JP2011516370A - 新規な熱電変換材料及びその製造方法、並びにそれを用いた熱電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、下記化学式で表される新規な化合物半導体を提供する:Bi1-xMxCuwOa-yQ1yTeb-zQ2z。化学式において、MはBa、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Eu、Sm、Mn、Ga、In、Tl、As及びSbからなる群より選択されたいずれか1つまたはそのうちの2種以上の元素であり、Q1及びQ2はS、Se、As及びSbからなる群より選択されたいずれか1つまたはそのうちの2種以上の元素であり、0≦x<1、0<w≦1、0.2<a<4、0≦y<4、0.2<b<4及び0≦z<4である。前記化合物半導体は従来の化合物半導体に代替するか又は従来の化合物半導体に加え、太陽電池、熱電変換素子など多様な用途に用いられ得る。
【選択図】 図1
Description
BiCuOTeの合成
まず、BiCuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.1198g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.5022g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.4581g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.9199gをめのう乳鉢(agate mortar)を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCuOTe粉末を得た。
BiCu0.9OTeの合成
BiCu0.9OTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.1371g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.51g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.4187g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.9342gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCu0.9TeO粉末を得た。
Bi0.98Pb0.02CuOTeの合成
Bi0.98Pb0.02CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)2.5356g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)1.1724g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)1.0695g、PbO(Canto、99.5%)0.0751g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)2.1475gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.98Pb0.02CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Pb0.1CuOTeの合成
Bi0.9Pb0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.2721g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6712g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6133g、PbO(Canto、99.5%)0.215g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2294gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.9Pb0.1CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Cd0.1CuOTeの合成
Bi0.9Cd0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.3018g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6869g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6266g、CdO(Strem、99.999%)0.1266g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2582gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.9Cd0.1CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Sr0.1CuOTeの合成
Bi0.9Sr0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.0731g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.5662g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.5165g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.0372g、SrO 0.0842gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。ここで、SrOはSrCO3(Alfa、99.994%)を1125℃で12時間、空気中で熱処理して得た。熱処理して得られたものがSrOであることをX線回折分析を通じて確認した。
BiCuOSe0.5Te0.5の合成
BiCuOSe0.5Te0.5を合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.9822g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.889g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.811g、Se(Aldrich、99.99%)0.5036g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.8142gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCuOSe0.5Te0.5粉末を得た。
Bi0.9Tl0.1CuOTeの合成
Bi0.9Tl0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.227g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.7114g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6122g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2293g、Tl2O3(Aldrich)0.22gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。
BiCuOTe0.9Sb0.1の合成
BiCuOTe0.9Sb0.1を合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.4951g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6705g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6117g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.1054g、Sb(Kanto chemical、Cat.No.01420−02)0.1172gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。
前述した方法で合成した実施例1の試料に対し、反射分光法を用いて光学的バンドギャップエネルギーを測定した。分光器はShimadzu UV−3600を使用し、測定範囲は650〜2500nm、測定間隔は1nmであった。比較のために類似試料であるBiCuOS、BiCuOSeの反射率を共に示した図13のグラフを見れば、BiCuOSの場合は約1.1eVでバンドギャップエネルギーが観察されるが、BiCuOTeの場合には2500nm(=0.496eV)までエネルギー吸収による反射率の目立った変化が観察されない。したがって、実施例1のBiCuOTeはバンドギャップエネルギーが0.5eVより小さい程度であると推定される。
前述した方法で合成した各試料のうち一部をそれぞれ直径4mm、長さ15mmの円柱に成形し、また、各試料のうち他の一部を直径10mm、厚さ1mmの円板に成形した後、CIP(Cold Isostatic Press)を使用して200MPaの圧力を印加した。次いで、得られた結果物を石英管に入れて510℃で10時間真空焼結した。
BiCuOTeの合成
まず、BiCuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.1198g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.5022g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.4581g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.9199gをめのう乳鉢(agate mortar)を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCuOTe粉末を得た。
Bi0.98Pb0.02CuOTeの合成
