一种增强CdIn2S4光学吸收的方法技术

本发明专利技术公开了一种增强CdIn2S4光学吸收的方法，具体是在半导体CdIn2S4中掺杂非过渡金属原子Sn，诱导其带隙中产生中间杂质能带，从而产生新的光学吸收途径，达到增强CdIn2S4光学吸收的目的；具体地，按照CdIn2‑xSnxS4的化学计量比称取Cd、In、S和Sn原料，真空封装于石英玻璃管内升温至700‑800℃反应烧结，保温24‑48小时后随炉冷却，然后二次反应烧结即得。上述方法增强了CdIn2S4光学吸收能力，在光催化、光伏电池等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种增强CdIn2S4光学吸收的方法
本专利技术属于半导体光电材料
，具体涉及一种增强CdIn2S4光学吸收的方法。
技术介绍
太阳能作为一种可再生的清洁能源，有着资源丰富、不受地域限制使用等优点，利用半导体的光电转换效应可以直接把光转换成电，是人们利用太阳能的一种重要途径。一般的半导体材料只能吸收利用能量在带隙附近的光子，能量小于和超出带隙的光子无法被半导体直接利用，从而导致能量损失。通过半导体掺杂技术，在半导体带隙中引入中间能级或能带，能够实现对太阳光的多重吸收，从而更好地利用太阳光谱能量。具有杂质能级的太阳能电池理论极限效率为63.1％，大大超越传统的单带电池理论极限效率40.7％(PhysicalReviewLetters,1997,78(26):5014-5017)。CdIn2S4属于三元尖晶石结构化合物，光电性能优异，在光催化、发光二极管、光伏电池等领域具有潜在的应用前景。CdIn2S4光学带隙较氧化物较窄(2.1eV)，能够较好地吸收可见光。为了进一步提高CdIn2S4光学吸收能力，可以通过元素掺杂方法在其带隙中引入杂质能级，从而构建新的光学吸收途径。理论研究发现，Ti、V、Cr、Mn掺杂CdIn2S4将导致中间杂质带形成，并通过计算受主半导体和掺杂材料的光学吸收谱证明杂质能级的产生能够改进光学吸收性能(1、PhysicalReviewB,2010,81(7):075206；2、JournalofAlloysandCompounds,2014,591:22-28.)；在实验研究方面，申请号CN201611151273.1的中国专利公开了利用过渡族元素Fe的3d电子在晶体场中产生轨道劈裂形成杂质能级，发现掺杂的半导体具有宽光谱吸收特征。综上所述，现有技术中对CdIn2S4光学吸收的改进方法主要集中于过渡金属掺杂，并且大部分停留于理论研究，与实验严重脱节；另外，过渡金属d电子过于局域，不利于载流子分离，容易形成新的掺杂缺陷复合中心，影响半导体的实际光电转换性能。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺陷，针对CdIn2S4半导体只能吸收利用部分可见光的问题，本专利技术的目的在于提供一种增强CdIn2S4光学吸收的方法，采用半导体掺杂技术，首次提出利用非过渡金属Sn掺杂，诱导CdIn2S4杂质能级产生，调控受主半导体CdIn2S4的电子能带结构，构建新的光学吸收途径从而增强其光学吸收能力。本专利技术的目的还在于提供由上述方法得到的Sn掺杂CdIn2S4半导体。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种增强CdIn2S4光学吸收的方法，在半导体CdIn2S4中掺杂非过渡金属原子Sn，诱导CdIn2S4的带隙中产生中间杂质能带，其中，掺杂位置为用非过渡金属原子Sn取代所述半导体CdIn2S4中部分In原子，所得产物的化学分子式为CdIn2-xSnxS4，式中0<x<2，包括以下步骤：S1、按照所述CdIn2-xSnxS4的化学计量比称取Cd、In、S和Sn原料，真空封装于石英玻璃管中；S2、将步骤S1中所述的石英玻璃管置于程序控温马弗炉中，以2-5℃/分钟速率缓慢升温至700-800℃反应烧结，保温24-48小时后随炉冷却；S3、将步骤S2中所述冷却后的产物倒出并研磨，重新真空封装于石英玻璃管内，并置于程序控温马弗炉中，再以2-5℃/分钟速率缓慢升温至700-800℃反应烧结，保温24-48小时后随炉冷却后再次研磨。进一步地，步骤S1中所述的Cd、In、S和Sn原料包括单质或二元化合物，纯度均不低于99.99％。进一步地，所述的中间杂质能带具有金属性。进一步地，所述的中间杂质能带由Sn-5s态和S-3p态杂化而成。进一步地，所述的非过渡金属原子Sn优化的掺杂含量不大于5at％。一种由上述增强CdIn2S4光学吸收的方法得到的掺杂CdIn2S4半导体，化学分子式为CdIn2-xSnxS4，其中0<x<2。在本专利技术的一个实施例中，所述Cd、In、S和Sn原料均为单质。在本专利技术的另一个实施例中，所述Cd、In、S和Sn原料均为二元化合物。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件可以任意组合即得本专利技术各较佳实例；另外本专利技术所用的原料和试剂除另有说明外均市售可得或为常规选择。本专利技术中掺杂CdIn2S4半导体的表征手段中，结构采用X射线衍射图谱表征(XRD)，元素分析采用能谱仪测得(EDX)，价态分析采用光电子能谱(XPS)表征，紫外-可见-近红外吸收光谱在HitachiU4100UV-Vis-NIR分光光度计上测得。