[发明专利]一种MgIn2S4基中间带太阳能吸收材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料及其制备方法，化学式为MgIn_2‑xSn_xS₄，0＜x＜2，采用真空固相反应烧结工艺，通过在母体化合物MgIn₂S₄的In位掺杂元素Sn形成半满中间带而得；相比于传统太阳能电池材料，上述材料增加了电子吸光路径，增强了光吸收能力。

技术领域

本发明属于新型半导体材料领域，涉及光学吸收增强新材料，具体涉及一种MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料及其制备方法。

背景技术

自工业革命以来，煤、石油、天然气等化石能源已成为人类文明的主要能量来源。然而近代以来，传统能源的储备逐渐枯竭，污染问题日益严重，人类开始积极寻找替代能源。太阳能、风能等新能源正在得到越来越大规模的开发普及。由于各种原因，新能源面对庞大的能源需求独木难支，因此，在相当长的时间内，传统能源会与新能源并存。在已开发的新能源中，太阳能是一种清洁、廉价的可再生能源，具有非常广泛的应用前景。受制于现有太阳能电池技术，传统单节太阳能电池S-Q极限效率只有33.7％，为了突破这一极限，有人提出了中间带电池模型，计算得出聚光条件下极限效率可达63.1％。目前，中间带太阳能电池的发展仍处于初级阶段，其制造工艺仍不成熟；且基于单晶硅、多晶硅的光伏电池光电转换效率较低，中间带太阳能电池材料严重匮乏，这些问题制约着太阳能电池技术的发展，阻碍了太阳能电池的进一步推广。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，针对传统太阳能电池效率低下以及中间带半导体材料稀缺的问题，本发明的目的在于提供一种MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料及其制备方法，选用禁带较窄、可见光响应范围大的尖晶石型硫化物MgIn₂S₄作为受主材料，其光学吸收性能大大增强。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料，化学式为MgIn_2-xSn_xS₄，0＜x＜2；通过在母体化合物MgIn₂S₄的In位掺杂元素Sn形成半满中间带而得。

进一步地，所述MgIn₂S₄的吸收系数为1×10⁴-1×10⁵cm^-1，空间群为Fd-3m，带隙为2.12-2.28eV。

第二方面，上述MgIn₂S₄基中间带太阳能吸收材料的制备方法，包括：

称取反应原料并混合均匀，再依次经真空封装、真空固相反应烧结，以及研磨后重复真空固相反应烧结，即得；其中，所述真空固相反应烧结的工艺参数包括：烧结真空度为1×10^-5Pa、烧结温度为600-750℃、烧结时间为36-60h；所述反应原料中，Mg、In、Sn和S的化学计量比为Mg:In:Sn:S＝1:2-x:x:4，0＜x＜2。

进一步地，所述烧结温度为650-700℃，烧结时间为48h。

进一步地，所述研磨时间为3-5min。

进一步地，反应原料包括单质或二元化合物。

本发明的原理在于：以MgIn₂S₄为本体，在In位掺杂Sn元素调控其能带结构，引入半满中间带，使得电子从价带直接跃迁到导带，同时电子吸收能量小于禁带宽度的光子跃迁到中间带再吸收一个低能光子跃迁到导带，即两个光子协同激发产生电子空穴对，拓宽吸收光谱。