一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法，属于光电材料制备技术领域。本发明专利技术将制得的混合氧化粉末倒入装有冰醋酸、乙二醇的反应釜中，恒温搅拌氧化粉末溶解，待冷却室温，得金属盐前躯体溶液，置于微波超声反应仪中，通入硫化氢气体，出料抽滤，洗涤滤饼，转入真空干燥箱，从而得到太阳能薄膜电池用铜锌锡硫。实例证明，本发明专利技术操作工艺简便，无需昂贵设备，降低了生产成本，且反应条件温和，绿色无污染，使得制得的铜锌锡硫光电材料纯度和产量均得到了显著提高，增强了太阳能薄膜电池光电转换率，易于实现工业化大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法，属于光电材料制备

技术介绍
随着化石燃料的枯竭及其使用过程中所造成的环境污染问题日益严重，新型能源装置的研究和应用成为解决这些问题的重要途径，其中太阳能电池是备受关注的研究对象。随着太阳能电池商业化的发展，如何提高光电转化效率、降低电池成本是目前光伏发电的研究重点。在众多的太阳能电池材料中，铜铟镓硒(CIGS)由于具有高的光电转化效率(大于20%)和良好的稳定性，而受到各国的重视。但铟、镓元素的稀少导致价格昂贵，大大限制了其广泛应用。铜锌锡硫(CZTS)和铜锌锡硒(CZTSe)太阳能电池是近年来迅速发展的一种太阳能电池。该类半导体材料的禁带宽度(1.0～1.5eV)与太阳光谱很匹配，且具有较大的光吸收系数(大于10-4cm-1)，所含铜、锌、锡等元素在地球中的储量非常丰富。同时，它不含有毒成分，环境友好，不会造成环境污染，已经成为替代铜铟镓硒吸光层的最佳候选材料。这种电池的理论效率高达32.2%，目前电池效率已经超过12%，因此非常有应用潜力。目前，制备铜锌锡硫光电材料的物理方法包括磁控溅射、热蒸发、原子束溅射等。公开号为CN101452969A的中国专利技术专利公开了一种使用磁控溅射或热蒸发来制备铜锌锡硫半导体薄膜的方法。然而，对高真空环境的要求和昂贵的沉积设备大大增加了电池的制作成本，沉积在腔体的物质也造成了原料的浪费。同时，在制备大面积薄膜材料时也很难保证薄膜厚度和化学组分的均一性，导致器件性能下降。化学溶液方法可以克服物理方法的缺点。美国IBM公司的研究小组通过肼为溶剂，将硫化铜、硒化锡、硒化锌等混合溶解先制备肼基浆料，再制备铜锌锡硫硒太阳能电池，效率超过10%。但制备所需的肼为剧毒物质，反应活性高且具有潜在爆炸性。因此很难大规模应用。公开号为CN101659394A的中国专利技术专利公开了一种以油胺为溶剂，溶解各种金属盐，得到铜锌锡硫纳米颗粒的方法，但是步骤繁琐，耗工耗时，产率低。公开号为CN102585588A的中国专利技术专利申请公开了一种采用薄膜分散原位沉积技术合成铜锌锡的硫化物作为铜锌锡硫的前驱体；进一步烧结得到铜锌锡硫块体；再进行球磨分散得到分散性好、稳定性高的铜锌锡硫墨水。该方法步骤复杂，耗工耗时，并且使用的有机溶剂会造成环境污染。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题：针对目前传统方法在制备铜锌锡硫光电材料的过程中，步骤繁琐，所用工艺设备造价昂贵，且制得的铜锌锡硫光电材料纯度和产率均较低，导致后续制备太阳能薄膜电池时光电转换率低的现状，提供了一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法。该方法将制得的混合氧化粉末倒入装有冰醋酸、乙二醇的反应釜中，恒温搅拌氧化粉末溶解，待冷却至室温，得金属盐前躯体溶液，置于微波超声反应仪中，通入硫化氢气体，出料抽滤，洗涤滤饼，转入真空干燥箱，从而得到太阳能薄膜电池用铜锌锡硫，本专利技术操作工艺简便，无需昂贵设备，降低了生产成本，且反应条件温和，绿色无污染，使得制得的铜锌锡硫光电材料纯度和产量均得到了显著提高，增强了太阳能薄膜电池光电转换率，易于实现工业化大规模生产。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：（1）在盛有20～30mL乙二醇的密闭反应釜中，加入15～20mL冰醋酸，启动搅拌器，设定搅拌转速至620～680r/min，开启反应釜加热器，加热升温至60～68℃，保温备用；（2）依次称取6～8g铜粉，6～8g锌粉和14～18g锡粉，加入行星式球磨机中，设定转速为380～460r/min，在球磨过程中混入20～30mL无水乙醇，球磨处理20～30min，出料，将所得湿料均匀平铺于玻璃片表面，点燃，使湿料中乙醇燃烧，直至火焰熄灭，得混合氧化粉末；（3）将上述所得混合氧化粉末趁热迅速倒入步骤（1）备用反应釜中，恒温搅拌反应直至混合氧化粉末完全溶解，待反应结束，将反应釜内物料转入烧杯中，静置，自然冷却至室温后，撇去溶液表面炭黑，得金属盐前驱体溶液；（4）将上述所得金属盐前驱体溶液置于微波超声波反应仪中，通过进气管以1.2～1.8mL/min速率向溶液中通入硫化氢气体，开启反应仪，调节微波频率至400～500W，调节超声频率至15～18kHz，微波超声反应20～25min，待自然冷却至室温后，出料，抽滤，除去滤液，用质量浓度为70～75%酒精洗涤滤饼5～8次，再将滤饼转入60～65℃真空干燥箱中，干燥处理20～24h，得黑色粉末，即为太阳能薄膜电池用铜锌锡硫。