元素

52 碲 土地的元素

本文作者 漂泊

碲是一种重要的非金属元素,它可以用于改良很多合金的性能。此外,它的很多化合物也是重要的半导体材料,应用在电子工业的各个领域,碲化镉薄膜太阳能电池就是其中的代表之一。

 

碲的基本物理性质

分类 第ⅥA族▪非金属
原子序号原子量 52(127.6)
电子配置 5s25p4
密度 6.25g/cm 
熔点 452°C
沸点 1390°C
形状 银白色晶体
丰度 0.005ppm(地壳)
发现者 F.J.Müller von Reichenstein,M.H.Klaproth
主要的同位素 120Te,122Te, 123Te, 124Te, 125Te, 126Te, 128Te, 130Te
用途例 碲化镉薄膜太阳能电池、光电探测器
前后的元素 锑-碲-碘

碲的发现

1782年,奥地利首都维也纳一家矿场的监督Franz Joseph Müller von Reichenstein在罗马尼亚Zalatna附近的一个矿坑中发现当地人称为“奇异金”的一种矿石,他把这种矿石带回了实验室,并从中提取出了少量银灰色物质,最初他认为这是或铋(其实是碲化金,AuTe2。),但后来发现两者性质不同:他测定了这种物质的比重,当这种物质受热时会散发出胡萝卜味的白烟,与硫酸反应之后会得到红色的溶液,当溶液稀释时又会产生黑色沉淀,因此他确定其中含有一种新的元素。Müller在一个不著名的杂志上发表了他的发现,但是被当时的科学界忽视了。

直到16年后,德国矿物学家M.H.Klaproth于1798年1月25日在柏林科学院宣读一篇关于特兰西瓦尼亚的金矿论文时,才重新把这个被人遗忘已久的元素提出来。Klaproth是从金矿中提取出碲的,他将矿石溶解在王水中,用过量碱使溶液部分沉淀,除去金和铁等,在沉淀中发现这一新元素,并将其命名为tellurium(碲),元素符号定为Te。这一词来自拉丁文tellus(意为“土地”)。Klaproth一再申明,这一新元素是1782年由Müller发现的。[1-4]

单质碲

 

马丁·海因里希·克拉普罗特

Martin HeinrichKlaproth是一名德国药剂师,他出生在普鲁士萨克森的韦尼格罗德。他八岁时家里因遭受一场火灾而变得贫困。于是十六岁那年他给一位药剂师当学徒,开始了学习化学的道路。1782年,他成为了Ober-Collegium Medicum的药品评估员;1787年,他被任命为普鲁士皇家炮兵化学讲师;1810年,他又当选了化学教授。

Klaproth去世前德国当时主要的化学家之一。它最重要的贡献是1789年发现元素铀、锆,1808年发现元素铈,并确证、碲、铍、铬、钇等元素的存在。Klaproth也是分析化学的奠基人之一,著有《论矿物的化学特性》。后人为了纪念Klaproth,将月球上一座火山的火山口以他的名字命名。[5]

 Martin HeinrichKlaproth

 

碲化镉薄膜太阳能电池

碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池,它是一种以p型CdTe和n型Cd的异质结为基础的薄膜太阳能电池。CdTe材料具有理想的禁带宽度,很高的光吸收率以及很高的转换效率。CdTe的禁带宽度一般为1.47eV,其光谱响应太阳光谱非常匹配。另外,CdTe的吸收系数可见光范围高达104cm-1以上,95%的光子可在1μm厚的吸收层内被吸收。而碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率则可达28%。

第一个碲化镉薄膜太阳能电池是由RCA实验室在CdTe单晶上镀上In的合金制得的,其光电转换效率为2.1%。1982年,Kodak实验室用化学沉积法在P型的CdTe上制备一层超薄的CdS,制备了效率超过10%的异质结p-CdTe/n-CdS薄膜太阳能电池。这是现阶段碲化镉薄膜太阳能电池的原型。20世纪90年代初,碲化镉薄膜太阳能电池已实现了规模化生产,但市场发展缓慢,市场份额一直徘徊在1%左右。目前碲化镉薄膜太阳能电池在实验室中获得的最高光电转换效率已达到17.3%。

一般标准的碲化镉薄膜太阳能电池由五层结构组成:背电极、背接触层、CdTe吸收层、CdTe窗口层、TCO层,如图所示。目前的CdTe电池可以采用多种方法制备,近空间升华法、化学水浴沉积(CBD)、丝网印刷、溅射、蒸发等。一般的工业化和实验室都采用CBD的方法,这是因为CBD法的成本低和生成的CdS能够与TCO形成良好的致密连接。

由于镉具有一定的毒性,因此碲化镉薄膜太阳能电池的推广与使用受到了一定限制。[6-7]


碲化镉薄膜太阳能电池碲化镉太阳能电池结构

碲化镉薄膜太阳能电池制造过程

 

