用于光伏吸收剂膜的核-壳纳米粒子制造技术

一种制备CIGS‑型核‑壳纳米粒子的方法产生核‑壳纳米粒子，所述核‑壳纳米粒子可以包含四元或三元金属硫属化物核。所述核可以基本上被二元金属硫属化物壳包围。核‑壳纳米粒子可以经由液相沉积而沉积在PV电池接触(例如，钼电极)上。然后沉积的粒子可以被熔化或熔融成为用于光伏器件中的薄吸收剂膜。

【技术实现步骤摘要】
用于光伏吸收剂膜的核-壳纳米粒子本申请是国际申请日为2014年12月5日、国际申请号为PCT/GB2014/053628、进入中国国家阶段的申请号为201480066247.1且专利技术名称为“用于光伏吸收剂膜的核-壳纳米粒子”的中国专利技术申请的分案申请。相关申请的交叉引用：本申请要求于2013年12月6日提交的美国临时申请号61/912,916的权益。关于联邦资助研究或开发的声明：不适用专利技术背景1.专利
本专利技术总体上涉及半导体纳米粒子。更具体地，它涉及制备用于基于铜铟镓联硒化物/二硫化物(CIGS)的薄膜光伏器件的核-壳纳米粒子的方法。2.对相关技术的描述，包括根据37CFR1.97和1.98公开的信息为了获得广泛的接受，光伏电池("PV电池"，也已知为太阳能电池或PV器件)一般需要以与使用化石燃料生成的电力的成本可竞争的成本产生电力。太阳能电池应当优选地具有低的材料和制造成本，并结合以增加的光电转换效率。薄膜具有固有地低的材料成本，因为在薄的(～2-4μm)活性层中材料的量很小。因此，已经进行了相当大的努力去开发高效薄膜太阳能电池。在被研究的众多薄材料中，基于黄铜矿的器件(Cu(In和/或Ga)(Se和，任选地S)2，在本文中统称为"CIGS")已经显示极大的希望并且已经受到相当大的关注。基于CIGS材料的光伏器件是高效的，因为CuInS2(1.5eV)和CuInSe2(1.1eV)的带隙与太阳光谱匹配良好。尽管CIGS材料廉价，但用于CIGS薄膜的常规制造方法涉及昂贵的气相或蒸发技术。一种较低成本的解决方案是通过使用液相沉积技术将CIGS组分的粒子沉积到衬底上，然后将所述粒子熔化或熔融成为薄膜来形成薄膜。理想地，纳米粒子聚结形成大晶粒的(largegrained)薄膜。可以使用组分金属的氧化物粒子来进行液相沉积，接着用H2还原，并利用含硒气体(例如，H2Se)进行反应烧结。备选地，可以使用预制的CIGS粒子进行液相沉积。CIGS-型粒子(即，CIGS或类似的材料)优选地拥有某些允许它们形成大晶粒的薄膜的特性。例如，纳米粒子优选是小的并且具有与相同材料的较大粒子不同的物理、电子和光学特性。这样的较小粒子一般更紧密地堆积，这促进了粒子在熔化期间的聚结。此外，纳米粒子优选地具有窄的粒度分布。窄的粒度分布促进了均一的熔化温度，这是因为纳米粒子熔点与粒度直接相关。并且均一的熔化产生平坦的且高质量的膜(良好的电气性能)。尽管CIGS的液相沉积是制造薄膜的一种廉价解决方案，但其仍然具有缺点。例如，薄膜一般生长在PV电池背接触(backPVcellcontact)(例如，钼电极)上。在晶粒生长期间，镓粒子往往朝向膜的一侧迁移导致不均匀的镓分布。因此，最终的薄膜可能具有一定的镓浓度梯度，该梯度朝向PV电池背接触增加且朝向膜的顶部减小。在膜的顶部附近镓浓度不足降低了通过带隙扩展获得所需电压的能力。该技术的另一个问题与铜浓度相关。尽管富含铜的环境产生对于晶粒生长来说的最适条件，但富含In+Ga的环境产生最佳的电子性能。对此困境的一种解决方案是利用富含铜的材料生长大晶粒，然后通过用KCN溶液蚀刻所述膜来去除不想要的铜副产物。然而，此蚀刻技术是耗时的并且在去除不想要的铜的方面不充分。此外，KCN是高毒性的化合物。另一个缺点是需要将沉积的纳米粒子硒化以实现充分的体积膨胀以进行优秀的晶粒生长。可以通过将相对小(离子半径)的硫化物与较大的硒化物反应(例如，使硫化物与硒氛围反应)来实现体积膨胀。这种方法是苛刻的和昂贵的，并且其可能导致非故意地将PV电池接触硒化从而阻碍了其电子性能。因此，本领域中存在着对改进CIGS纳米粒子的液相沉积的需求。更具体地，本领域中存在着制备将生长大晶粒并且形成富含In+Ga的薄膜的CIGS纳米粒子的需求。本领域中还存在着对在晶粒生长期间防止镓迁移并且不需要苛刻的硒化工艺来实现体积膨胀的CIGS纳米粒子的需求。专利技术概述本公开总体上涉及CIGS-型核-壳纳米粒子的制备。在一个实施方案中，核-壳纳米粒子包含四元或三元金属硫属化物核。在另一个实施方案中，所述核可以基本上由二元金属硫属化物壳包围。在又另一个实施方案中，核-壳纳米粒子可以通过液相沉积而沉积在PV电池接触(例如，钼电极)上。然后沉积的粒子可以被熔化或熔融成为薄吸收剂膜。本专利技术的第一个方面提供了一种核-壳纳米粒子，其包含：核，其中所述核包含具有式AB1-xB'xC2-yC'y的金属硫属化物，其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B'独立地是Al、In或Ga；C和C'独立地是S、Se或Te；0≤x≤1；且0≤y≤2；和基本上包围所述核的壳，所述壳包含具有式MxEy的二元金属硫属化物，其中M是金属且E是硫属元素。本专利技术的第二个方面提供了多个核-壳纳米粒子，所述多个核-壳纳米粒子具有选自由下列各项组成的组的一个或多个核：CuInSe2；CuInxGa1-xSe2；CuGaSe2；ZnInSe2；ZnInxGa1-xSe2；ZnGaSe2；AgInSe2；AgInxGa1-xSe2；AgGaSe2；CuInSe2-ySy；CuInxGa1-xSe2-ySy；CuGaSe2-ySy；ZnInSe2-ySy；ZnInxGa1-xSe2-ySy；ZnGaSe2-ySy；AgInSe2-ySy；AgInxGa1-xSe2-ySy；和AgGaSe2-ySy，其中0≤x≤1；且0≤y≤2。在所述多个核-壳纳米粒子中，所述核可以基本上被包封在二元金属硫属化物壳中。二元金属硫属化物可以具有式MxEy，其中M是金属且E是硫属元素。二元金属硫属化物可以选自由下列各项组成的组：CuxSy、InxSy和GaxSy，其中0≤x≤2；且0≤y≤3。本专利技术的第三个方面提供了一种核-壳纳米粒子，所述核-壳纳米粒子具有包含Cu、In、Ga和Se的核和包含CuS的壳。本专利技术的第四个方面提供了一种核-壳纳米粒子，所述核-壳纳米粒子具有包含Cu、In、Ga和Se的核和包含InS的壳。本专利技术的第五个方面提供了一种光伏器件，其包含：支持体；在所述支持体上的衬底层；使用包含核的核-壳纳米粒子形成的在所述衬底层上的吸收剂层，其中所述核包含具有式AB1-xB'xC2-yC'y的金属硫属化物，其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B'独立地是Al、In或Ga；C和C'独立地是S、Se或Te；0≤x≤1；且0≤y≤2；和基本上包围所述核的壳，所述壳包含具有式MxEy的二元金属硫属化物，其中M是金属且E是硫属元素。所述光伏器件可以还包含在所述吸收剂层的顶部上的包含硫化镉的层。所述光伏器件可以还包含在所述硫化镉层上的包含氧化锌铝或氧化铟锡的层。所述光伏器件可以还包含包含选自由下列各项组成的组的金属的接触层：铝、镍以及镍和铝的合金。在所述光伏器件中，所述支持体可以选自由下列各项组成的组：玻璃、硅和有机聚合物。在所述光伏器件中，化学计量可以随着所述吸收剂层内的深度而变化。在所述光伏器件中，In-与-Ga的比率可以随着所述吸收剂层内的深度而变化。本专利技术的第六个方面提供了一种在具有衬底的光伏器件中形成吸收剂层的方法，所述方法包括：将墨水的膜涂覆到所述衬底上，所述墨水包含CIGS-型核-壳纳米粒子，所述CIGS-型核本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏器件，所述光伏器件包括：支持体；在所述支持体上的衬底层；在所述衬底层上的吸收剂层，所述吸收剂层包含：基质，所述基质具有Cu、In和Ga中的一种或多种以及S和Se中的一种或多种；和分散在整个所述基质中的多个核纳米粒子，所述核纳米粒子包含具有下式的金属硫属化物：AB1‑xB′xC2‑yC′y其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B'独立地是Al、In或Ga；C和C'独立地是S、Se或Te；0≤x≤1；并且0≤y≤2。

