新型高性能、节能环保氮化物半导体电池

东京工业大学研究小组已经证实，氮化铜—一种新型含氟的n型和p型半导体，在精确的计算掺杂元素计算后并结合独特氮化技术可进行大规模生产，通过同步辐射的原子分辨显微镜对其电子结构分析。研究人员将其研究成果发表在《Advanced Materials》上，文章名为：“直接氮化合成的高迁移率硅掺杂p型和n型氮化铜半导体”。

这意味着n型和p型氮化铜半导体可能潜在地取代光伏电池中的有毒或稀有材料。

上图为：（a）铜和氮化铜（b）P型和N型氮化铜的理论计算（c）氟掺杂的氮化铜中的氟位置。下图为：（a）在与氨和氧反应之前和之后的薄膜铜板的图像 铜金属已转变为氮化铜（b）铜掺杂n型半导体和氟掺杂p型半导体 （c）氮以红色绘制，氟以绿色绘制，铜以蓝色绘制。 如理论计算所预测的，氟位于晶体的中心。

与市场主导的硅太阳能电池板相比，薄膜光伏电池具有相同的效率并且可以降低材料成本。利用光伏效应，将特定p型和n型材料的薄层夹在一起，在太阳光的辐射下产生电力。

该技术有望为太阳能提供更光明的未来，与晶体硅技术相比，可实现低成本的大规模生产，目前商业化薄膜太阳能电池中仍然使用有毒和稀有材料，因此东京工业大学的一个团队面临着一个挑战，寻找一种新的候选材料来生产更清洁，更便宜的薄膜光伏电池。

该研究小组现专注于合成一种简单的二元化合物，即由环保元素组成的氮化铜。然而，从过去开发的氮化镓蓝LED以来，到以高质量形式生长氮化物晶体，显得更富有挑战性。Matsuzaki和他的同事通过使用氨和氧化剂气体引入新的催化反应途径克服了这一困难。通过图（a）中的照片描绘的该化合物是具有过量电子的n型导体。另一方面，通过在晶体的中心位置插入氟元素，他们发现这种n型化合物可以转化为p型，正如理论计算所预测，原子分辨显微镜下已证实氟元素和氮元素的存在（如图（b）和（c）所示）。

目前，所有薄膜光伏器件在形成夹层结构时都需要p型或n型化合物，因此我们需要付出巨大努力才能找到最佳组合。然而Matsuzaki和他的同事开发的p型和n型半导体不仅有利于设计高效太阳能电池结构，且这种材料环保无毒，成本低廉，是碲化镉和铜铟镓二硒薄膜太阳能电池的理想替代品。


随着这些p型和n型半导体的发展，采用简单安全元素结合可扩展成型技术，将进一步将薄膜技术带入光伏电池中。

原文来自nanowerk，题目为High performance nitride semiconductor for environmentally friendly photovoltaics，由材料科技在线团队研究整理。