I-III-VI halvledare
I-III-VI 2 - halvledare är fasta halvledande material som innehåller tre eller flera kemiska grundämnen som tillhör grupperna I, III och VI (IUPAC-grupperna 1/11, 13 och 16) i det periodiska systemet . De involverar vanligtvis två metaller och en kalkogen . Vissa av dessa material har ett direkt bandgap , t.ex. , på cirka 1,5 eV, vilket gör dem till effektiva absorbenter av solljus och därmed potentiella solcellsmaterial . Ett fjärde element läggs ofta till ett I-III-VI 2 -material för att justera bandgapet för maximal solcellseffektivitet . Ett representativt exempel är kopparindiumgalliumselenid (CuIn x Ga (1– x ) Se 2 , E g = 1,7–1,0 eV för x = 0–1), som används i kopparindiumgalliumselenidsolceller .
CuGaO 2
CuGaO2 finns i två huvudpolymorfer, α och β. α-formen har delafossitkristallstrukturen och kan framställas genom att reagera Cu 2 O med Ga 2 O 3 vid höga temperaturer. β-formen har en wurtzitliknande kristallstruktur ( rymdgrupp Pna2 1 ); den är metastabil, men uppvisar en långtidsstabilitet vid temperaturer under 300 °C. Det kan erhållas genom ett jonbyte av Na + -joner i en β-NaGaO2- prekursor med Cu + -joner i CuCl under vakuum, för att undvika oxidation av Cu + till Cu2 + .
Till skillnad från de flesta I-III-VI 2 oxider , som är transparenta, elektriskt isolerande fasta ämnen med ett bandgap över 2 eV, har β-CuGaO 2 ett direkt bandgap på 1,47 eV, vilket är fördelaktigt för solcellstillämpningar. Däremot har β-AgGaO2 och β-AgAlO2 ett indirekt bandgap. Odopad β-CuGaO 2 är en halvledare av p-typ .
AgGaO 2 och AgAlO 2
På samma sätt som CuGaO 2 har α-AgGaO 2 och α-AgAlO 2 delafossitkristallstrukturen medan strukturen för motsvarande β-faser liknar wurtzite ( rymdgrupp Pna2a). β-AgGaO 2 är metastabil och kan syntetiseras genom jonbyte med en β-NaGaO 2 prekursor. Bandgapen för β-AgGaO2 och β-AgAlO2 ( 2,2 respektive 2,8 eV) är indirekta; de faller inom det synliga området och kan justeras genom legering med ZnO . Av denna anledning är båda materialen knappast lämpliga för solceller, men har potentiella tillämpningar inom fotokatalys .
I motsats till LiGaO 2 kan AgGaO 2 inte legeras med ZnO genom att värma deras blandning på grund av Ag + -reduktionen till metalliskt silver; därför används istället magnetronförstoftning av AgGaO 2- och ZnO-mål.
LiGaO 2 och LiGaTe 2
Rena enkristaller av β-LiGaO 2 med en längd på flera tum kan odlas med Czochralski-metoden . Deras kluvna ytor har gitterkonstanter som matchar de för ZnO och GaN och är därför lämpliga för epitaxiell tillväxt av tunna filmer av dessa material. β-LiGaO 2 är ett potentiellt icke-linjärt optiskt material, men dess direkta bandgap på 5,6 eV är för stort för applikationer med synligt ljus. Den kan reduceras ner till 3,2 eV genom att legera β-LiGaO 2 med ZnO. Bandgap-avstämningen är diskontinuerlig eftersom ZnO och β-LiGaO2 inte blandas utan bildar en Zn2LiGaO4- fas när deras förhållande är mellan ca. 0,2 och 1.
LiGaTe 2 -kristaller med en storlek upp till 5 mm kan odlas i tre steg. Först smälts Li-, Ga- och Te-elementen samman i en evakuerad kvartsampull vid 1250 K under 24 timmar. I detta skede reagerar Li med ampullens väggar, avger värme och förbrukas delvis. I det andra steget homogeniseras smältan i en förseglad kvartsampull, som är belagd inuti med pyrolytiskt kol för att minska Li-reaktiviteten. Homogeniseringstemperaturen väljs ca. 50 K över smältpunkten för LiGaTe 2 . Kristallerna odlas sedan från den homogeniserade smältan med Bridgman-Stockbarger-tekniken i en tvåzonsugn. Temperaturen i början av kristallisationen är några grader under LiGaTe 2 -smältpunkten. Ampullen flyttas den kalla zonen med en hastighet av 2,5 mm/dag i 20 dagar.