【技术特征摘要】
2013.12.06 US 61/912,9161.一种光伏器件，所述光伏器件包括：支持体；在所述支持体上的衬底层；在所述衬底层上的吸收剂层，所述吸收剂层包含：基质，所述基质具有Cu、In和Ga中的一种或多种以及S和Se中的一种或多种；和分散在整个所述基质中的多个核纳米粒子，所述核纳米粒子包含具有下式的金属硫属化物：AB1-xB′xC2-yC′y其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B'独立地是Al、In或Ga；C和C'独立地是S、Se或Te；0≤x≤1；并且0≤y≤2。2.根据权利要求2所述的光伏器件，所述光伏器件还包括在所述吸收剂层的顶部上的包含n-型半导体的层。3.根据权利要求2所述的光伏器件，所述光伏器件还包括在所述包含n-型半导体的层上的包含透明导体的层。4.根据权利要求3所述的光伏器件，其中所述透明导体是氧化锌铝或氧化铟锡中的任一种。5.根据权利要求4所述的光伏器件，所述光伏器件还包括包含选自由下列各项组成的组的金属的接触层：铝、镍以及镍和铝的合金。6.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述支撑体选自由下列各项组成的组：玻璃、硅和有机聚合物。7.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述基质包含CuInSSe和CuInGaSSe中的任一种。8.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述多个核纳米粒子是CuIn1-xGaxS2-ySey核纳米粒子。9.根据权利要求1所述的光伏器件，其中所述多个核纳米粒子是CuInGaSe核纳米粒子。10.一种物质的组合物，所述组合物包含：基质，所述基质具有Cu、In和Ga中的一种或多种以及S和Se中的一种或多种；和分散在整个所述基质中的多个核纳米粒子，所述核纳米粒子包含具有下式的金属硫属化物：AB1-xB′xC2-yC′y其中A是Cu、Zn、Ag或Cd；B和B'独立地是Al、In...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·纽曼，
申请(专利权)人：纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB