[發(fā)明專利]一種MgIn2S4基中間帶太陽能吸收材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810811994.3
• 申請(qǐng)日: 2018-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN109037373A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯書瀚;陳平;張棟棟
• 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: 胡永宏

本發(fā)明公開了一種MgIn₂S₄基中間帶太陽能吸收材料及其制備方法，化學(xué)式為MgIn_2?xSn_xS₄，0＜x＜2，采用真空固相反應(yīng)燒結(jié)工藝，通過在母體化合物MgIn₂S₄的In位摻雜元素Sn形成半滿中間帶而得；相比于傳統(tǒng)太陽能電池材料，上述材料增加了電子吸光路徑，增強(qiáng)了光吸收能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，涉及光學(xué)吸收增強(qiáng)新材料，具體涉及一種MgIn₂S₄基中間帶太陽能吸收材料及其制備方法。

背景技術(shù)

自工業(yè)革命以來，煤、石油、天然氣等化石能源已成為人類文明的主要能量來源。然而近代以來，傳統(tǒng)能源的儲(chǔ)備逐漸枯竭，污染問題日益嚴(yán)重，人類開始積極尋找替代能源。太陽能、風(fēng)能等新能源正在得到越來越大規(guī)模的開發(fā)普及。由于各種原因，新能源面對(duì)龐大的能源需求獨(dú)木難支，因此，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)能源會(huì)與新能源并存。在已開發(fā)的新能源中，太陽能是一種清潔、廉價(jià)的可再生能源，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。受制于現(xiàn)有太陽能電池技術(shù)，傳統(tǒng)單節(jié)太陽能電池S-Q極限效率只有33.7％，為了突破這一極限，有人提出了中間帶電池模型，計(jì)算得出聚光條件下極限效率可達(dá)63.1％。目前，中間帶太陽能電池的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，其制造工藝仍不成熟；且基于單晶硅、多晶硅的光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率較低，中間帶太陽能電池材料嚴(yán)重匱乏，這些問題制約著太陽能電池技術(shù)的發(fā)展，阻礙了太陽能電池的進(jìn)一步推廣。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，針對(duì)傳統(tǒng)太陽能電池效率低下以及中間帶半導(dǎo)體材料稀缺的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種MgIn₂S₄基中間帶太陽能吸收材料及其制備方法，選用禁帶較窄、可見光響應(yīng)范圍大的尖晶石型硫化物MgIn₂S₄作為受主材料，其光學(xué)吸收性能大大增強(qiáng)。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種MgIn₂S₄基中間帶太陽能吸收材料，化學(xué)式為MgIn_2-xSn_xS₄，0＜x＜2；通過在母體化合物MgIn₂S₄的In位摻雜元素Sn形成半滿中間帶而得。

進(jìn)一步地，所述MgIn₂S₄的吸收系數(shù)為1×10⁴-1×10⁵cm^-1，空間群為Fd-3m，帶隙為2.12-2.28eV。

第二方面，上述MgIn₂S₄基中間帶太陽能吸收材料的制備方法，包括：

稱取反應(yīng)原料并混合均勻，再依次經(jīng)真空封裝、真空固相反應(yīng)燒結(jié)，以及研磨后重復(fù)真空固相反應(yīng)燒結(jié)，即得；其中，所述真空固相反應(yīng)燒結(jié)的工藝參數(shù)包括：燒結(jié)真空度為1×10^-5Pa、燒結(jié)溫度為600-750℃、燒結(jié)時(shí)間為36-60h；所述反應(yīng)原料中，Mg、In、Sn和S的化學(xué)計(jì)量比為Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4，0＜x＜2。

進(jìn)一步地，所述燒結(jié)溫度為650-700℃，燒結(jié)時(shí)間為48h。

進(jìn)一步地，所述研磨時(shí)間為3-5min。

進(jìn)一步地，反應(yīng)原料包括單質(zhì)或二元化合物。

本發(fā)明的原理在于：以MgIn₂S₄為本體，在In位摻雜Sn元素調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，引入半滿中間帶，使得電子從價(jià)帶直接躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)電子吸收能量小于禁帶寬度的光子躍遷到中間帶再吸收一個(gè)低能光子躍遷到導(dǎo)帶，即兩個(gè)光子協(xié)同激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，拓寬吸收光譜。