homogeneous material, that afterwards still a temperature treatment of preferably up to 100 ° C below of the melting point can be subjected.
Anstelle des Quarzrohres können auch Rohre aus anderen Materialien, beispielsweise aus Graphit, verwendet werden. Anstelle von Rohren können auch andere Behälter geeigneter Form verwendet werden.Instead of of the quartz tube can also tubes made of other materials, such as graphite used become. Instead of pipes can also other containers suitable form can be used.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das abgekühlte Material bei geeigneter Temperatur gemahlen werden, so dass das erfindungsgemäße Halbleitermaterial in üblichen Partikelgrößen kleiner als 50 um erhalten wird. Das gemahlene erfindungsgemäße Material wird dann vorzugsweise zu den gewünschten Formteilen verpresst. Die Rohdichte der gepressten Formteile sollte vorzugsweise größer als 50 %, besonders bevorzugt größer als 80 %, als die Rohdichte des Rohmaterials im ungepressten Zustand sein. Verbindungen, welche die Verdichtung des erfindungsgemäßen Materials verbessern, können in Mengen von vorzugsweise 0,1 bis 5 Vol.-%, besonders bevorzugt 0,2 bis 2 Vol. %, jeweils bezogen auf das gepulverte erfindungsgemäße Material, hinzu gegeben werden. Additive, welche zu dem erfindungsgemäßen Material zugegeben werden, sollten vorzugsweise inert gegenüber dem Halbleitermaterial sein und vorzugsweise während des Erwärmens auf Temperaturen unterhalb der Sintertemperatur des erfindungsgemäßen Materials, gegebenenfalls unter inerten Bedingungen und/oder Vakuum, sich aus dem erfindungsgemäßen Material herauslösen. Nach dem Pressen werden die gepressten Teile vorzugsweise in einen Sinterofen gegeben, in dem sie auf eine Temperatur von vorzugsweise maximal 20°C unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt werden. Die gepressten Teile werden bei einer Temperatur von im Allgemeinen mindestens 100°C, vorzugsweise mindestens 200°C, niedriger als der Schmelzpunkt des resultierenden Halbleitermaterials gesintert. Üblicherweise beträgt die Sintertemperatur 350 bis 750°C, vorzugsweise 400 bis 670°C.In an embodiment According to the present invention, the cooled material can be at a suitable temperature be ground, so that the semiconductor material according to the invention in conventional Particle sizes smaller than 50 um is obtained. The milled material of the invention is then preferably pressed to the desired moldings. The bulk density of the pressed moldings should preferably be greater than 50%, more preferably greater than 80%, as the raw density of the raw material in the unpressed state be. Compounds which the compaction of the material according to the invention can improve in amounts of preferably 0.1 to 5 vol .-%, more preferably 0.2 to 2% by volume, based in each case on the powdered material according to the invention, be added. Additives which contribute to the material according to the invention should be added, preferably inert to the Semiconductor material, and preferably during the heating on Temperatures below the sintering temperature of the material according to the invention, optionally under inert conditions and / or vacuum the material of the invention detach. After pressing, the pressed parts are preferably in one Given sintering furnace in which they are at a temperature of preferably maximum 20 ° C heated below the melting point become. The pressed parts are kept at a temperature of Generally at least 100 ° C, preferably at least 200 ° C, lower than the melting point of the resulting semiconductor material sintered. Usually is the Sintering temperature 350 to 750 ° C, preferably 400 to 670 ° C.
Das Sintern wird während eines Zeitraumes von vorzugsweise mindestens 0,5 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 1 Stunde, insbesondere mindestens 2 Stunden, durchgeführt. Üblicherweise beträgt die Sinterzeit 0,5 bis 5 Stunden, vorzugsweise 1 bis 3 Stunden.The Sintering is during a period of preferably at least 0.5 hours, more preferably at least 1 hour, in particular at least 2 hours. Usually is the sintering time 0.5 to 5 hours, preferably 1 to 3 hours.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Sintern bei einer Temperatur durchgeführt, die 100 bis 600°C niedriger ist als die Schmelztemperatur des resultierenden Halbleitermaterials. Ein bevorzugter Temperaturbereich ist 150 bis 350°C niedriger ist als der Schmelzpunkt des resultierenden Halbleitermaterials. Bevorzugt wird das Sintern unter Wasserstoff oder einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Argon, durchgeführt.In an embodiment In the present invention, sintering is carried out at a temperature carried out, the 100 to 600 ° C is lower than the melting temperature of the resulting semiconductor material. A preferred temperature range is 150 to 350 ° C lower is the melting point of the resulting semiconductor material. Preferably, the sintering under hydrogen or a protective gas atmosphere, for example Argon, performed.
Man kann im Heißpressverfahren das Pressen auch unter den angegebenen Sintertemperaturen und gleichzeitiger Druckbeaufschlagung durchführen und erhält dabei generell höhere Dichten als beim Kaltpressen und nachfolgendem drucklosen Sintern.you can in the hot pressing process the pressing also under the specified sintering temperatures and at the same time Apply pressure and receives generally higher Dense than cold pressing and subsequent pressureless sintering.
