[发明专利]一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种构建In₂S₃杂质带半导体的方法，以In₂S₃半导体为母体化合物，采用Ge元素掺杂In₂S₃半导体的In位，获得In₂S₃杂质带半导体。与现有技术相比，本发明采用性能优异的In₂S₃为基底材料，通过IV族元素Ge掺杂In₂S₃的In位，从而在母体带隙中引入一条杂质带，增加了电子的跃迁路径，拓宽了吸收光谱，增强了原材料的光学吸收，使其可以直接用作太阳能电池吸收材料，对太阳能源的发展具有实际意义；理论计算的In₂S₃与Ge掺杂In₂S₃的吸收光谱显示，本征半导体只有一个吸收边，掺入Ge后，出现新的吸收边，吸收曲线在低于带隙的能量区域开始显著增强；本发明中的Ge掺杂的In₂S₃半导体材料制备方法简单，可实现工业化的大规模生产。

技术领域

本发明涉及新型半导体材料领域，尤其是涉及一种硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用。

背景技术

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。太阳能电池以半导体材料为媒介，实现光能与电能的转换。太阳能电池从其诞生之日到现在，已取得了蓬勃的发展，各种新结构、新材料的太阳能电池层出不穷。传统的硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池的半导体只能吸收带隙附近的光子，导致太阳能电池效率受到限制，严重制约了太阳能电池技术的进一步发展。

目前，应用最广泛的太阳能电池的半导体吸收层是以硅材料为主。由于电子能带结构的限制，传统的半导体只能吸收部分光子，对能量高于或低于带隙的光子不能有效利用，吸光能力有限，导致传统的太阳能电池光电转换效率有限。三硫化二铟(In₂S₃)是一种有潜力的Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，由于它具有较好的稳定性、透光性、合适的禁带宽度和良好的光传导特性，使其在光电和电化学太阳能电池中有很好的应用前景，但本征三硫化二铟半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件，需要通过对其改性实现其在太阳能吸收材料中的应用。

发明内容

本发明通过杂质能带工程对半导体材料In₂S₃的能带进行合理设计和“剪裁”，改变其能带构成组分，提出一种制备In₂S₃基杂质带半导体的方法，从而有效提升太阳能吸收，实现太阳能高效利用。

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硫化铟基杂质带半导体及其制备方法和应用。

通过掺杂的手段在价带与导带之间引入一条杂质带，能增加电子的跃迁路经，使得电子不仅能从价带激发到导带，也能从价带激发到杂质带的空带以及从杂质带的满态激发到导带。这样在这三种激发过程能隙范围内的光子都能被该杂质带半导体材料吸收，从而更好的利用太阳光谱。杂质带半导体具有较高的理论转换效率，其太阳电池器件效率理论最优值可达到63.1％，是一种理想的太阳能电池吸收材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备In₂S₃杂质带半导体的方法，以In₂S₃半导体为母体化合物，采用Ge 元素掺杂In₂S₃半导体的In位，获得In₂S₃杂质带半导体。

进一步地，Ge的原子在In₂S₃中的掺杂率为6.25％。

进一步地，掺杂后形成的杂质带半导体具有新的光学吸收路径。