本专利技术首次提出利用非过渡金属Sn掺杂，诱导CdIn2S4杂质能级产生，形成的机制与过渡原子掺杂明显不同，用杂质原子Sn取代部分In原子，Sn元素具有5s5p电子构型，S具有3s3p电子构型，Sn原子5s电子能够与周围S3p电子杂化成键，从而在受主半导体的带隙中构建新的能带。与现有技术相比，本专利技术的积极进步效果在于：(1)CdIn2S4属于三元尖晶石结构化合物，CdIn2S4光学带隙较氧化物较窄(2.1eV)，只能吸收利用部分可见光，本专利技术中上述方法在增强CdIn2S4光学吸收能力的同时，显著提高CdIn2S4的光电转换效率，在光催化、光伏电池等领域具有潜在的应用前景。(2)本专利技术中掺杂CdIn2S4半导体的紫外-可见-近红外吸收光谱可以观测到两个吸收边，光学吸收能力明显增强，进一步证明非过渡金属Sn掺杂能够有效增强CdIn2S4的光学吸收能力。附图说明图1为CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)系列样品的XRD图谱；图2为CdIn1.9Sn0.1S4的EDX元素分析图谱；图3为CdIn1.9Sn0.1S4中Sn的3dXPS图谱；图4为CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)系列样品的UV-Vis-NIR吸收光谱；图5为Sn掺杂CdIn2S4后的能带结构图谱。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步详细、完整地说明，但本专利技术绝非限于实施例。实施例1CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)材料的制备将Cd粉(纯度为99.99％)、In粒(纯度为99.999％)、S粉(纯度为99.999％)和Sn粉(纯度为99.99％)按照CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)的化学计量比称量，放入石英玻璃管中，并将石英玻璃管用氢氧焰熔封；将熔封的石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，以2℃/分钟速率缓慢升温至750℃并保温24小时后随炉冷却至室温；再开管后，将所得样品置于玛瑙研钵中研磨，真空封装于石英玻璃管内，置于程序控温马弗炉中，以2℃/分钟速率缓慢升温至750℃再次烧结并保温48小时，样品随炉冷却至室温，开管后再次研磨即得。实施例2CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)材料的制备将纯度不低于99.99％的Cd、In、S和Sn的二元化合物按照CdIn2-xSnxS4(x＝0,0.05,0.1)的化学计量比称量，放入石英玻璃管中，并将石英玻璃管用氢氧焰熔封；将熔封的石英玻璃管放入程序控温马弗炉中，以5℃/分钟速率缓慢升温至700℃并保温48小时后随炉冷却至室温；再开管后，将所得样品置于玛瑙研钵中研本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强CdIn2S4光学吸收的方法，其特征在于，在半导体CdIn2S4中掺杂非过渡金属原子Sn，诱导CdIn2S4的带隙中产生中间杂质能带，其中，掺杂位置为用非过渡金属原子Sn取代所述半导体CdIn2S4中部分In原子，所得产物的化学分子式为CdIn2‑xSnxS4，式中0<x<2，包括以下步骤：S1、按照所述CdIn2‑xSnxS4的化学计量比称取Cd、In、S和Sn原料，真空封装于石英玻璃管中；S2、将步骤S1中所述的石英玻璃管置于程序控温马弗炉中，以2‑5℃/分钟速率缓慢升温至700‑800℃反应烧结，保温24‑48小时后随炉冷却；S3、将步骤S2中所述冷却后的产物倒出并研磨，重新真空封装于石英玻璃管内，并置于程序控温马弗炉中，再以2‑5℃/分钟速率缓慢升温至700‑800℃反应烧结，保温24‑48小时后随炉冷却后再次研磨。

【技术特征摘要】
1.一种增强CdIn2S4光学吸收的方法，其特征在于，在半导体CdIn2S4中掺杂非过渡金属原子Sn，诱导CdIn2S4的带隙中产生中间杂质能带，其中，掺杂位置为用非过渡金属原子Sn取代所述半导体CdIn2S4中部分In原子，所得产物的化学分子式为CdIn2-xSnxS4，式中0&lt;x&lt;2，包括以下步骤：S1、按照所述CdIn2-xSnxS4的化学计量比称取Cd、In、S和Sn原料，真空封装于石英玻璃管中；S2、将步骤S1中所述的石英玻璃管置于程序控温马弗炉中，以2-5℃/分钟速率缓慢升温至700-800℃反应烧结，保温24-48小时后随炉冷却；S3、将步骤S2中所述冷却后的产物倒出并研磨，重新真空封装于石英玻璃管内，并置于程序控温马弗炉中，再以2-5℃/分钟速率缓慢升温至700-800℃反应烧结，保温24-48小时后随炉冷却后再次研磨。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈平，张华，马学亮，王永存，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海,31