CN106784067A - 一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述宽光谱太阳能吸收半导体的化学通式为CdIn2‑xFexS4化合物，其中0＜x＜2；进一步的，所述半导体的母体半导体为CdIn2S4三元化合物，三元化合物CdIn2S4中的部分In原子被Fe原子取代形成半导体CdIn2‑xFexS4；半导体CdIn2‑xFexS4利用过渡族原子Fe在八面体晶体场中产生轨道劈裂，从而在带隙中形成杂质能级，具有宽光谱太阳能吸收特征；母体半导体CdIn2S4是一种尖晶石结构半导体化合物，其带隙为2.2eV，很好的满足高效率杂质带电池对带隙的要求(2.0‑2.5eV)；掺杂元素比例可以调节；合成方法简单可控，易于宏量制备。
Description
技术领域
本发明涉及光电功能材料和光伏电池技术领域，尤其是一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法。
背景技术
太阳能是人类赖以生存的能源，如生物能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。与煤、石油、天然气等非可再生常规能源相比，太阳能有着资源丰富、清洁无污染、不受地域限制使用方便等优点。利用太阳能的方式很多，最吸引人关注的是基于光电转换效应的太阳能电池。
把太阳辐射能转换成电能通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此又称为太阳能光伏技术。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P-N结，这就是传统太阳能电池的一个主要部分。电子吸收光子从价带跃迁到导带，从而产生光生载流子并形成电流。一般希望太阳能电池具有高的转换效率，但对于传统单带隙半导体来说，缺点：太阳光谱中能量小于带宽的光子无法被半导体吸收，造成太阳能电池效率受到限制。根据Shockley-Queisser(S-Q)极限效率分析，单个pn结太阳电池在全聚光条件下的最高转换效率为40.7％。因此，高质高效的吸收利用太阳光谱，可进一步提高太阳能电池的光电转换效率。当在传统单带半导体带隙中引入半满杂质中间带后，电子不仅能从价带激发到导带，也能从价带激发到中间带的空带以及从中间带的满态激发到导带。在这三种激发过程能隙范围内的光子都能被该半导体材料吸收，从而更好的利用太阳光谱并提高光伏电池的转换效率。
到目前为止，具有宽光谱太阳能吸收的半导体材料种类仍很稀少，严重制约了太阳能电池技术的发展。
本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种具有宽光谱太阳能吸收特征，能很好的满足高效率杂质带电池对带隙的要求，掺杂元素比例可以调节，合成方法简单可控，易于宏量制备的一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明所述宽光谱太阳能吸收半导体的化学通式为CdIn2-xFexS4的化合物，其中0＜x＜2；
进一步的，所述半导体的母体半导体为CdIn2S4三元化合物，三元化合物CdIn2S4中的部分In原子被Fe原子取代形成半导体CdIn2-xFexS4；
更进一步的，半导体CdIn2-xFexS4中优化的Fe掺杂浓度在0％-10％at之间；
本发明还提供一种制备CdIn2-xFexS4半导体材料的真空固态反应烧结方法，其制备过程主要包括如下步骤：
步骤一：首先按照化学计量比将反应原料真空封装于石英玻璃管中；
步骤二：将石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，缓慢升温至第一目标温度，并保温烧结第一预定时间，最后样品随炉冷却至室温；
步骤三：将所得样品在玛瑙研钵中研磨并重新真空封装，升温至第二目标温度再次保温烧结第二预定时间，得到最终的样品；
具体的，升温速率为2℃/分钟；
第一目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为24-48小时；
第二目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为48-72小时；
优选地，抽真空采用抽真空-充氩气-抽真空操作流程(三次)，保证氧气含量足够低；
在一个实施例中，步骤一中的反应原料为单质；
在一个实施例中，步骤一中的反应原料为二元化合物；
对制备的样品，进行结构物相与光学性能表征，样品X射线衍射图谱在Bruker D8ADVANCE X射线衍射仪测得，采用CuKα1射线(0.15405nm)，扫描电压为40kV，扫描电流为40mA，样品紫外-可见-近红外吸收光谱由在Hitachi U4100 UV-Vis-NIR分光光度计上测得。
本发明的优点在于：半导体CdIn2-xFexS4利用过渡族原子Fe在八面体晶体场中产生轨道劈裂，从而在带隙中形成杂质能级，具有宽光谱太阳能吸收特征；母体半导体CdIn2S4是一种尖晶石结构半导体化合物，其带隙为2.2eV，很好的满足高效率杂质带电池对带隙的要求(2.0-2.5eV)；掺杂元素比例可以调节；合成方法简单可控，易于宏量制备。
附图说明
图1是本发明提出的半导体CdIn2-xFexS4(x＝0,0.05,0.1)系列样品的XRD图谱。
图2是本发明提出的半导体CdIn2-xFexS4(x＝0,0.05,0.1)系列样品的UV-vis-NIR吸收光谱。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
参照图1、图2所示，该本发明所述宽光谱太阳能吸收半导体的化学通式为CdIn2- xFexS4的化合物，其中0＜x＜2；
进一步的，所述半导体的母体半导体为CdIn2S4三元化合物，三元化合物CdIn2S4中的部分In原子被Fe原子取代形成半导体CdIn2-xFexS4；
