Semi-conducteurs I-III-VI - I-III-VI semiconductors
Les semi - conducteurs I-III-VI 2 sont des matériaux semi-conducteurs solides qui contiennent trois éléments chimiques ou plus appartenant aux groupes I, III et VI (groupes IUPAC 1/11, 13 et 16) du tableau périodique . Ils impliquent généralement deux métaux et un chalcogène . Certains de ces matériaux ont une bande interdite directe , E g , d'environ 1,5 eV, ce qui en fait des absorbeurs efficaces de la lumière du soleil et donc des matériaux potentiels pour les cellules solaires . Un quatrième élément est souvent ajouté à un matériau I-III-VI 2 pour régler la bande interdite pour une efficacité maximale des cellules solaires . Un exemple représentatif est le séléniure de cuivre-indium-gallium (CuIn x Ga (1– x ) Se 2 , E g = 1,7–1,0 eV pour x = 0–1), qui est utilisé dans les cellules solaires au séléniure de cuivre-indium-gallium .
CuGaO 2
CuGaO 2 existe en deux polymorphes principaux , α et β. La forme α a la structure cristalline de la delafossite et peut être préparée en faisant réagir Cu 2 O avec Ga 2 O 3 à des températures élevées. La forme β a une structure cristalline de type wurtzite ( groupe spatial Pna2 1 ); il est métastable, mais présente une stabilité à long terme à des températures inférieures à 300 ° C. Il peut être obtenu par échange d'ions d' ions Na + dans un précurseur β-NaGaO 2 avec des ions Cu + dans CuCl sous vide, pour éviter l'oxydation de Cu + en Cu 2+ .
Contrairement à la plupart des oxydes I-III-VI 2 , qui sont des solides transparents électriquement isolants avec une bande interdite supérieure à 2 eV, le β-CuGaO 2 a une bande interdite directe de 1,47 eV, ce qui est favorable pour les applications de cellules solaires. En revanche, le β-AgGaO 2 et le β-AgAlO 2 ont une bande interdite indirecte. Le β-CuGaO 2 non dopé est un semi-conducteur de type p .
AgGaO 2 et AgAlO 2
De même que CuGaO 2 , α-AgGaO 2 et α-AgAlO 2 ont la structure cristalline delafossite tandis que la structure des phases β correspondantes est similaire à la wurtzite ( groupe spatial Pna2a). Le β-AgGaO 2 est métastable et peut être synthétisé par échange d'ions avec un précurseur de β-NaGaO 2 . Les bandes interdites de β-AgGaO 2 et β-AgAlO 2 (respectivement 2,2 et 2,8 eV) sont indirectes; ils tombent dans la plage visible et peuvent être accordés par alliage avec du ZnO . Pour cette raison, les deux matériaux ne conviennent guère aux cellules solaires, mais ont des applications potentielles en photocatalyse .
Contrairement au LiGaO 2 , AgGaO 2 ne peut pas être allié au ZnO en chauffant leur mélange en raison de la réduction Ag + en argent métallique; par conséquent, la pulvérisation magnétron des cibles AgGaO 2 et ZnO est utilisée à la place.
LiGaO 2 et LiGaTe 2
Des monocristaux purs de β-LiGaO 2 d'une longueur de plusieurs pouces peuvent être cultivés par la méthode Czochralski . Leurs surfaces clivées ont des constantes de réseau qui correspondent à celles de ZnO et GaN et sont donc adaptées à la croissance épitaxiale de couches minces de ces matériaux. Le β-LiGaO 2 est un matériau optique non linéaire potentiel , mais sa bande interdite directe de 5,6 eV est trop large pour les applications en lumière visible. Elle peut être réduite à 3,2 eV en alliant du β-LiGaO 2 avec du ZnO. L'accord de la bande interdite est discontinu car ZnO et β-LiGaO 2 ne se mélangent pas mais forment une phase Zn 2 LiGaO 4 lorsque leur rapport est compris entre env. 0,2 et 1.
Les cristaux LiGaTe 2 d'une taille allant jusqu'à 5 mm peuvent être cultivés en trois étapes. Tout d'abord, les éléments Li, Ga et Te sont fondus dans une ampoule de quartz sous vide à 1250 K pendant 24 heures. A ce stade, Li réagit avec les parois de l'ampoule, libérant de la chaleur et est en partie consommé. Dans la deuxième étape, la masse fondue est homogénéisée dans une ampoule de quartz scellée, qui est enduite à l'intérieur de carbone pyrolytique pour réduire la réactivité du Li. La température d'homogénéisation est choisie env. 50 K au-dessus du point de fusion de LiGaTe 2 . Les cristaux sont ensuite cultivés à partir de la masse fondue homogénéisée par la technique Bridgman – Stockbarger dans un four à deux zones. La température au début de la cristallisation est de quelques degrés en dessous du point de fusion du LiGaTe 2 . L'ampoule est déplacée dans la zone froide à raison de 2,5 mm / jour pendant 20 jours.
| Formule | a (Å) | b (Å) | c (Å) | Groupe d'espace | Densité (g / cm 3 ) |
Point de fusion (K) |
Bande interdite (eV) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| α-LiGaO 2 | 2,92 | 2,92 | 14,45 | R 3 m | 5,07 | m | 5,6 j |
| β-LiGaO 2 | 5,406 | 6,379 | 5,013 | Pna2 1 | 4.18 | m | 5,6 j |
| 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-CuGaO 2 | 5,46004 (1) | 6,61013 (2) | 5. 27417 (1) | Pna2 1 | m | 1,47 j | |
| 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 |
| COUPE 2 | 5,58 | 5,58 | 11,17 | I 4 2d | 6,32 | ||
| COUPE 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-AgAlO 2 | 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 |
| α-AgGaO 2 | P6 3 mc | 4.12d | |||||
| β-AgGaO 2 | 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 | 10h30 | I 4 2d | 4,53 | 0,88 |
- m signifie métastable, d pour direct et i pour bande interdite indirecte