| Formel | a (Å) | b (Å) | c (Å) | Rymdgrupp |
Densitet (g/cm 3 ) |
Smältpunkt (K) |
Bandgap (eV) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| a-LiGaO 2 | 2,92 | 2,92 | 14.45 | R 3 m | 5.07 | m | 5,6d |
| β- LiGaO2 | 5,406 | 6,379 | 5,013 | Pna2 1 | 4.18 | m | 5,6d |
| LiGaSe 2 | Pna2 1 | ||||||
| LiGaTe 2 | 6,33757(2) | 6,33757(2) | 11,70095(5) | I 4 3d | 940 | 2,41 | |
| LiInTe 2 | 6,398 | 6,398 | 12.46 | I 4 2d | 4,91 | 1.5 | |
| CuAlS 2 | 5,323 | 5,323 | 10.44 | I 4 2d | 3,47 | 2500 | 2.5 |
| CuAlSe 2 | 5,617 | 5,617 | 10,92 | I 4 2d | 4,70 | 2260 | 2,67 |
| CuAlTe 2 | 5,976 | 5,976 | 11.80 | I 4 2d | 5,50 | 2550 | 0,88 |
| β- CuGaO2 | 5,46004(1) | 6,61013(2) | 5. 27417(1) | Pna2 1 | m | 1,47d | |
| CuGaS 2 | 5,360 | 5,360 | 10.49 | I 4 2d | 4,35 | 2300 | 2,38 |
| CuGaSe 2 | 5,618 | 5,618 | 11.01 | I 4 2d | 5,56 | 1970 | 0,96; 1,63 |
| CuGaTe 2 | 6,013 | 6,013 | 11,93 | I 4 2d | 5,99 | 2400 | 0,82; 1.0 |
| CuInS 2 | 5,528 | 5,528 | 11.08 | I 4 2d | 4,75 | 1400 | 1.2 |
| CuInSe 2 | 5,785 | 5,785 | 11.56 | I 4 2d | 5,77 | 1600 | 0,86; 0,92 |
| CuInTe 2 | 6,179 | 6,179 | 12.365 | I 4 2d | 6.10 | 1660 | 0,95 |
| CuTlS 2 | 5,58 | 5,58 | 11.17 | I 4 2d | 6,32 | ||
| CuTlSe 2 | 5,844 | 5,844 | 11.65 | I 4 2d | 7.11 | 900 | 1.07 |
| CuFeO 2 | 3,035 | 3,035 | 17,166 | R 3 m | 5,52 | ||
| CuFeS 2 | 5,29 | 5,29 | 10.32 | I 4 2d | 4,088 | 1135 | 0,53 |
| CuFeSe 2 | 5,544 | 5,544 | 11.076 | P 4 2c | 5,41 | 850 | 0,16 |
| CuLaS 2 | 5,65 | 5,65 | 10,86 | I 4 2d | |||
| β- AgAlO2 | m | 2.8i | |||||
| AgAlS 2 | 5,707 | 5,707 | 10.28 | I 4 2d | 3,94 | ||
| AgAlSe 2 | 5,986 | 5,986 | 10,77 | I 4 2d | 5.07 | 1220 | 0,7 |
| AgAlTe 2 | 6,309 | 6,309 | 11,85 | I 4 2d | 6.18 | 1000 | 0,56 |
| a- AgGaO2 | P6 3 mc | 4.12d | |||||
| β- AgGaO2 | Pna2a | m | 2.2i | ||||
| AgGaS 2 | 5,755 | 5,755 | 10.28 | I 4 2d | 4,72 | 1,66 | |
| AgGaSe 2 | 5,985 | 5,985 | 10,90 | I 4 2d | 5,84 | 1120 | 1.1 |
| AgGaTe 2 | 6,301 | 6,301 | 11,96 | I 4 2d | 6.05 | 990 | 1,32 |
| AgInS 2 | 5,828 | 5,828 | 11.19 | I 4 2d | 5.00 | 1.18 | |
| AgInSe 2 | 6,102 | 6,102 | 11,69 | I 4 2d | 5,81 | 1053 | 0,96; 0,52 |
| AgInTe 2 | 6,42 | 6,42 | 12.59 | I 4 2d | 6.12 | 965 | 1.03 |
| AgFeS 2 | 5,66 | 5,66 | 10.30 | I 4 2d | 4,53 | 0,88 |
- m står för metastabil, d för direkt och i för indirekt bandgap