[发明专利]一种黄铜矿结构的中间带吸收材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种黄铜矿结构的中间带吸收材料CuB_1-xQ_xC₂（B＝Ga、In；C＝S、Se;Q=Ge、Sn；0<x≤0.1）及其制备方法，属于光电转换材料领域。

背景技术

黄铜矿结构的化合物（CuInSe₂,CuGaSe₂,CuInS₂,CuGaS₂等等）是一类较好的光电转换材料，在光伏发电领域有着广泛的应用。其中，铜铟(镓)硒(硫)薄膜太阳电池的光电转换效率是薄膜电池中最高的，实验室最高效率可以达到20.3%，再加上薄膜的耗材量小，在薄膜电池中显示了较好的发展前景。

与此同时，人们研究发现，不论是第一代的单晶硅电池吸收材料，还是第二代的薄膜电池吸收材料，都属于单一带隙材料。受到单一带隙的限制，电池不能吸收能量小于禁带宽带的光子；而能量大于禁带宽度的光子，不论它们的能量与禁带宽带的差别大小，输出的电压是一样的，是由吸收材料的禁带宽度所决定的；正是如此，在光电转换过程中，低能光子与高能光子的能量损失是很大的，其最大的理论效率在30%左右。为了充分利用太阳能，减少能量损失，提高太阳效率，降低电池成本，人们提出了第三代新概念电池，例如基于提高开路电压的热载流子电池，基于宽光谱利用的多结叠层电池和中间带电池等等。

中间带电池不是由不同带隙宽度材料组成的电池，而是在单一材料的价带、导带能隙之中引入一个半充满的中间能带E_i，中间带的作用是提供光子的多个吸收通道，除了通常的从价带到导带能量hv₁>E_g的光吸收外，电子还可以吸收一个能量为hv₂（hv₁>hv₂>E_i-E_v）的光子从价带跃迁到中间带，该中间带内的电子吸收一个能量为hv₃（hv₂>hv₃>E_c-E_i）的光子后再激发到导带。这样两个低能的光子通过“接力”的跃迁的方式，使一个电子从价带激发到导带，扩展了电池的红外吸收，增加电流输出。同时由于禁带宽度几乎没有变化，所以开路电压未变。因此中间带吸收一定程度上能提高电池效率。对于中间带电池，聚光条件下，当其结构为E_g=1.95eV，中间带E_CI=0.71eV（E_CI，中间带离导带的位置）时，最大效率为63.2%。而非聚光条件下，当其结构为E_g=2.41eV，中间带E_CI=0.92e时，最大效率为46.77%。有关中间带的研究大多集中在中间带理论方面，中间带概念电池的实现还面临着诸多困难，其中之一就是中间带材料的缺乏。因此，从实际应用出发，中间带材料的研究对于中间带电池的发展具有重要的意义。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明人意识到中间带材料的实现过程中，有两个问题需要考虑，一个是母体材料的选择，一个是中间能级的实现。黄铜矿结构类型化合物CuBC₂（B＝Ga、In；C＝S、Se）是重要的薄膜电池吸收材料，该系列化合物的光学带隙在0.95～2.43eV之间，中间带母体材料需要的最佳带隙正好包括在其中，便于进行能带调控。以该系列化合物作为母体的中间带材料易于与薄膜电池应用结合起来，便于实现其器件化应用。

在此，一方面，本发明提供一种黄铜矿结构的中间带吸收材料，其化学组成为CuB_1-xQ_xC₂，其中B＝Ga或In，Q=Ge或Sn，C＝S或Se，0<x≤0.1；所述材料通过在黄铜矿结构化合物CuBC₂中掺入掺杂元素Q从而在价带和导带之间形成一个单一独立的能级而形成中间带。