碲化锌的制备及应用

发布日期:2020/10/23 9:04:26

背景及概述^[1][2]

碲化锌是灰色或棕红色粉末，是锌和碲的化合物，化学式为ZnTe。通过升华可得宝石红立方系晶体。在干燥空气中稳定，遇水则分解，放出有恶臭和有毒的碲化氢气体。碲化锌主要用于半导体和红外材料，可用作荧光材料和磷光材料，还也可制作发光二极管、作红外探测、辐射探测材料。碲化锌对波长为0.65μm的光有透过性，对波长为1～8μm 的光的折射率为2.7。

制备^[2]

现有技术中，制备碲化锌的方法有两种，包括干法和湿法。其中，干法是将碲和锌在密闭气氛中加热到1000～1200℃后进行反应合成碲化锌；湿法是将碲化钠和乙酸锌在水溶液中反应，生成黄棕色碲化锌水合物沉淀。但干法的消耗时间长，湿法的产品质量难以保证，而且在制备碲化锌的过程中，如遇到稀酸，则会反应放出具有剧毒的碲化氢(H2Te)，可见对制备碲化锌要求非常高。

CN201410198138.7提供了一种碲化锌的制备方法，整个制备工艺流程利用高压合成方法，时间短，所需要的设备少，过量系数低，在一定程度上降低了生产成本，提高了生产效率。为解决上述问题，CN201410198138.7提供的一种碲化锌的制备方法，包括：

A、向石墨坩埚内投入碲和锌混合物料后通入惰性气体排尽氧气，密闭坩埚；

B、将坩埚置于密闭的耐热容器内，除尽耐热容器内氧气后通入惰性气体；

C、将耐热容器内压力调节至0.6～3.0MPa，温度升至1000～1500℃，再保温1～4h后降温；

D、降温至小于60℃后排气泄压，取出混合物料，得到碲化锌。

该方法具有以下优点：将碲和锌置于石墨坩埚内，待坩埚充满惰性气体后，置于密闭的耐热容器内加压加热反应，整个制备工艺流程利用高压合成方法，时间短，所需要的设备少，过量系数低，在一定程度上降低了生产成本，提高了生产效率，同时，通过将坩埚放置在高压炉内，避免了碲和锌与其他工具的触碰及使用，尤其避免了与石英质地工具及炉体的触碰及使用，有效避免了容易与本工艺发生反应的硅元素的引入，提高了碲化锌的产品纯度，有良好的经济效益。

应用^[3]

碲化锌可用于制备一种基于氧掺杂碲化锌纳米线阵列的太阳电池。图1基于氧掺杂碲化锌纳米线阵列的太阳电池结构示意图；其中A为立体图，B为截面图。

一种氧掺杂碲化锌纳米线阵列增强吸收的中间带太阳电池结构，在中间带太阳电池技术的基础上，以纳米线为吸收层进一步提升中间带太阳电池的光转换效率，为制备出高效太阳电池打下了坚实的基础，有望实现下一代太阳电池向高效、低成本的方向发展。基于氧掺杂碲化锌纳米线阵列的太阳电池，自上而下依次为：包裹了氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的纳米线阵列顶端的n型 AZO透明导电薄膜、氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的(竖直的)纳米线阵列、包裹纳米线底端的PMDS支撑层和p型掺杂高导单晶硅层衬底，利用具有中间带特性的氧化锌/ 氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的竖直纳米线阵列作为光电吸收层；

在AZO透明导电薄膜和p型掺杂高导单晶硅层分别引出电极；氧掺杂碲化锌纳米线阵列高度为5～10μm，直径为100-300nm，氧掺杂碲化锌中氧扩散掺杂浓度为1-5％,扩散层厚度在20～100nm；碲化锌厚度为10～50nm；氧化锌、氧掺杂碲化锌、碲化锌三者形成同轴包覆结构，氧化锌在最外层；在高分辨率场发射扫描电子显微镜下观察，每平方微米衬底表面上能观察到的氧掺杂碲化锌纳米线数量应在2根以上。

制备方法：氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的纳米线阵列的物理气相沉积在多温区管式炉中完成；碲化锌源是粉末状碲化锌晶体，置于气流的上游并且位于管式炉的一个温区加热段的中央；沉积碲化锌纳米线的衬底置于碲化锌源的下游并且位于一个温区加热段中央或两加热段之间；沉积过程中多个加热段同时升温以保证管式炉内温度分布均匀恒定,且保证蒸发源温度维持在780～900℃，衬底温度维持在380～450℃，保温30 ～90分钟，制备出均匀无缺陷的碲化锌纳米线；沉积碲化锌所用催化剂金或者铋，由电子束蒸发或磁控溅射工艺，镀在用于沉积碲化锌的衬底上，再经退火形成直径25～100nm的颗粒；气相输运碲化锌的输运气体使用高纯氮气，流量由气体流量计精确控制在50～200sccm，由碲化锌源流向衬底；

衬底表面与气相输运碲化锌的气流呈50°～80°角；在完成碲化锌纳米线的沉积后，将管式炉内气氛置换为氧气与氮气的混合气，升温并维持在200～300℃，保温2～20小时。碲化锌纳米线的表面形成氧化锌层，同时氧扩散入碲化锌晶格，形成氧掺杂碲化锌层。三者形成氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌同轴包覆纳米线结构。氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌同轴包覆纳米线阵列通过对碲化锌纳米线阵列在氧气与氮气的混合气氛下退火制备而成。

PDMS层通过注塑工艺制备，包裹在氧掺杂碲化锌纳米线的底端，注塑之后，通过氧离子刻蚀露出纳米线的顶端；PDMS层的厚度以包裹纳米线阵列为准。经过脉冲激光沉积的n型AZO透光层厚度为2～10μm，AZO层包裹氧掺杂碲化锌纳米线的顶部，AZO层的透光率在85％以上，电阻率在10-4Ω·cm量级或者更低。氧掺杂碲化锌具有中间带能级，不仅可以吸收大于能量带隙的光子，还可以通过价带—中间带、中间带—导带的电子跃迁方式吸收能量较小的光子，同时纳米线结构使得光生电子空穴对在内建电场作用下的漂移距离大幅缩短，降低了光生电子空穴的复合几率从而增强太阳电池对光的吸收转换效率。

有益效果：掺杂碲化锌具有中间带能级，可以以较高的效率吸收光子并产生电子空穴对；同时纳米线结构减少了光生载流子的漂移距离，降低了光生载流子的复合几率，因而这种太阳电池的光电转换效率远高于传统太阳电池。本发明中中间带纳米线的使用，相对于常用薄膜吸收层，可以得到了更高的光电转换效率。实验表明由上述方法制备的太阳电池，具有更高的光电转换效率。