[发明专利]一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电功能材料和光伏电池技术领域，尤其是一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法。

背景技术

太阳能是人类赖以生存的能源，如生物能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。与煤、石油、天然气等非可再生常规能源相比，太阳能有着资源丰富、清洁无污染、不受地域限制使用方便等优点。利用太阳能的方式很多，最吸引人关注的是基于光电转换效应的太阳能电池。

把太阳辐射能转换成电能通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换，因此又称为太阳能光伏技术。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P-N结，这就是传统太阳能电池的一个主要部分。电子吸收光子从价带跃迁到导带，从而产生光生载流子并形成电流。一般希望太阳能电池具有高的转换效率，但对于传统单带隙半导体来说，缺点：太阳光谱中能量小于带宽的光子无法被半导体吸收，造成太阳能电池效率受到限制。根据Shockley-Queisser(S-Q)极限效率分析，单个pn结太阳电池在全聚光条件下的最高转换效率为40.7％。因此，高质高效的吸收利用太阳光谱，可进一步提高太阳能电池的光电转换效率。当在传统单带半导体带隙中引入半满杂质中间带后，电子不仅能从价带激发到导带，也能从价带激发到中间带的空带以及从中间带的满态激发到导带。在这三种激发过程能隙范围内的光子都能被该半导体材料吸收，从而更好的利用太阳光谱并提高光伏电池的转换效率。

到目前为止，具有宽光谱太阳能吸收的半导体材料种类仍很稀少，严重制约了太阳能电池技术的发展。

本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种具有宽光谱太阳能吸收特征，能很好的满足高效率杂质带电池对带隙的要求，掺杂元素比例可以调节，合成方法简单可控，易于宏量制备的一种宽光谱太阳能吸收半导体及其制备方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述宽光谱太阳能吸收半导体的化学通式为CdIn_2-xFe_xS₄的化合物，其中0＜x＜2；

进一步的，所述半导体的母体半导体为CdIn₂S₄三元化合物，三元化合物CdIn₂S₄中的部分In原子被Fe原子取代形成半导体CdIn_2-xFe_xS₄；

更进一步的，半导体CdIn_2-xFe_xS₄中优化的Fe掺杂浓度在0％-10％at之间；

本发明还提供一种制备CdIn_2-xFe_xS₄半导体材料的真空固态反应烧结方法，其制备过程主要包括如下步骤：

步骤一：首先按照化学计量比将反应原料真空封装于石英玻璃管中；

步骤二：将石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，缓慢升温至第一目标温度，并保温烧结第一预定时间，最后样品随炉冷却至室温；

步骤三：将所得样品在玛瑙研钵中研磨并重新真空封装，升温至第二目标温度再次保温烧结第二预定时间，得到最终的样品；

具体的，升温速率为2℃/分钟；

第一目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为24-48小时；

第二目标温度为700-800℃，所述第一预定时间为48-72小时；

优选地，抽真空采用抽真空-充氩气-抽真空操作流程(三次)，保证氧气含量足够低；

在一个实施例中，步骤一中的反应原料为单质；

在一个实施例中，步骤一中的反应原料为二元化合物；

对制备的样品，进行结构物相与光学性能表征，样品X射线衍射图谱在Bruker D8 ADVANCE X射线衍射仪测得，采用CuKα1射线(0.15405nm)，扫描电压为40kV，扫描电流为40mA，样品紫外-可见-近红外吸收光谱由在Hitachi U4100 UV-Vis-NIR分光光度计上测得。