碲的工业应用

碲是一种重要的合金添加剂,它可以用于改善合金的切削加工性能,提高基合金的硬度和可塑性;在铸铁和钢材中加入0.03%-0.04%的碲则可以降低铸铁和钢材的氮吸收,改变钢材的晶粒,提高钢材的强度和抗蚀性能,在铸铁中添加0.001%-0.002%的碲可使其表面坚固耐磨,碲对铸铁的显微组织、结晶过程、机械性能等都有着不可忽视的影响。

碲对于电子电气工业来说也是一种非常重要的元素。在光电子行业,从红外线到紫外线光谱的激光器、发光二极管、光接收器等都运用到了ZnTe, CdTe, HgTe, HgCdTe等半导体材料。铅、锡、的碲化物对红外线辐射非常灵敏;而PbSnTe 和CdHgTe则是重要的红外光电材料;SeTe和SeAs合金在单位时间内的感光量较高;而CdTe则以其良好的吸光特性而被应用于光电系统。在照相制版与激光打印及复印的感光元件中,碲化物被用于制作光阻元件。

碲可以用作玻璃和陶瓷的着色剂,通过添加含碲的物质能生产出不同颜色的玻璃和陶瓷,还可以使银制器皿、铅和黄铜表面生成一层永久的精美黑色。与普通的硅酸盐玻璃相比较,碲玻璃具有折射率大、形变温度低、密度大以及红外透明等特点。含有一定量、硫和碲的玻璃在红外区域内具有良好的化学性能,较高的机械强度、较好的耐热性(软化点385℃)和耐热冲击等特点。碲玻璃的红外透明性能有助于在红外光学方面的应用,如用作红外窗等。加入碲还可使瓷釉呈粉红色。[8-11]

碲铜合金 含碲的光电子器件 碲玻璃

 

参考文献

[1] Rupprecht, von, A. (1783). “Über den vermeintlichen siebenbürgischen natürlichen Spiessglaskönig” [On the supposedly native antimony of Transylvania]. Physikalische Arbeiten der einträchtigen Freunde in Wien. 1 (1): 70–74.

[2] Müller, F. J. (1783). “Über den vermeintlichen natürlichen Spiessglaskönig”Physikalische Arbeiten der einträchtigen Freunde in Wien1 (1): 57–59.

[3]von Reichenstein, F. J. M. (1783). “Versuche mit dem in der Grube Mariahilf in dem Gebirge Fazebay bey Zalathna vorkommenden vermeinten gediegenen Spiesglaskönig” [Experiments with supposedly native antimony occurring in the Mariahilf mine in the Fazeby mountains near Zalathna]. Physikalische Arbeiten der einträchtigen Freunde in Wien1783 (1.Quartal): 63–69.

[4] Weeks, Mary Elvira (1932). “The discovery of the elements. VI. Tellurium and selenium”. Journal of Chemical Education. 9 (3): 474–485. Bibcode:1932JChEd…9..474Wdoi:10.1021/ed009p474.

[5]Hoppe, G; Damaschun F; Wappler G (April 1987). “[An appreciation of Martin Heinrich Klaproth as a mineral chemist]”. Pharmazie42 (4): 266–7. PMID 3303064.

[6]Fthenakis, Vasilis M.; Kim, Hyung Chul; Alsema, Erik (2008). “Emissions from Photovoltaic Life Cycles”. Environmental Science & Technology42 (6): 2168–2174. Bibcode:2008EnST…42.2168Fdoi:10.1021/es071763q.

[7] Zweibel, K. (2010). “The Impact of Tellurium Supply on Cadmium Telluride Photovoltaics”. Science. 328 (5979): 699–701. Bibcode:2010Sci…328..699Zdoi:10.1126/science.1189690PMID 20448173.

[8]Saha, Gopal B. (2001). “Cadmium zinc telluride detector”. Physics and radiobiology of nuclear medicine. New York: Springer. pp. 87–88. ISBN 978-0-387-95021-1.

[9]Capper, Peter; Elliott, C. T., eds. (2001). “Metalorganic vapour phase epitaxy”. Infrared detectors and emitters : materials and devices. Boston, Mass.: Kluwer Academic. pp. 265–267. ISBN 978-0-7923-7206-6.

[10] Willardson, R.K.; Beer, Albert C, eds. (1981). Mercury cadmium telluride. New York: Academic Press. ISBN 978-0-12-752118-3.

[11] Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.

 

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 铍 Beryllium -翡翠的成分、宇宙望远镜的反射镜材料
  2. 54 氙 麻醉剂的元素
  3. 氦 Helium -比空气轻! 超导磁体的冷却剂
  4. 36 氪 照明的元素
  5. 26 铁 血液的核心元素
  6. 周期表变成这种形状没问题吗?(一) H和He的位置
  7. 38 锶 矿泉水的元素
  8. 40 锆 宝石的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP