CN110422874B - 一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种构建In2S3杂质带半导体的方法，以In2S3半导体为母体化合物，采用Ge元素掺杂In2S3半导体的In位，获得In2S3杂质带半导体。与现有技术相比，本发明采用性能优异的In2S3为基底材料，通过IV族元素Ge掺杂In2S3的In位，从而在母体带隙中引入一条杂质带，增加了电子的跃迁路径，拓宽了吸收光谱，增强了原材料的光学吸收，使其可以直接用作太阳能电池吸收材料，对太阳能源的发展具有实际意义；理论计算的In2S3与Ge掺杂In2S3的吸收光谱显示，本征半导体只有一个吸收边，掺入Ge后，出现新的吸收边，吸收曲线在低于带隙的能量区域开始显著增强；本发明中的Ge掺杂的In2S3半导体材料制备方法简单，可实现工业化的大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及新型半导体材料领域，尤其是涉及一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用。
背景技术
利用太阳能的方式很多，包括光热转换、光电转换以及光化学转换等等。在诸多太阳能利用方式中，最吸引人关注的是基于光电效应的太阳能电池。太阳能电池以半导体材料为媒介，实现光能与电能的转换。太阳能电池从其诞生之日到现在，已取得了蓬勃的发展，各种新结构、新材料的太阳能电池层出不穷。传统的硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池的半导体只能吸收带隙附近的光子，导致太阳能电池效率受到限制，严重制约了太阳能电池技术的进一步发展。
目前，应用最广泛的太阳能电池的半导体吸收层是以硅材料为主。由于电子能带结构的限制，传统的半导体只能吸收部分光子，对能量高于或低于带隙的光子不能有效利用，吸光能力有限，导致传统的太阳能电池光电转换效率有限。三硫化二铟(In2S3)是一种有潜力的Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，由于它具有较好的稳定性、透光性、合适的禁带宽度和良好的光传导特性，使其在光电和电化学太阳能电池中有很好的应用前景，但本征三硫化二铟半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件，需要通过对其改性实现其在太阳能吸收材料中的应用。
发明内容
本发明通过杂质能带工程对半导体材料In2S3的能带进行合理设计和“剪裁”，改变其能带构成组分，提出一种制备In2S3基杂质带半导体的方法，从而有效提升太阳能吸收，实现太阳能高效利用。
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用。
通过掺杂的手段在价带与导带之间引入一条杂质带，能增加电子的跃迁路经，使得电子不仅能从价带激发到导带，也能从价带激发到杂质带的空带以及从杂质带的满态激发到导带。这样在这三种激发过程能隙范围内的光子都能被该杂质带半导体材料吸收，从而更好的利用太阳光谱。杂质带半导体具有较高的理论转换效率，其太阳电池器件效率理论最优值可达到63.1％，是一种理想的太阳能电池吸收材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备In2S3杂质带半导体的方法，以In2S3半导体为母体化合物，采用Ge 元素掺杂In2S3半导体的In位，获得In2S3杂质带半导体。
进一步地，Ge的原子在In2S3中的掺杂率为6.25％。
进一步地，掺杂后形成的杂质带半导体具有新的光学吸收路径。
进一步地，掺杂的方法为，在固相烧结过程之前向In粉和S粉中加入Ge粉，混合均匀，之后再进行固相烧结。
进一步地，所述的固相烧结为真空固相烧结。
进一步地，烧结温度为800～900℃。
本发明中通过上述方法得到的In2S3杂质带半导体，其杂质带半导体具有孤立中间杂质带，费米能级穿越该杂质带。
进一步地，所述的杂质带由掺杂元素Ge-4s和S-3p杂化形成。
本发明中通过上述方法得到的In2S3杂质带半导体在光催化剂中的应用。
本发明中通过上述方法得到的In2S3杂质带半导体在高效太阳能电池吸收层中的应用。
本发明通过杂质能带工程对中等带隙半导体In2S3材料的能带进行合理设计和“剪裁”，改变其能带构成组分，从而形成孤立半占据的中间杂质带半导体材料，该材料可有效地提升太阳能吸收，实现太阳能高效利用。
为了提高In2S3半导体在太阳电池领域的综合性能，使其具有更好的光学吸收，本发明结合In2S3晶体本身的特点，使用掺杂的手段，提出了一种制备In2S3杂质带半导体的方法。具体为选取光电性能优良的In2S3半导体为母体化合物，采用Ge 元素掺杂In2S3半导体的In位，在价带与导带之间引入杂质带，构建了一种多能带宽光谱太阳能利用半导体。理论计算的电子结构证明了可以在In2S3母体带隙中形成新的中间电子态，其主要由掺杂元素Ge-4s和S-3p杂化形成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用性能优异的In2S3为基底材料，通过IV族元素Ge掺杂In2S3的 In位，从而在母体带隙中引入一条杂质带，增加了电子的跃迁路径，拓宽了吸收光谱，增强了原材料的光学吸收，使其可以直接用作太阳能电池吸收材料，对太阳能源的发展具有实际意义。
2)理论计算的In2S3与Ge掺杂In2S3的吸收光谱显示，本征半导体只有一个吸收边，掺入Ge后，出现新的吸收边，吸收曲线在低于带隙的能量区域开始显著增强，相比较本征In2S3半导体，实现了太阳能多带隙吸收，进一步证明了杂质带的形成有利于光学吸收性能的增强。
3)本发明中的Ge掺杂的In2S3半导体材料制备方法简单，可实现工业化的大规模生产。
附图说明
图1为In2S3的能带结构图。
图2为本发明中Ge掺杂In2S3的能带结构图。
图3为本发明中理论计算的In2S3与Ge掺杂In2S3的吸收光谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明中In2-xGexS3(x根据掺杂率进行合理设置)样品都是通过真空固相反应烧结而成。按化学计量比将In粒，S粉，Ge粉真空封装于石英管中，缓慢升温至 850℃并保温24小时以上，最后样品随炉冷却，获得Ge元素掺杂In2S3半导体 In2-xGexS3。
本发明以In2S3为母体，通过在In位掺杂Ge元素调控其能带结构，引入中间杂质带，从而使得电子不仅能从价带直接跃迁到导带也能使电子吸收能量小于禁带宽度的光子跃迁到杂质带再吸收一个低能光子跃迁到导带，从而拓宽吸收光谱。
In2S3及其掺杂体系的电子能带结构计算采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法获得。第一性原理方法运用量子力学的基本原理，不需要任何其它的可调参数，从电子运动的角度研究物质结构和性质。可以计算晶体的几何结构参数、总能量、电子结构、磁结构、光学性质等基本属性。具体实施方式可以分为以下几步：
1)模型构建
在电子计算之前，首先需要建立掺杂模型。掺杂计算模型采取In2S3单胞结构模型，该结构中包含有40个原子。用一个Ge原子掺杂代替原胞中的一个In原子，对应的掺杂含量为6.25％。
2)模型优化
模型建立完成之后，进行结构优化，获得基态结构。结构优化时的布里渊区k 点取样采用了2×2×2的Monkhorst-Pack网格。在所有的计算中，平面波截断能设置为400eV。总能收敛到10-5eV/atom和Hellmann-Feynman力小于
计算完成。
3)电子结构与光学性质计算与分析
以获得基态结构为基础，计算体系的电子能带结构与光学性质，并对数据结果进行分析。
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合附图对本发明的具体结果进行具体描述。
附图1为In2S3的能带结构图。在导带与价带之间并没有杂质带，且光学吸收带隙在1.95eV，与实验值2eV接近，说明计算结果具有非常高的精度。
附图2为Ge掺杂In2S3的能带结构图。从图可以看出，Ge掺杂在受主带隙中引入一条孤立的半占据杂质带，其中费米能级穿越杂质带。正是因为杂质中间带的引入，使电子多了从价带跃迁到杂质中间带以及从杂质中间带跃迁到导带的2条激发路径。
附图3为理论计算的In2S3与Ge掺杂In2S3的吸收光谱。吸收光谱显示，本征半导体只有一个吸收边。掺入Ge后，出现新的吸收边，吸收曲线在低于带隙的能量区域开始显著增强。相比较本征In2S3半导体，实现了太阳能多带隙吸收，进一步证明了杂质带的形成有利于光学吸收性能的增强。
本发明通过杂质能带工程对半导体材料In2S3的能带进行合理设计和“剪裁”，改变其能带构成组分，利用Ge元素掺杂In2S3的In位，形成半占据的杂质带半导体。增加电子的跃迁路径，实现了太阳能的高效利用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种制备In2S3杂质带半导体的方法，其特征在于，以In2S3半导体为母体化合物，采用Ge元素掺杂In2S3半导体的In位，获得In2S3杂质带半导体，所述的杂质带半导体具有孤立中间杂质带，费米能级穿越该杂质带，所述的杂质带由掺杂元素Ge-4s和S-3p杂化形成。
2.根据权利要求1所述的一种制备In2S3杂质带半导体的方法，其特征在于，Ge的原子在In2S3中的掺杂率为6.25%。
3.根据权利要求1所述的一种制备In2S3杂质带半导体的方法，其特征在于，掺杂的方法为，在固相烧结过程之前向In粉和S粉中加入Ge粉，混合均匀，之后再进行固相烧结。
4.根据权利要求3所述的一种制备In2S3杂质带半导体的方法，其特征在于，所述的固相烧结为真空固相烧结。
5.根据权利要求4所述的一种制备In2S3杂质带半导体的方法，其特征在于，烧结温度为800~900℃。
6.一种权利要求1中方法得到的In2S3杂质带半导体在高效太阳能电池吸收层中的应用。
7.一种权利要求1中方法得到的In2S3杂质带半导体在光催化剂中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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