[發(fā)明專利]一種寬光譜太陽(yáng)能吸收半導(dǎo)體及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611151273.1
• 申請(qǐng)日: 2016-12-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106784067A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳平;張華;馬學(xué)亮;王永存
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電機(jī)學(xué)院
• 主分類號(hào): H01L31/032
• 分類號(hào): H01L31/032
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31227
• 代理人: 余晨波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電功能材料和光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種寬光譜太陽(yáng)能吸收半導(dǎo)體及其制備方法。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能是人類賴以生存的能源，如生物能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能。與煤、石油、天然氣等非可再生常規(guī)能源相比，太陽(yáng)能有著資源豐富、清潔無(wú)污染、不受地域限制使用方便等優(yōu)點(diǎn)。利用太陽(yáng)能的方式很多，最吸引人關(guān)注的是基于光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的太陽(yáng)能電池。

把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因此又稱為太陽(yáng)能光伏技術(shù)。用于太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個(gè)P-N結(jié)，這就是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的一個(gè)主要部分。電子吸收光子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生載流子并形成電流。一般希望太陽(yáng)能電池具有高的轉(zhuǎn)換效率，但對(duì)于傳統(tǒng)單帶隙半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，缺點(diǎn)：太陽(yáng)光譜中能量小于帶寬的光子無(wú)法被半導(dǎo)體吸收，造成太陽(yáng)能電池效率受到限制。根據(jù)Shockley-Queisser(S-Q)極限效率分析，單個(gè)pn結(jié)太陽(yáng)電池在全聚光條件下的最高轉(zhuǎn)換效率為40.7％。因此，高質(zhì)高效的吸收利用太陽(yáng)光譜，可進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)在傳統(tǒng)單帶半導(dǎo)體帶隙中引入半滿雜質(zhì)中間帶后，電子不僅能從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，也能從價(jià)帶激發(fā)到中間帶的空帶以及從中間帶的滿態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶。在這三種激發(fā)過(guò)程能隙范圍內(nèi)的光子都能被該半導(dǎo)體材料吸收，從而更好的利用太陽(yáng)光譜并提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。

到目前為止，具有寬光譜太陽(yáng)能吸收的半導(dǎo)體材料種類仍很稀少，嚴(yán)重制約了太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展。

本發(fā)明就是為了解決以上問(wèn)題而進(jìn)行的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有寬光譜太陽(yáng)能吸收特征，能很好的滿足高效率雜質(zhì)帶電池對(duì)帶隙的要求，摻雜元素比例可以調(diào)節(jié)，合成方法簡(jiǎn)單可控，易于宏量制備的一種寬光譜太陽(yáng)能吸收半導(dǎo)體及其制備方法。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明所述寬光譜太陽(yáng)能吸收半導(dǎo)體的化學(xué)通式為CdIn_2-xFe_xS₄的化合物，其中0＜x＜2；

進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體的母體半導(dǎo)體為CdIn₂S₄三元化合物，三元化合物CdIn₂S₄中的部分In原子被Fe原子取代形成半導(dǎo)體CdIn_2-xFe_xS₄；

更進(jìn)一步的，半導(dǎo)體CdIn_2-xFe_xS₄中優(yōu)化的Fe摻雜濃度在0％-10％at之間；

本發(fā)明還提供一種制備CdIn_2-xFe_xS₄半導(dǎo)體材料的真空固態(tài)反應(yīng)燒結(jié)方法，其制備過(guò)程主要包括如下步驟：

步驟一：首先按照化學(xué)計(jì)量比將反應(yīng)原料真空封裝于石英玻璃管中；

步驟二：將石英玻璃管放入程序控溫馬弗爐中，緩慢升溫至第一目標(biāo)溫度，并保溫?zé)Y(jié)第一預(yù)定時(shí)間，最后樣品隨爐冷卻至室溫；

步驟三：將所得樣品在瑪瑙研缽中研磨并重新真空封裝，升溫至第二目標(biāo)溫度再次保溫?zé)Y(jié)第二預(yù)定時(shí)間，得到最終的樣品；

具體的，升溫速率為2℃/分鐘；

第一目標(biāo)溫度為700-800℃，所述第一預(yù)定時(shí)間為24-48小時(shí)；

第二目標(biāo)溫度為700-800℃，所述第一預(yù)定時(shí)間為48-72小時(shí)；

優(yōu)選地，抽真空采用抽真空-充氬氣-抽真空操作流程(三次)，保證氧氣含量足夠低；

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟一中的反應(yīng)原料為單質(zhì)；

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟一中的反應(yīng)原料為二元化合物；

對(duì)制備的樣品，進(jìn)行結(jié)構(gòu)物相與光學(xué)性能表征，樣品X射線衍射圖譜在Bruker D8 ADVANCE X射線衍射儀測(cè)得，采用CuKα1射線(0.15405nm)，掃描電壓為40kV，掃描電流為40mA，樣品紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜由在Hitachi U4100 UV-Vis-NIR分光光度計(jì)上測(cè)得。