[發明專利]一種六方纖鋅礦結構銅鋅錫硫納米晶的制備方法

有效

• 申請號: 201610207718.7
• 申請日: 2016-04-01
• 公開（公告）號: CN105883904B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 許俊;孫怡文;胡正喬
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01G19/00
• 分類號: C01G19/00;B82Y30/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 何梅生,盧敏

技術領域

本發明涉及一種六方纖鋅礦結構銅鋅錫硫(Cu₂ZnSnS₄，英文縮寫為CZTS)納米晶的制備方法，屬于納米材料技術領域。

背景技術

銅鋅錫硫(Cu₂ZnSnS₄，英文縮寫為CZTS)是一種具有廣泛應用前景的光伏半導體材料，具有直接帶隙(1.5eV)、吸光系數高、成本低廉、環境友好等特點，以CZTS為吸收層的薄膜太陽能電池的光電轉化效率已達到12.6％。目前CZTS的制備多采用真空技術，需要使用昂貴的高真空設備，成本高、投資大。因此，低成本的非真空制備CZTS光伏材料的技術(如溶液法制備)更受人們的青睞。但是現有制備CZTS的溶液法大多使用有機溶劑，產物不易提純，影響電池性能，并增加生產成本。且目前CZTS太陽能電池的研究主要集中在四方鋅黃錫礦的CZTS，而六方纖鋅礦結構CZTS的制備、半導體特性與光伏性能研究罕見報道。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種六方纖鋅礦結構CZTS納米晶的制備方法，旨在解決現有方法所得CZTS納米晶產物多為四方鋅黃錫礦結構的問題，同時也避免在制備過程中使用有機溶劑，造成環境污染與資源浪費。

本發明解決技術問題采用如下技術方案：

本發明六方纖鋅礦結構CZTS納米晶的制備方法，其特點在于按如下步驟進行：

a、將含銅離子0.75mmol的銅源納米顆粒分散在10mL去離子水中，形成銅源納米顆粒分散液A；

b、將5mL濃度為0.075M的錫源水溶液滴加到10mL濃度為0.3M的硫源水溶液中，形成溶液B；

c、將步驟a獲得的銅源納米顆粒分散液A加入步驟b獲得的溶液B中，并加入5mL濃度為0.075M的鋅源水溶液，調節pH值為7-8，攪拌均勻，獲得混合溶液；

d、將所述混合溶液加入反應釜中，在150～190℃條件下反應24h；將反應釜冷卻至室溫后，離心獲得沉淀物，即為目標產物六方纖鋅礦結構CZTS納米晶。

其中：步驟a中所述銅源納米顆粒為Cu₂O、CuO或Cu(OH)₂的納米顆粒；步驟b中所述硫源為Na₂S；步驟b中所述錫源為SnCl₄、Sn(NO₃)₄或Sn(SO₄)₂；步驟c中所述鋅源為Zn(NO₃)₂、ZnCl₂或ZnSO₄。

本發明的制備方法，采用銅源納米顆粒制備六方纖鋅礦結構CZTS納米晶，改變步驟b中硫源的量會影響產物的純度；改變步驟c中的pH值會影響產物的晶相；改變步驟d中的反應時間會影響產物的形貌。

本發明的六方纖鋅礦結構CZTS納米晶可用作新型太陽能電池的吸光層材料。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：

1、本發明提供了一種六方纖鋅礦結構CZTS納米晶的制備方法，反應條件溫和、無需高溫處理，成本低廉，不需要昂貴的真空設備、不使用有機溶劑，環境友好、易于推廣；且所得產物為六方纖鋅礦結構；

2、本發明在制備過程中通過控制反應時間可獲得不同形貌的產物，通過改變反應溶液的pH值可獲得不同晶相的產物；

3、本發明的制備方法所獲得的產物為納米晶，尺寸小，容易制成薄膜作為太陽能電池吸光層。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的CZTS納米晶的高分辨透射電子顯微鏡圖(HRTEM)，由圖可以看出，本實施例所得納米晶為5-10nm的不規則顆粒，晶體結構為六方纖鋅礦結構。

圖2為本發明實施例1所制備的CZTS納米晶的X射線衍射圖(XRD)，由圖所示，本實施例所得納米晶顆粒為六方纖鋅礦結構。

圖3為本發明實施例1所制備的CZTS納米晶的拉曼光譜圖(Raman Spectrum)，可以看出特征峰在328cm^-1，表明產物是純相CZTS。

圖4為本發明實施例1所制備的CZTS納米晶的能量散射X射線能譜圖(EDX)，可以看出Cu：Zn：Sn：S的比例約為2：1：1：4。

圖5為本發明實施例1所制備的CZTS納米晶旋涂成薄膜之后測得的光電導響應圖，其中虛線為無光條件下的I-V曲線，實線為有光條件下的I-V曲線。