[发明专利]一种In基半导体材料及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种In基半导体材料，In基半导体材料的成分为MgIn_2‑xSb_xS₄，其中0＜x≤0.1为原子百分比，所述的In基半导体材料为三元混合硫化物。与现有技术相比，本发明提供了一种新的提高MgIn₂S₄半导体材料光学吸收范围的方法，成功实现了多能带宽光谱太阳能吸收，该材料组分在太阳电池、光子上/下转换器、光催化等领域具有潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，尤其是涉及一种In基半导体材料及制备方法和应用。

背景技术

随着经济快速发展，人们的物质生活水平不断提高，同时对能源需求的增长速度也日益增大。为了应对即将到来的能源危机，开发新能源，利用可再生能源成为目前发展的重中之重。太阳能因其独有的优势，迅速成为新能源开发与利用的焦点。太阳能储量丰富，清洁干净，可以就地开发利用，不存在运输问题。现如今，利用太阳能电池半导体材料的光伏效应将太阳能辐射转换为电能是利用太阳能源最为普遍的方式之一。但目前大多数太阳能吸收半导体对太阳辐射的能源利用率极低，如何提高太阳光谱的利用范围，是目前太阳能电池发展的最主要问题之一。对于传统的太阳能吸收半导体材料，其禁带宽度是一个固定值，只有能量接近禁带宽度的光子才能将处于价带的电子激发到导带形成电子-空穴对，产生光生电流。这就导致了一般的半导体材料只能吸收太阳能光谱中接近半导体材料禁带宽度的能量光谱，这大大限制了太阳能电池的效率。

现阶段，太阳能电池吸收层光学吸收效率比较低，主要原因是传统的半导体材料(如MgIn₂S₄材料)只能吸收带隙附近的光子，而一些低于带隙能量的光子不能被半导体吸收，高于带隙的光子很难被利用。杂质带半导体材料的匮乏与制备技术还不够成熟，这一系列的问题导致杂质带半导体发展受阻。

CN109037373A中公开了一种MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料及其制备方法，其中的采用了Sn掺杂方法来增加电子吸光路径，增强了光吸收能力。但在具体应用过程中，因为Sn掺杂最终制得的成品半导体材料中总会残留少量的Sn单质， Sn单质具3种同素异形体，工况处于摄氏13度以下的时候锡的体积骤然膨胀，会使得整体的成品半导体材料出现开裂的情况，影响正常的使用。

发明内容

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In基半导体材料及制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种In基半导体材料，其成分为MgIn_2-xSb_xS₄，其中0＜x≤0.1为原子百分比，所述的In基半导体材料为三元混合硫化物。

进一步地，所述的In基半导体材料的成分为MgIn_1.9Sb_0.1S₄。

进一步地，所述的In基半导体材料中的Sb以三价态存在。

进一步地，所述的In基半导体材料的太阳能吸收能力与Sb的原子百分比呈正比。

进一步地，所述的In基半导体材料的光学吸收带隙为2.28eV，参见图3。

本发明针对MgIn₂S₄半导体光学吸收效率低的问题，通过半导体掺杂技术，对MgIn₂S₄半导体材料进行革新。在母体化合物MgIn₂S₄中掺杂Sb元素，改变其构成组分，调控其能带结构，从而有效提升太阳能吸收能力。本发明所述的增强MgIn₂S₄三元化合物光学吸收的方法，是利用Sb来诱导杂质能带的产生，从而实现半导体材料的宽光谱吸收。