CN109037373A - 一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 - Google Patents
一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109037373A CN109037373A CN201810811994.3A CN201810811994A CN109037373A CN 109037373 A CN109037373 A CN 109037373A CN 201810811994 A CN201810811994 A CN 201810811994A CN 109037373 A CN109037373 A CN 109037373A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mgin
- preparation
- sintering
- solar energy
- base intermediate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 17
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 9
- 229910017911 MgIn Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 238000009461 vacuum packaging Methods 0.000 claims description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000000584 ultraviolet--visible--near infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000004298 light response Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000001420 photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0321—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 characterised by the doping material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
本发明公开了一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法，化学式为MgIn2‑xSnxS4，0＜x＜2，采用真空固相反应烧结工艺，通过在母体化合物MgIn2S4的In位掺杂元素Sn形成半满中间带而得；相比于传统太阳能电池材料，上述材料增加了电子吸光路径，增强了光吸收能力。
Description
技术领域
本发明属于新型半导体材料领域，涉及光学吸收增强新材料，具体涉及一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法。
背景技术
自工业革命以来，煤、石油、天然气等化石能源已成为人类文明的主要能量来源。然而近代以来，传统能源的储备逐渐枯竭，污染问题日益严重，人类开始积极寻找替代能源。太阳能、风能等新能源正在得到越来越大规模的开发普及。由于各种原因，新能源面对庞大的能源需求独木难支，因此，在相当长的时间内，传统能源会与新能源并存。在已开发的新能源中，太阳能是一种清洁、廉价的可再生能源，具有非常广泛的应用前景。受制于现有太阳能电池技术，传统单节太阳能电池S-Q极限效率只有33.7％，为了突破这一极限，有人提出了中间带电池模型，计算得出聚光条件下极限效率可达63.1％。目前，中间带太阳能电池的发展仍处于初级阶段，其制造工艺仍不成熟；且基于单晶硅、多晶硅的光伏电池光电转换效率较低，中间带太阳能电池材料严重匮乏，这些问题制约着太阳能电池技术的发展，阻碍了太阳能电池的进一步推广。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，针对传统太阳能电池效率低下以及中间带半导体材料稀缺的问题，本发明的目的在于提供一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法，选用禁带较窄、可见光响应范围大的尖晶石型硫化物MgIn2S4作为受主材料，其光学吸收性能大大增强。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料，化学式为MgIn2-xSnxS4，0＜x＜2；通过在母体化合物MgIn2S4的In位掺杂元素Sn形成半满中间带而得。
进一步地，所述MgIn2S4的吸收系数为1×104-1×105cm-1，空间群为Fd-3m，带隙为2.12-2.28eV。
第二方面，上述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料的制备方法，包括：
称取反应原料并混合均匀，再依次经真空封装、真空固相反应烧结，以及研磨后重复真空固相反应烧结，即得；其中，所述真空固相反应烧结的工艺参数包括：烧结真空度为1×10-5Pa、烧结温度为600-750℃、烧结时间为36-60h；所述反应原料中，Mg、In、Sn和S的化学计量比为Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4，0＜x＜2。
进一步地，所述烧结温度为650-700℃，烧结时间为48h。
进一步地，所述研磨时间为3-5min。
进一步地，反应原料包括单质或二元化合物。
本发明的原理在于：以MgIn2S4为本体，在In位掺杂Sn元素调控其能带结构，引入半满中间带，使得电子从价带直接跃迁到导带，同时电子吸收能量小于禁带宽度的光子跃迁到中间带再吸收一个低能光子跃迁到导带，即两个光子协同激发产生电子空穴对，拓宽吸收光谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以MgIn2-xSnxS4为组分，利用Sn掺杂MgIn2S4引入中间能带后，吸收曲线大约从0.7eV附近开始升高，在1.8eV达到第一个拐点后缓慢上升并出现第二个吸收边，相比于传统太阳能电池材料，该材料增加了电子吸光路径，增强了光吸收能力。
附图说明
图1为MgIn2S4的晶体结构示意图；
图2为MgIn2-xSnxS4的XRD图谱；
图3为MgIn1.9Sn0.1S4样品中Sn的3dXPS谱；
图4为MgIn2-xSnxS4样品的UV-Vis-NIR吸收光谱。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
MgIn2-xSnxS4样品的制备方法，具体为：
步骤一、将Mg粉(4N)、In粒(5N)、S(5N)粉和Sn粉(4N)按化学计量比Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4(0＜x＜2)混合均匀后，真空封装于石英玻璃管。
步骤二、将封装后的石英玻璃管置于马弗炉中烧结(烧结温度为600-750℃)，将所得样品在玛瑙研钵中研磨后重新真空封装。
步骤三、将研磨后的样品再次置于马弗炉中烧结48h(烧结温度600-750℃)，最后再次研磨，即得。
实施例1-3
按照上述步骤一-步骤三分别制备MgIn2S4、MgIn1.9Sn0.1S4、MgIn1.95Sn0.05S4样品，实施例1-3中Mg粉(4N)、In粒(5N)、S(5N)粉和Sn粉(4N)的化学计量比为Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4，实施例1-3中分别取x＝0，0.05，0.1；其中，制备MgIn2S4样品时，烧结温度为600℃，烧结时间为48h，研磨时间为3min；制备MgIn1.95Sn0.05S4样品时，烧结温度为700℃，烧结时间为36h，研磨时间为5min；制备MgIn1.9Sn0.1S4样品时，烧结温度为750℃，烧结时间为60h，研磨时间为4min。
参见附图1，为MgIn2S4的晶体结构，其吸收系数为1×104-1×105cm-1，空间群为Fd-3m，带隙为2.12-2.28eV。
参见附图2，微观形貌与元素面参数由SEM(JEOLJSM-6510，20kV)测得，XRD图谱采用CuKα1(0.15405nm)射线测得，扫描电压为40KV，扫描电流为40mA；将实施例1-3中样品的XRD图谱经与衍射峰标准卡片(JCPDS#31-0792)比较，证明所得样品均为纯相。
参见附图3，对实施例3中所得MgIn1.9Sn0.1S4样品进行光电子能谱分析，确认材料的化学组成为Mg、In、S、Sn四种元素。
参加附图4，从UV-Vis-NIR吸收光谱可知，本征样品吸收由2eV开始急剧增强，掺入Sn后，吸收从0.7eV开始增强，1.8eV附近达到第一个拐点，经一段缓慢上升后出现第二个吸收边，且Sn掺杂后的样品中检测到一条吸收带出现，第二条吸收边的出现正是因为引入的中间带使电子多了一条从价带跃迁到中间带再吸收一个低能光子跃迁到导带的激发路径。
以上为本发明的较佳实施例，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料，化学式为MgIn2-xSnxS4，0＜x＜2，通过在母体化合物MgIn2S4的In位掺杂元素Sn形成半满中间带而得。
2.如权利要求1所述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料，其特征在于，所述MgIn2S4的吸收系数为1×104-1×105cm-1，空间群为Fd-3m，带隙为2.12-2.28eV。
3.如权利要求1或2所述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：按化学计量比将Mg、In、Sn和S的反应原料混合均匀，再依次经真空封装、真空固相反应烧结、以及研磨后重复真空固相反应烧结，即得；其中，
所述真空固相反应烧结的工艺参数包括：真空度为1×10-5Pa、烧结温度为600-750℃、烧结时间为36-60h。
4.如权利要求3所述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为650-700℃，烧结时间为48h。
5.如权利要求3所述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，所述研磨时间为3-5min。
6.如权利要求3所述MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料的制备方法，其特征在于，反应原料包括单质或二元化合物，且所述反应原料中Mg、In、Sn和S的化学计量比为Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4，0＜x＜2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810811994.3A CN109037373A (zh) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810811994.3A CN109037373A (zh) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109037373A true CN109037373A (zh) | 2018-12-18 |
Family
ID=64645202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810811994.3A Pending CN109037373A (zh) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109037373A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110422874A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-08 | 上海电机学院 | 一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用 |
| CN111847508A (zh) * | 2019-04-24 | 2020-10-30 | 上海电机学院 | 一种In基半导体材料及制备方法和应用 |
| CN112201710A (zh) * | 2019-06-19 | 2021-01-08 | 上海电机学院 | 一种减小硫化铟半导体光学带隙的方法 |
| CN112466975A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-09 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 光伏器件 |
| CN113751026A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 上海市普陀区人民医院(上海纺织第一医院) | 一种超薄CaIn2S4纳米片光催化材料及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070099359A1 (en) * | 2005-04-13 | 2007-05-03 | Klimov Victor I | Carrier multiplication in quantum-confined semiconductor materials |
| CN108054241A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-18 | 上海电机学院 | 一种增强CdIn2S4光学吸收的方法 |
| CN108091710A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-29 | 上海电机学院 | 一种中间带太阳能吸收半导体及其制备方法 |
| JP2018085221A (ja) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | 株式会社豊田自動織機 | リチウムイオン二次電池 |
-
2018
- 2018-07-23 CN CN201810811994.3A patent/CN109037373A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070099359A1 (en) * | 2005-04-13 | 2007-05-03 | Klimov Victor I | Carrier multiplication in quantum-confined semiconductor materials |
| JP2018085221A (ja) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | 株式会社豊田自動織機 | リチウムイオン二次電池 |
| CN108054241A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-18 | 上海电机学院 | 一种增强CdIn2S4光学吸收的方法 |