Bi0.98Pb0.02CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)2.5356g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)1.1724g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)1.0695g、PbO(Canto、99.5%)0.0751g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)2.1475gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.98Pb0.02CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Pb0.1CuOTeの合成
Bi0.9Pb0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.2721g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6712g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6133g、PbO(Canto、99.5%)0.215g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2294gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.9Pb0.1CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Cd0.1CuOTeの合成
Bi0.9Cd0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.3018g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6869g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6266g、CdO(Strem、99.999%)0.1266g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2582gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBi0.9Cd0.1CuOTe粉末を得た。
Bi0.9Sr0.1CuOTeの合成
Bi0.9Sr0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.0731g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.5662g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.5165g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.0372g、SrO 0.0842gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。ここで、SrOはSrCO3(Alfa、99.994%)を1125℃で12時間、空気中で熱処理して得た。熱処理して得られたものがSrOであることをX線回折分析を通じて確認した。
BiCuOSe0.5Te0.5の合成
BiCuOSe0.5Te0.5を合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.9822g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.889g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.811g、Se(Aldrich、99.99%)0.5036g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.8142gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCuOSe0.5Te0.5粉末を得た。
Bi0.9Tl0.1CuOTeの合成
Bi0.9Tl0.1CuOTeを合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.227g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.7114g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6122g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.2293g、Tl2O3(Aldrich)0.22gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。
BiCuOTe0.9Sb0.1の合成
BiCuOTe0.9Sb0.1を合成するため、Bi2O3(Aldrich、99.9%、100mesh)1.4951g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.6705g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.6117g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)1.1054g、Sb(Kanto chemical、Cat.No.01420−02)0.1172gをめのう乳鉢を用いてよく混合した。
前述した方法で合成した各試料のうち一部をそれぞれ直径4mm、長さ15mmの円柱に成形し、また、各試料のうち他の一部を直径10mm、厚さ1mmの円板に成形した後、CIP(Cold Isostatic Press)を使用して200MPaの圧力を印加した。次いで、得られた結果物を石英管に入れて510℃で10時間真空焼結した。
Claims (19)
- 化学式1のx、y及びzが、それぞれ0≦x≦1/2、0≦y≦a/2及び0≦z≦b/2であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、w、y及びzが、それぞれx=0、y=0及びz=0であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体。
- 化学式1の化合物半導体が、BiCu0.8-1.2O0.8-1.2Te0.8-1.2であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体。
- 化学式1の化合物半導体が、BiCuOTeであることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、y及びzが、x+y+z>0であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体。
- 化学式1のa、y、b及びzが、それぞれa=1、0≦y<1、b=1及び0≦z<1であることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、w、a、y、b及びzが、それぞれ0≦x<0.15、0.8≦w≦1、a=1、0≦y<0.2、b=1及び0≦z<0.5であることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体。
- 化学式1のMが、Sr、Cd、Pb及びTlからなる群より選択されたいずれか1つであることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体。
- 化学式1のQ1及びQ2が、それぞれSeまたはSbであることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、w、a、y、b及びzがそれぞれ0≦x<0.15、0.8≦w≦1、a=1、0≦y<0.2、b=1及び0≦z<0.5であり、MがSr、Cd、Pb及びTlからなる群より選択されたいずれか1つであり、Q1及びQ2がそれぞれSeまたはSbであることを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、w、a、y、b及びzがそれぞれ0<x<0.15、w=1、a=1、y=0、b=1及びz=0であり、MがSr、Cd、Pb及びTlからなる群より選択されたいずれか1つであることを特徴とする請求項11に記載の化合物半導体。
- 化学式1のx、w、y及びzがそれぞれx=0、w=1、a=1、y=0、b=1及び0<z≦0.5であり、Q2がSeまたはSbであることを特徴とする請求項11に記載の化合物半導体。
- Bi2O3、Bi、Cu及びTeの各粉末を混合した後、焼結することで請求項1に記載の化学式1で表される化合物半導体を製造する方法。
- Bi2O3、Bi、Cu及びTeの各粉末と、Ba、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Eu、Sm、Mn、Ga、In、Tl、As及びSbからなる群より選択されたいずれか1つまたはそのうちの2種以上の元素またはその酸化物からなる粉末とを混合した後、焼結することで請求項1に記載の化学式1で表される化合物半導体を製造する方法。
- Bi2O3、Bi、Cu及びTeの各粉末と、S、Se、As及びSbからなる群より選択されたいずれか1つまたはそのうちの2種以上の元素またはその酸化物からなる粉末とを混合し、選択的にBa、Sr、Ca、Mg、Cs、K、Na、Cd、Hg、Sn、Pb、Eu、Sm、Mn、Ga、In、Tl、As及びSbからなる群より選択されたいずれか1つまたはそのうちの2種以上の元素またはその酸化物からなる粉末をさらに混合した後、焼結することで請求項1に記載の化学式1で表される化合物半導体を製造する方法。
- 前記焼結時の温度が、400から570℃であることを特徴とする請求項14から請求項16のうちいずれか1項に記載の化合物半導体を製造する方法。
- 請求項1から請求項13のうちいずれか1項に記載の化合物半導体を光吸収層として使用することを特徴とする太陽電池。
- 請求項1から請求項13のうちいずれか1項に記載の化合物半導体を熱電変換材料として使用することを特徴とする熱電変換素子。
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