[發明專利]XIII族硒化物納米粒子

有效

• 申請號: 201380036492.3
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN104428870B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 納瑟莉·格雷斯蒂;翁布雷塔·馬薩拉;克里斯托弗·紐曼;斯蒂芬·懷特萊格;奈杰爾·皮克特
• 申請（專利權）人: 納米技術有限公司
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02;H01L31/032;H01L31/0352;B82Y30/00;C01B19/00;C09D11/52
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 柳春琦

背景

XIII族硒化物材料由于它們寬的帶隙范圍，是具有廣泛的潛在用途的半導體，所述用途包括光伏和數據存儲設備，非線性光學和光敏感器如p-n結光電二極管。所述硒化物以兩種氧化態存在，即，+2MSe(M＝Ga，In)和+3M₂Se₃(M＝Al，Ga，In)，提供直接帶隙(對于硒化銦為1.4-2.5eV：α-In₂Se₃1.42eV，β-In₂Se₃1.55eV，γ-In₂Se₃2.00eV；對于硒化鎵為1.8-2.6eV：α-Ga₂Se₃2.2eV，β-Ga₂Se₃2.3eV；對于Al₂Se₃為3.1eV)。

XIII族硒化物材料可以用于制備光伏設備，如銅銦鎵二硒化物/硫化物(“CIGS”)太陽能電池。為了商業生存，光伏電池必需以可與化石燃料競爭的成本產生電。為了滿足這些成本約束，光伏電池必需利用低成本的材料和設備制造，并且必需以高的效率將陽光轉化為電。材料合成和設備制造也必需是可以商業規模化的。

對于由薄膜制備的光伏電池，材料成本固有地低，因為僅需要小量的材料來制造最多達數微米的活性層。因此，大部分開發工作聚焦于制造高效薄膜太陽能電池。黃銅礦CIGS設備已經顯示了明顯的潛力。CuInS₂(1.5eV)和CuInSe₂(1.1eV)的帶隙與太陽光譜符合良好，使其易于具有高的轉換效率。目前，對于Cu(In，Ga)Se₂，已經實現高達20.3％的效率。

二元硫屬化物納米粉，包括硒化銅，和/或硒化銦，和/或硒化鎵，已被提出作為用于CIGS太陽能電池的起始物料。例如，題為“硫屬化物太陽能電池”的美國專利公開號US 2007/0092648 A1描述了IB族-硫屬化物納米粒子和/或IIIA族-硫屬化物納米粒子作為用于制備IB-IIIA族-硫屬化物化合物的薄膜的前體材料。

制造用于光伏設備的吸收體層通常涉及昂貴的氣相或蒸發技術。備選地，可以將納米粒子熔化或熔合在一起從而形成薄膜，使得納米粒子聚結形成大的晶粒。例如，可以將金屬氧化物納米粒子的薄膜使用H2還原，然后硒化(通常使用H₂Se)。如在作為WO 2009/068878 A2公開的共同擁有的PCT專利申請中所述，將硒源結合到納米粒子中可以避免高成本的硒化步驟，由此避免使用有毒的H₂Se的需要。

對于可用作用于光伏薄膜的起始物料的納米粒子，它們優選具有多種性質。首先，納米粒子必需小，優選具有使得所述納米粒子的物理、電子和光學性質不同于大塊物料的那些性質的尺寸。通過將電子波函數限制到此種小尺寸，粒子變成“量子約束的”，由此其性質介于大塊物料和個體原子的性質之間。此種納米粒子被稱為“量子點”。較小的粒子能夠緊密堆積，使得其能夠在熔化后更容易聚結。其次，納米粒子優選具有窄的尺寸分布以使粒子全都在大致相同的溫度熔化。此性質保證所得的薄膜具有高的、均勻的品質。第三，可以用揮發性有機覆蓋配體覆蓋納米粒子，以有助于將納米粒子溶解在溶液中。但是覆蓋配體必需在加熱后容易除去，以避免有害的碳向薄膜中的結合。

有多種技術已被用于制備硒化銦納米粒子。硒化鎵納米粒子的合成的實例報道得較少，而硒化鋁納米粒子合成在現有技術中不存在。納米粒子合成包括膠體方法，單一源前體方法，聲化學方法，液氨中的復分解，化學氣相沉積，和熱蒸發。

典型地，膠體方法涉及高溫(＞250℃)合成，形成覆蓋有三辛基膦(TOP)、氧化三辛基膦(TOPO)、膦酸或胺的納米粒子。所得的納米粒子是小的(＜20nm)且是單分散的，相對于大塊物料降低了其熔點，因此使得低溫設備加工成為可能。