[發(fā)明專利]一種高品質(zhì)銅鋅錫硫納米晶光伏材料及其制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410133517.8
• 申請(qǐng)日: 2014-04-04
• 公開（公告）號(hào): CN103922392A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高遠(yuǎn)浩;楊懷志;李品將;李靜;賈會(huì)敏;趙紅曉;張艷鴿;鄭直
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 高遠(yuǎn)浩
• 主分類號(hào): C01G19/00
• 分類號(hào): C01G19/00;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種銅鋅錫硫(Cu₂ZnSnS₄，簡(jiǎn)稱CZTS)太陽(yáng)能電池吸收材料的制備方法，尤指高品質(zhì)的CZTS納米晶的低成本制備方法，屬于半導(dǎo)體光伏材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

“用陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)世界(Sunlight?to?power?the?world)”是目前科學(xué)界廣泛關(guān)注的一個(gè)重要話題。利用太陽(yáng)能的方法之一是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。目前制約太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸在于成本較高和轉(zhuǎn)換效率偏低。尋找廉價(jià)、環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高的半導(dǎo)體材料是發(fā)展太陽(yáng)能電池技術(shù)的關(guān)鍵。從材料選擇和制造成本來(lái)看，精選光伏材料并優(yōu)化制備工藝是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)提高光電轉(zhuǎn)換效率、擴(kuò)大產(chǎn)能、降低成本的唯一選擇。在此背景下，新型的四元半導(dǎo)體銅鋅錫硫(Cu₂ZnSnS₄，簡(jiǎn)稱CZTS)應(yīng)運(yùn)而生。銅鋅錫硫中鋅和錫在地殼中的豐度分別為75和2.2ppm，資源豐富且不含毒性成分而對(duì)環(huán)境友好。銅鋅錫硫的直接帶隙約為與太陽(yáng)光譜非常匹配，而且可見光區(qū)的吸收系數(shù)超過(guò)10⁴cm^-1，被公認(rèn)為是最具潛力的新型薄膜太陽(yáng)電池吸收層材料。近幾年來(lái)，以CZTS納米晶為吸收層的薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從最初的0.66％提高到11.1％，但是與32.2％的理論轉(zhuǎn)換效率相比仍有很大的提升空間。發(fā)展和完善高品質(zhì)的CZTS納米晶的制備技術(shù)是進(jìn)一步提高CZTS基薄膜太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。高品質(zhì)的CZTS納米晶應(yīng)該具備組分可控、結(jié)晶完整性好、單分散、尺寸均勻、帶隙合適等特點(diǎn)。目前，高品質(zhì)的CZTS納米晶的制備通常采用單源分子前驅(qū)體熱分解法，在高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑中進(jìn)行。金屬的硫醇配合物和二乙基二硫代氨基甲酸金屬鹽是常用的單源分子前驅(qū)體，高沸點(diǎn)的烷基硫醇和脂肪胺是常用的有機(jī)溶劑。該法采用熱注射技術(shù)把單源分子前驅(qū)體快速注射到高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑中，以實(shí)現(xiàn)單源分子前驅(qū)體的熱分解和預(yù)產(chǎn)品的快速成核。熱注射過(guò)程通常要求反應(yīng)溫度在300℃以上，以保證所有的單源分子前驅(qū)體能夠同步分解，否則，很難杜絕二元和三元化合物雜質(zhì)的形成，如SnS₂、Cu₂S和Cu₃SnS₄，致使難以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)物各組分的理想化學(xué)計(jì)量比。顯然，單源分子前驅(qū)體的合成成本高、價(jià)格昂貴，烷基硫醇和脂肪胺具有毒性，高溫反應(yīng)和熱注射技術(shù)工藝設(shè)備復(fù)雜、操作要求嚴(yán)格，因此，高品質(zhì)的CZTS納米晶的制備技術(shù)目前僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室層面，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明以簡(jiǎn)單的金屬無(wú)機(jī)鹽、硫粉和叔丁醇鉀(KTB)為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)共沉淀結(jié)晶法獲得了高品質(zhì)的CZTS納米晶，克服了原料成本高、工藝過(guò)程復(fù)雜和環(huán)境污染等難點(diǎn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的是提供一種高品質(zhì)的銅鋅錫硫納米晶光伏材料的低成本制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高品質(zhì)銅鋅錫硫納米晶光伏材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)高活性的多硫化物硫源溶液(KTB-S)的制備：將叔丁醇鉀和硫粉按15∶2～15∶4的摩爾比加入到適量的無(wú)水乙醇溶劑中，控制叔丁醇鉀溶液的濃度為1.5M，磁力攪拌下加熱反應(yīng)，得到紅色的多硫化物(S_n^2-)高活性硫源溶液；

(2)將CuCl₂·2H₂O、ZnCl₂·2H₂O、SnCl₂·2H₂O加入步驟(1)的紅色高活性硫源溶液中，控制CuCl₂·2H₂O∶ZnCl₂·2H₂O∶SnCl₂·2H₂O∶S的摩爾比為2∶1∶1∶4～8，氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)，得到黑色泥漿，置于真空干燥箱中快速蒸發(fā)干燥后，升溫到200-300℃進(jìn)一步結(jié)晶反應(yīng)數(shù)小時(shí)；

(3)將步驟(2)所得產(chǎn)物自然冷卻至室溫，用蒸餾水和無(wú)水乙醇多次洗滌，離心分離除去大顆粒團(tuán)聚物、真空干燥，得到的粉體即為高品質(zhì)銅鋅錫硫納米晶。

所述的制備方法，步驟(1)中叔丁醇鉀乙醇溶液的濃度為1.5M，叔丁醇鉀和硫粉的最佳摩爾比為15∶2。