本专利技术的应用方法是：将本专利技术制得的铜锌锡硫制成太阳能薄膜，其中薄膜的厚度为100～300nm，之后按电池制备过程，将其组装成电池，即可。经检测，由本专利技术制得的铜锌锡硫制得的太阳能薄膜电池，其开路电压Voc为0.36～0.42V，短路电流密度Jsc为30～32mA/cm2，填充因子FF为48～52％，电池的转换率为5.5～6.8％。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术操作工艺简便，无需昂贵设备，降低了生产成本，且反应条件温和，绿色无污染；（2）本专利技术制得的铜锌锡硫光电材料纯度和产量均得到了显著提高，增强了太阳能薄膜电池光电转换率，易于实现工业化大规模生产。具体实施方式首先在盛有20～30mL乙二醇的密闭反应釜中，加入15～20mL冰醋酸，启动搅拌器，设定搅拌转速至620～680r/min，开启反应釜加热器，加热升温至60～68℃，保温备用；随后依次称取6～8g铜粉，6～8g锌粉和14～18g锡粉，加入行星式球磨机中，设定转速为380～460r/min，在球磨过程中混入20～30mL无水乙醇，球磨处理20～30min，出料，将所得湿料均匀平铺于玻璃片表面，点燃，使湿料中乙醇燃烧，直至火焰熄灭，得混合氧化粉末；接下来将上述所得混合氧化粉末趁热迅速倒入上述备用反应釜中，恒温搅拌反应直至混合氧化粉末完全溶解，待反应结束，将反应釜内物料转入烧杯中，静置，自然冷却至室温后，撇去溶液表面炭黑，得金属盐前驱体溶液；最后将上述所得金属盐前驱体溶液置于微波超声波反应仪中，通过进气管以1.2～1.8mL/min速率向溶液中通入硫化氢气体，开启反应仪，调节微波频率至400～500W，调节超声频率至15～18kHz，微波超声反应20～25min，待自然冷却至室温后，出料，抽滤，除去滤液，用质量浓度为70～75%酒精洗涤滤饼5～8次，再将滤饼转入60～65℃真空干燥箱中，干燥处理20～24h，得黑色粉末，即为太阳能薄膜电池用铜锌锡硫。实例1首先在盛有20mL乙二醇的密闭反应釜中，加入15mL冰醋酸，启动搅拌器，设定搅拌转速至620r/min，开启反应釜加热器，加热升温至60℃，保温备用；随后依次称取6g铜粉，6g锌粉和14g锡粉，加入行星式球磨机中，设定转速为380r/min，在球磨过程中混入20mL无水乙醇，球磨处理20min，出料，将所得湿料均匀平铺于玻璃片表面，点燃，使湿料中乙醇燃烧，直至火焰熄灭，得混合氧化粉末；接下来将上述所得混合氧化粉末趁热迅速倒入上述备用反应釜中，恒温搅拌反应直至混合氧化粉末完全溶解，待反应结束，将反应釜内物料转入烧杯中，静置，自然冷却至室温后，撇去溶液表面炭黑，得金属盐前驱体溶液；最后将上述所得金属盐前驱体溶液置于微波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）在盛有20～30mL乙二醇的密闭反应釜中，加入15～20mL冰醋酸，启动搅拌器，设定搅拌转速至620～680r/min，开启反应釜加热器，加热升温至60～68℃，保温备用；（2）依次称取6～8g铜粉，6～8g锌粉和14～18g锡粉，加入行星式球磨机中，设定转速为380～460r/min，在球磨过程中混入20～30mL无水乙醇，球磨处理20～30min，出料，将所得湿料均匀平铺于玻璃片表面，点燃，使湿料中乙醇燃烧，直至火焰熄灭，得混合氧化粉末；（3）将上述所得混合氧化粉末趁热迅速倒入步骤（1）备用反应釜中，恒温搅拌反应直至混合氧化粉末完全溶解，待反应结束，将反应釜内物料转入烧杯中，静置，自然冷却至室温后，撇去溶液表面炭黑，得金属盐前驱体溶液；（4）将上述所得金属盐前驱体溶液置于微波超声波反应仪中，通过进气管以1.2～1.8mL/min速率向溶液中通入硫化氢气体，开启反应仪，调节微波频率至400～500W，调节超声频率至15～18kHz，微波超声反应20～25min，待自然冷却至室温后，出料，抽滤，除去滤液，用质量浓度为70～75%酒精洗涤滤饼5～8次，再将滤饼转入60～65℃真空干燥箱中，干燥处理20～24h，得黑色粉末，即为太阳能薄膜电池用铜锌锡硫。...

【技术特征摘要】
1.一种太阳能薄膜电池用铜锌锡硫的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）在盛有20～30mL乙二醇的密闭反应釜中，加入15～20mL冰醋酸，启动搅拌器，设定搅拌转速至620～680r/min，开启反应釜加热器，加热升温至60～68℃，保温备用；（2）依次称取6～8g铜粉，6～8g锌粉和14～18g锡粉，加入行星式球磨机中，设定转速为380～460r/min，在球磨过程中混入20～30mL无水乙醇，球磨处理20～30min，出料，将所得湿料均匀平铺于玻璃片表面，点燃，使湿料中乙醇燃烧，直至火焰熄灭，得混合氧化粉末；（3）将上述所得混合氧化粉末趁热迅速倒入步骤（1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建峰，张明，许博伟，
申请(专利权)人：陈建峰，
类型：发明
国别省市：江苏;32