Die gepressten Teile werden vorzugsweise auf 95 bis 100 % ihrer theoretischen Bulkdichte gesintert.The pressed parts are preferably at 95 to 100% of their theoretical Bulk density sintered.
Insgesamt ergibt sich damit als bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens ein Verfahren, welches durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- (1) Zusammenschmelzen von Mischungen der jeweiligen Elementbestandteile oder deren Verbindungen/Legierungen,
- (2) Mahlen des in Verfahrensschritt (1) erhaltenen Materials,
- (3) Pressen des in Verfahrensschritt (2) erhaltenen Materials zu Formkörpern und
- (4) Sintern der in Verfahrensschritt (3) erhaltenen Formkörper.
- (1) melting together mixtures of the respective constituent elements or their compounds / alloys,
- (2) milling the material obtained in process step (1),
- (3) pressing the material obtained in process step (2) into moldings and
- (4) sintering of the molded articles obtained in process step (3).
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Halbleitermaterialien beispielsweise hergestellt durch Reaktion von Bi, Ge und/oder Si sowie Schwefel bei Temperaturen von bis zu 1.100°C, vorzugsweise von 850 bis 950°C, beispielsweise in evakuierten Quarzgefäßen.In a preferred embodiment become the semiconductor materials according to the invention for example, prepared by reaction of Bi, Ge and / or Si and sulfur at temperatures of up to 1100 ° C, preferably from 850 to 950 ° C, for example in evacuated quartz vessels.
Es ist auch möglich, zuerst Mg2Ge und/oder Mg2Si herzustellen, z. B. durch Umsetzung von Mg und Ge bzw. Mg und Si bei Temperaturen von vorzugsweise 1.150 bis 1.250°C, und anschließend Bi und Schwefel zuzumischen und die Masse nochmals auf Temperaturen oberhalb 800°C, insbesondere bis zu 950°C, zu erhitzen.It is also possible first to produce Mg 2 Ge and / or Mg 2 Si, e.g. B. by reaction of Mg and Ge or Mg and Si at temperatures of preferably 1150 to 1250 ° C, and then admixing Bi and sulfur and the mass again to temperatures above 800 ° C, in particular up to 950 ° C, to heat.
Die erfindungsgemäßen Materialien weisen im Vergleich zu unmodifizierten Bismutsulfiden erhöhte Seebeck-Koeffizienten und elektrische Leitfähigkeit in einer Größenordnung wie weiter oben ausgeführt auf. Sie eignen sich damit in hervorragender Weise für Anwendungen in der Thermoelektrik sowie in der Photovoltaik, insbesondere als aktive Halbleiter in thermoelektrischen Modulen und in photovoltaischen Zellen oder Modulen. Besonders vorteilhaft ist ihr Einsatz in Modulen für Solarzellen sowie thermoelektrische Generatoren und Peltier-Anordnungen, in Wäschetrocknern oder Klimaanlagen.The materials according to the invention have increased Seebeck coefficients compared to unmodified bismuth sulfides and electrical conductivity in an order of magnitude as stated above on. They are thus excellently suited for applications in thermoelectrics and in photovoltaics, in particular as active semiconductors in thermoelectric modules and in photovoltaic Cells or modules. Particularly advantageous is their use in modules for solar cells as well as thermoelectric generators and Peltier arrangements, in clothes dryers or air conditioners.
In thermoelektrischen Methoden werden p- und n-leitende Materialien in Serie geschaltet, um thermische Verluste zu vermeiden. In der Photovoltaik wird ein p-n-Übergang eingesetzt, wobei in der Grenzschicht die Ladungstrennung erfolgt.In Thermoelectric methods become p- and n-type materials connected in series to avoid thermal losses. In the Photovoltaic becomes a p-n junction used, wherein in the boundary layer, the charge separation.
Als Kombination zu dem vorwiegend als n-leitendes Material eingesetzten erfindungsgemäßen Halbleiter können alle üblicherweise in der Thermoelektrik und Photovoltaik verwendeten p-leitenden Materialien Verwendung finden. Solche geeignete p-leitende Materialien sind beispielsweise in der Thermoelektrik Zn4Sb3 und p-leitende Blei- oder Bismuttelluride und in der Photovoltaik p-leitendes ZnTe und p-leitende CuIn-Chalkogenide.As a combination with the semiconductors used according to the invention predominantly as n-type material, it is possible to use all p-type materials commonly used in thermoelectrics and photovoltaics. Such suitable p-type materials are Zn 4 Sb 3 and p-type lead or bismuth tellurides in thermoelectrics and p-type ZnTe and p-type CuIn chalcogenides in photovoltaics.
Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als p-leitendes Material
modifizierte Kupfersulfide einzusetzen, die im Temperaturbereich
von Raumtemperatur bis 130°C
ebenfalls einen Seebeck-Koeffizienten von mehr als 300 μV/grad und
eine elektrische Leitfähigkeit
von mehr als 150 S/cm haben. Solche modifizierten Kupfersulfide
weisen beispielsweise eine Zusammensetzung gemäß allgemeiner Formel (2)
x = 0,95 bis 1,00, vorzugsweise
0,98 bis 0,998,
y = 0 bis 0,05, vorzugsweise 0,002 bis 0,01,
wobei
x + y einen Betrag von 0,98 bis 1,02, vorzugsweise 0,99
bis 1,01, bedeutet,
z = 0,95 bis 1,05, vorzugsweise 0,98 bis
1,02,
v = 0 bis 0,01, vorzugsweise von 0 bis 0,005.It has proved to be particularly advantageous to use modified copper sulfides as p-type material, which likewise have a Seebeck coefficient of more than 300 μV / degree and an electrical conductivity of more than 150 S / cm in the temperature range from room temperature to 130 ° C. , Such modified copper sulfides have, for example, a composition according to general formula (2)
x = 0.95 to 1.00, preferably 0.98 to 0.998,
y = 0 to 0.05, preferably 0.002 to 0.01, wherein
x + y is an amount of 0.98 to 1.02, preferably 0.99 to 1.01,
z = 0.95 to 1.05, preferably 0.98 to 1.02,
v = 0 to 0.01, preferably from 0 to 0.005.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden diese modifizierten Kupfersulfide beispielsweise hergestellt durch Reaktion von Cu, Co und/oder Bi, Schwefel sowie gegebenenfalls Mg2Si bei Temperaturen von bis zu 1.300°C, vorzugsweise von 1.200 bis 1.250°C, beispielsweise in evakuierten Quarzgefäßen.In a preferred embodiment, these modified copper sulfides are prepared for example by reaction of Cu, Co and / or Bi, sulfur and optionally Mg 2 Si at temperatures of up to 1300 ° C, preferably from 1200 to 1250 ° C, for example in evacuated quartz vessels.
Es ist auch möglich, zuerst Cu2S herzustellen, z. B. durch Umsetzung von Cu oder Cu2O mit Schwefel oder Schwefelwasserstoff bei Temperaturen von 400 bis 1.200°C, und anschließend die zur Modifizierung notwendigen Additive zuzumischen und die Masse nochmals auf Temperaturen oberhalb 1.100°C, insbesondere bis zu 1.300°C, zu erhitzen.It is also possible to first produce Cu 2 S, z. B. by reaction of Cu or Cu 2 O with sulfur or hydrogen sulfide at temperatures of 400 to 1200 ° C, and then mix the additives necessary for the modification and the mass again to temperatures above 1100 ° C, in particular up to 1300 ° C, to heat.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne jedoch hierdurch eine entsprechende Eingrenzung vorzunehmen.The Invention will be explained with reference to the following embodiments, without However, this is to make a corresponding limitation.
Die in der folgenden Tabelle angegebenen Einwaagen an Komponenten wurden in Quarzröhrchen mit 10 mm Innendurchmesser gefüllt. Anschließend wurden die Quarzröhrchen 5 min auf ca. 100°C im Vakuum erhitzt und sodann im Vakuum abgeschmolzen. Es kamen zum Einsatz: Bismut mit 99,999 % Reinheit sowie Schwefel aus einer Tankwagenlieferung flüssigen Schwefels mit einer Reinheit von 99,99 %. In einem Rohrofen wurden die Quarzröhrchen innerhalb von 10 h von Raumtemperatur auf 1.000°C erhitzt. Diese Temperatur wurde noch 5 h gehalten. Während der gesamten Heizzeit wurde der Ofen mit einer Periode von ca. 2 min über einen Antrieb um die Längsachse gekippt, um eine gute Durchmischung der Schmelze zu erreichen.The in the following table were given component weights in quartz tubes filled with 10 mm inner diameter. Subsequently were the quartz tubes 5 min to about 100 ° C heated in vacuo and then melted in vacuo. It came to Use: bismuth with 99.999% purity and sulfur from a tanker delivery liquid Sulfur with a purity of 99.99%. In a tube furnace were the quartz tubes heated from room temperature to 1000 ° C within 10 h. This temperature was kept for another 5 hours. While the entire heating time was the oven with a period of about 2 min over one Drive around the longitudinal axis tilted to achieve a good mixing of the melt.
Danach ließ man den Ofen erkalten, die Quarzröhrchen wurden geöffnet und die Materialproben entnommen.After that one left cool the oven, the quartz tubes were opened and the material samples taken.
Die gefundenen Seebeck-Koeffizienten im Temperaturbereich von 30 bis 130°C sowie die mittlere elektrische Leitfähigkeit in diesem Temperaturbereich sind in der Tabelle 1 angegeben.The found Seebeck coefficients in the temperature range of 30 to 130 ° C as well the mean electrical conductivity in this temperature range are given in Table 1.
Tabelle 1 Table 1
Im Vergleich dazu zeigt das reine Bi2S3 einen Seebeck-Koeffizienten von 100 bis 160 μV/grad bei einer elektrischen Leitfähigkeit kleiner als 0,01 S/cm.In comparison, the pure Bi 2 S 3 shows a Seebeck coefficient of 100 to 160 μV / degree with an electrical conductivity less than 0.01 S / cm.
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