| CN108091710A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-29 | 上海电机学院 | 一种中间带太阳能吸收半导体及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MARIANO MARINELLI等: "Structural and electronic properties of spinel semiconductors: An ab initio pseudopotential study of MgIn2S", 《PHYSICAL REVIEW. B. CONDENSED MATTER》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111847508A (zh) * | 2019-04-24 | 2020-10-30 | 上海电机学院 | 一种In基半导体材料及制备方法和应用 |
| CN111847508B (zh) * | 2019-04-24 | 2022-11-18 | 上海电机学院 | 一种In基半导体材料及制备方法和应用 |
| CN112201710A (zh) * | 2019-06-19 | 2021-01-08 | 上海电机学院 | 一种减小硫化铟半导体光学带隙的方法 |
| CN110422874A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-08 | 上海电机学院 | 一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用 |
| CN110422874B (zh) * | 2019-07-31 | 2021-12-28 | 上海电机学院 | 一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用 |
| CN112466975A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-09 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 光伏器件 |
| CN112466975B (zh) * | 2020-11-19 | 2023-05-05 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 光伏器件 |
| CN113751026A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-07 | 上海市普陀区人民医院(上海纺织第一医院) | 一种超薄CaIn2S4纳米片光催化材料及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109037373A (zh) | 一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法 | |
| Myong et al. | Improvement of pin-type amorphous silicon solar cell performance by employing double silicon-carbide p-layer structure | |
| Ye et al. | Stabilizing the black phase of cesium lead halide inorganic perovskite for efficient solar cells | |
| Vanalakar et al. | Synthesis of cadmium sulfide spongy balls with nanoconduits for effective light harvesting | |
| US20230070055A1 (en) | Precursor solution for copper-zinc-tin-sulfur thin film solar cell, preparation method therefor, and use thereof | |
| JP5888240B2 (ja) | 化合物半導体 | |
| JP2011146594A (ja) | 光電素子用バッファ層及びその製造方法、並びに、光電素子 | |
| JP5564688B2 (ja) | Ｃｚｔｓ系半導体用ｃｂｄ溶液、ｃｚｔｓ系半導体用バッファ層の製造方法及び光電素子 | |
| CN102306685B (zh) | 一种铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的低成本制备方法 | |
| JP2015233139A (ja) | 原子層蒸着法で形成されたバッファ層を含む太陽電池、及び、その製造方法 | |
| CN107799316B (zh) | 一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法及其应用 | |
| CN106784067A (zh) | 一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法 | |
| CN102275980B (zh) | Cu2ZnSnS4或Cu2CdSnS4纳米晶薄膜的水浴制备方法 | |
| Zheng et al. | An effective air heat-treatment strategy of precursor films in search of high open-circuit voltage for efficient CZTSSe cells | |
| CN108417649B (zh) | 一种氧化锡基太阳能电池纳米材料的制备方法及应用 | |
| CN110422874B (zh) | 一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用 | |
| CN108878658B (zh) | 一种基于金属离子掺杂二氧化钛间隔层的光稳定钙钛矿太阳电池及其制备方法 | |
| Konagai et al. | High-rate deposition of silicon thin-film solar cells by the hot-wire cell method | |
| EP2798676B1 (en) | Photovoltaic conversion device and method of manufacturing photovoltaic conversion material | |
| CN110422873B (zh) | 一种AgGaS2基中间带半导体材料及其制备方法 | |
| CN112563118B (zh) | In掺杂CdS薄膜、制备方法及制备的CIGS电池 | |
| Chantana et al. | Micro-scale current path distributions of Zn1-xMgxO-coated SnO2: F transparent electrodes prepared by sol-gel and sputtering methods in perovskite solar cells | |
| CN111847508B (zh) | 一种In基半导体材料及制备方法和应用 | |
| CN111863986B (zh) | 一种Cu基半导体材料及其制备方法和应用 | |
| CN113511672B (zh) | 一种铬掺杂硫镓银晶体实现多光子吸收的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| 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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181218 |