一种多能带太阳能吸收材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电功能材料和太阳能电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种多能带太阳能吸收材料及该多能带太阳能吸收材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]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、不受地域限制等优点。利用太阳能的方式很多，包括光热转换、光电转换以及光化学转换等等。在诸多太阳能利用方式中，最吸引人关注的是基于光电效应的太阳能电池。近几十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速稳定发展的新兴产业之一。因此，实现对太阳能的有效利用是目前材料、物理、化学等交叉学科领域的重要研究方向之一。
[0003]—般希望太阳能电池具有转换效率高、制造能耗少、成本低、原料丰富、耐久和无公害等特性。经过几十年的努力，太阳能电池在转换效率等方面取得了长足提高。以晶体硅为代表的第一代太阳能电池因为资源丰富，转换效率高，是现在开发最快的太阳能电池。但是硅基材料也存在光吸收系数低(间接带隙半导体)、原材料消耗大、制造工艺复杂、成本高、能源回收周期长的缺点。以碲化镉、铜铟镓砸为代表的第二代薄膜电池，因为具有原料用量少、吸收系数高、可调带隙、成本低等优点，引起人们的研究兴趣。同时以充分利用太阳光谱，提高太阳能电池效率为目的的叠层电池，多能带太阳能电池等第三代新概念太阳能电池也开始引起人们的注意。相比于硅基与薄膜电池，第三代太阳能电池在成本和效率综合方面，性价比更高，因而具有广阔的发展前景。
[0004]在传统的太阳能半导体吸收材料中，电子吸收光子从价带跃迀到导带，从而产生光生载流子。这样就导致能量小于带宽的光子无法被材料吸收，而能量大于带宽的光子则只有一部分能量被材料利用，超出带宽的部分通过电子-声子等相互作用转化为热能从而导致能量损失。当在半导体材料带隙中引入杂质中间带后，从而更好地利用太阳光谱以减少了能量损失。综上所述，通过合适的元素掺杂能够在受主半导体带隙中引入杂质能带。掺杂半导体制备合成相对简单，能够引入较高的掺杂含量，从而导致更强的杂质多能带吸收并有利于减少载流子非辐射复合。因此，通过选择特定元素掺杂来诱导母体化合物杂质带产生是一种切实可行的有效方法。
[0005]但是现有技术还没有提出一种制备方法简单且原材料安全的多能带太阳能吸收材料。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种具有多能带宽光谱太阳能吸收能力的多能带太阳能吸收材料以及该多能带太阳能吸收材料的简单的原材料安全的制备方法。
[0007]为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种多能带太阳能吸收材料，其中所述多能带太阳能吸收半导体材料是化学通式为In2-xNixS3的化合物，其中0<x<2。
[0008]优选地，1的值为0.02、0.05、0.1、0.15和0.2中的一个。
[0009]优选地，所述多能带太阳能吸收半导体材料的母体半导体化合物为In2S3二元化合物，母体化合物的部分I η原子被N i原子取代。
[0010]优选地，过渡族原子Ni的掺杂浓度在2at %-10at %之间。
[0011]优选地，过渡族原子Ni的3d电子在晶体场中劈裂产生中间杂质能带，具有多能带太阳能吸收能力。
[0012]根据本发明，还提供了一种多能带太阳能吸收材料制备方法，包括:
[0013]第一步骤:按照In2-xNixS3的化学计量比将反应原料进行配料，其中0<x<2;
[0014]第二步骤:将反应原料置于石英玻璃管中，对石英玻璃管进行抽真空，此后将石英玻璃管密封；
[0015]第三步骤:将密封的石英玻璃管放入烧结炉中，升温至第一目标温度以进行烧结并保温第一预定时间，然后使得石英玻璃管随烧结炉冷却至室温；
[0016]第四步骤:打开石英玻璃管，从石英玻璃管取出反应原料形成的样品进行研磨；
[0017]第五步骤:将研磨后的样品重新真空封装在石英玻璃管中烧结以得到目标粉体样品Ο
[0018]优选地，1的值为0.02、0.05、0.1、0.15和0.2中的一个。
[0019]优选地，第一目标温度是800°C，所述第一预定时间是48小时。
[0020]优选地，第五步骤包括:将研磨后的样品重新真空封装在石英玻璃管中，将密封的石英玻璃管放入烧结炉中，缓慢升温至第二目标温度以进行烧结并保温第二预定时间，然后使得石英玻璃管随烧结炉冷却至室温。
[0021]优选地，第二目标温度为800°C，第二预定时间为48小时。
【附图说明】
[0022]结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中:
[0023]图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的多能带太阳能吸收材料制备方法的流程图。
[0024]需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
[0026]本发明利用过渡族原子Ni的d电子在晶体场中劈裂来产生中间杂质能带，从而实现多能带太阳能吸收。In2S3具有非毒，稳定性好，光电特性优良等特点，是一种很重要的光伏材料。In2S3实验带隙为1.85?2.2eV，该值处于高效率杂质带太阳能电池所对应的优化范围内(2.0?2.5eV)。因此以In2S3作为受主，通过掺杂实现杂质带形成就能拓宽该材料的光吸收区域，增强太阳能吸收。
[0027]本发明形成的多能带太阳能吸收半导体材料是化学通式为In2-xNixS3的化合物，其中 0<x<2o
[0028]例如，所述多能带太阳能吸收半导体材料的母体半导体化合物为In2S3二元化合物，母体化合物的部分I η原子被N i原子取代。
[0029]优选地，过渡族原子Ni的掺杂浓度在2at%_10at%之间。过渡族原子Ni的3d电子在晶体场中劈裂产生中间杂质能带，具有多能带太阳能吸收能力。
[0030]本发明基于配位化学概念，采取现代量子力学能带计算方法，设计出了采用过渡原子附掺杂的11^3材料，并通过固态烧结反应制备系列1112—抓仏(优选地^ = 0.02，0.05，
0.1,0.15，0.2)粉体材料。UV-vis-NIR吸收光谱测试显示该种材料具有多能带吸收的光学特征从而实现了宽光谱太阳能吸收。
[0031]图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的多能带太阳能吸收材料制备方法的流程图。
[0032]如图1所示，根据本发明优选实施例的多能带太阳能吸收材料制备方法包括:
[0033]第一步骤S1:按照In2-xNixS3的化学计量比将反应原料进行配料;优选地，x = 0.02，
0.05，0.1，0.15，0.2。例如，反应原料可以为单质元素或二元化合物。
[0034]第二步骤S2:将反应原料置于石英玻璃管中，对石英玻璃管进行抽真空，优选地随后向石英玻璃管充入氩气，随后再次对石英玻璃管抽真空，此后将石英玻璃管密封;优选地，将石英玻璃管用氢氧焰熔封;优选地，石英玻璃管的内径为10_。可以多次执行抽真空-充入氩气-抽真空的循环操作，例如三次以确保管内氧气含量尽