更进一步的，半导体CdIn2-xFexS4中Fe的掺杂浓度在0％-10％at之间；
本发明还提供一种制备CdIn2-xFexS4半导体材料的真空固态反应烧结方法，其制备过程主要包括如下步骤：
步骤一：首先按照化学计量比将反应原料真空封装于石英玻璃管中；
步骤二：将石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，缓慢升温至第一目标温度，并保温烧结第一预定时间，最后样品随炉冷却至室温；
步骤三：将所得样品在玛瑙研钵中研磨并重新真空封装，升温至第二目标温度再次保温烧结第二预定时间，得到最终的样品；
具体的，升温速率为2℃/分钟；
第一目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为24-48小时；
第二目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为48-72小时；
优选地，抽真空采用抽真空-充氩气-抽真空操作流程(三次)，保证氧气含量足够低。
实施例一，步骤一中的反应原料为单质，将Cd粉(99.99％)，In粒(99.999％)，S粉(99.999％)，Fe粉(99.99％)按照CdIn2-xFexS4(x＝0，0.05，0.1)的化学计量比称量，将反应原料放入石英玻璃管中，并将石英玻璃管用氢氧焰熔封。将熔封的石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，以2℃/分钟速率缓慢升温至目标温度750℃并保温48小时，最后样品随炉冷却至室温。开管后将所得样品于玛瑙研钵中研磨再真空封装，在目标温度750℃再次烧结并保温48小时，样品随炉冷却至室温。开管后得到目标粉体样品，用于测试和表征。
样品X射线衍射图谱显示获得了纯相的多晶样品，如附图1；材料结晶性良好。样品紫外-可见-近红外吸收光谱显示Fe掺杂的样品具有宽光谱太阳能吸收能力，如附图2。
实施例二，步骤一中的反应原料为二元化合物In2S3，采用In粒(99.999％)，S粉(99.999％)按照In2S3化学计量比称量配料，初始反应原料置于石英玻璃管，抽真空并用用氢氧焰熔封，800℃烧结后研磨并再次熔封烧结得到二元化合物In2S3，采用自行制备的In2S3二元化合物，S粉(99.999％)，Fe粉(99.99％)按照CdIn2-xFexS4(x＝0，0.05，0.1)的化学计量比称量，并于玛瑙研钵中研磨，随后将反应原料置于石英玻璃管中，将石英玻璃管抽真空后用氢氧焰熔封。将熔封的石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，以2℃/分钟速率缓慢升温至目标温度750℃并保温48小时，最后样品随炉冷却至室温。开管后将所得样品于玛瑙研钵中研磨再真空封装，在目标温度750℃再次烧结并保温48小时，样品随炉冷却至室温，开管后得到目标粉体样品，用于测试和表征，样品紫外-可见-近红外吸收光谱同实施例一，具有宽光谱太阳能吸收能力。
半导体CdIn2-xFexS4利用过渡族原子Fe在八面体晶体场中产生轨道劈裂，从而在带隙中形成杂质能级，具有宽光谱太阳能吸收特征；母体半导体CdIn2S4是一种尖晶石结构半导体化合物，其带隙为2.2eV，很好的满足高效率杂质带电池对带隙的要求(2.0-2.5eV)；掺杂元素比例可以调节；合成方法简单可控，易于宏量制备。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种宽光谱太阳能吸收半导体，其特征在于，所述半导体的化学分子式为CdIn2- xFexS4，式中0<x<2。
2.如权利要求1所述的一种宽光谱太阳能吸收半导体，其特征在于，所述半导体的母体半导体为CdIn2S4三元化合物，三元化合物CdIn2S4中的部分In原子被Fe原子取代形成半导体CdIn2-xFexS4。
3.如权利要求1所述的一种宽光谱太阳能吸收半导体，其特征在于，半导体CdIn2-xFexS4中优化的Fe掺杂浓度在0％-10％at之间。
4.一种制造根据权利要求1所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，其制备工艺包括下列步骤：
步骤一：首先按照化学计量比将反应原料真空封装于石英玻璃管中；
步骤二：将石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，缓慢升温至第一目标温度，并保温烧结第一预定时间，最后样品随炉冷却至室温；
步骤三：将所得样品在玛瑙研钵中研磨并重新真空封装，升温至第二目标温度再次保温烧结第二预定时间，得到最终的样品。
5.如权利要求4所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，第一目标温度是700-800℃，第一预定时间是24-48小时。
6.如权利要求4所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，第二目标温度为700-800℃，第二预定时间为48-72小时。
7.如权利要求4所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，步骤一中反应原料为单质。
8.如权利要求4所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，步骤一中反应原料为二元化合物。
9.如权利要求4所述的宽光谱太阳能吸收半导体的制造方法，其特征在于，石英玻璃管抽真空采用抽真空-充氩气-抽真空操作流程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170531 |
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