[发明专利]硫化锌基光谱转换剂、硫化锌基光谱转换薄膜及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料、新能源材料领域，特别涉及光谱转换剂、光谱转换薄膜及其应用。 

背景技术

在本发明是一种用于薄膜光伏电池上且具有光致发光薄膜的制备方法，在铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏电池和铜锌锡硫（CZTS）薄膜光伏电池中，硫化镉CdS薄膜因与吸收层有良好的晶格匹配性而被广泛的应用于薄膜电池的缓冲层，但由于含有重金属镉离子，这种薄膜电池在使用过程中往往会使镉泄露到环境中去，破坏生态环境，由于Cd的存在，这种电池的回收后处理困难。 

在所有取代CdS薄膜作缓冲层的材料中，硫化锌ZnS是无Cd缓冲层电池中转换效率最高的一种，这是由于ZnS的禁带宽度为3.6～3.8eV，比CdS（2.42eV）宽，吸收边蓝移不仅可以提高短路电流，还有利于薄膜电池获得短波区的光谱响应，而且晶格常数与吸收层CIGS更加匹配。 

现有的技术中有以光谱转换提高电池的光电转换效率的研究，该技术利用光谱转换用于晶硅太阳能电池，缺点在于太阳能电池表面光谱转换层的添加相当于聚光的作用，虽然能提高量子响应的范围，但电池最外层添加光谱转换层削弱了太阳光进入电池中的能量。而ZnS是Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带（3.37eV）半导体材料，0K时，ZnS的禁带宽度为325nm，300K时，由于热平衡声子填充，其有效带隙为339nm，ZnS的能带特点使之成为良好的基质材料，可增大吸收层的太阳光量子光谱响应范围。 

关于制备掺杂型硫化锌的报道很多，如曹立新的“制备条件对ZnS:Mn纳米晶晶体结构和发光性质的影响，《功能材料》2008年第2期(39)卷”和刘洋的“ZnS:Mn²⁺纳米棒的结构及光学性能研究，《吉林师范大学学报(自然科学版)》2010年2月第1期”，这种掺杂型硫化锌材料被广泛用于液晶照明、电致发光装置、红外窗材料等领域；关于真空制备硫化锌薄膜的技术也有报道，像李炜的“真空蒸发硫化发制备硫化锌薄膜的研究，《新余高专学报》第13卷第4期”；现有技术中，也有用硫化锌粉体和金属化合物粉体混合制备薄膜的，但采用水热法合成掺杂型硫化锌并采用真空蒸镀法成膜应用于薄膜太阳能电池的尚未见报道。 

发明内容

本发明的目的在于提供一类硫化锌基光谱转换剂，并将硫化锌基光谱转换剂制备成硫化锌基光谱转换剂转换膜，用于薄膜光伏电池的缓冲层，从而提高其电池的转换效率。为实现上述目的，本发明可采用下述技术方案： 

一方面本发明提供一类硫化锌基光谱转换剂，具有如下结构：ZnS:Mⁿ⁺，所述Mⁿ⁺为Mn²⁺或Sm³⁺。 

本发明所述ZnS:Mⁿ⁺是以硫化锌为基体，加入金属离子化合物，金属离子进入硫化锌的晶格中，得到单一的化合物即掺杂金属离子的硫化锌基光谱转换剂。 

优选地，所述光谱转换剂采用水热合成方法，以单质硫、锌盐、金属离子盐为原料制备；所用原料，以摩尔比计，锌盐:单质硫:金属离子盐=1:(1.2～1.5):(0.001～0.1)，溶于水，加入反应釜中，反应釜中溶液的填充度为60%-70%，在160～240℃下，反应6～12h，将产物冷却、离心、过滤、干燥。 

本发明所述反应釜中溶液填充度为60%-70%，是指反应釜中反应溶液的体积为反应釜容积的60%-70%。 

进一步优选地，所述原料还包括乙二胺四乙酸和氢氧化钠，以摩尔比计，锌盐:乙二胺四乙酸:氢氧化钠1:(8～15):(1.2～1.5)。 

进一步优选地，所述锌盐为硝酸锌。 

另一方面本发明提供一类硫化锌基光谱转换薄膜，采用上述的硫化锌基光谱转换剂，经真空蒸镀方法成膜于基底表面。 

优选地，所述的真空蒸镀方法，蒸发电流为100～120A，蒸发电压为0.8～1.2V，蒸发时间为3～10min。 

优选地，所述基底为SLG（钠钙玻璃）、SLG/Mo/CIGS（钠钙玻璃上镀钼后镀铜铟镓硒薄膜）或SLG/Mo/CZTS（钠钙玻璃上镀钼后镀铜锌锡硫薄膜）。 

再一方面，本发明提供上述的硫化锌基光谱转换薄膜在薄膜光伏电池缓冲层中的应用。