一种铜铟镓硫微纳二级阵列及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铜铟镓硫微纳二级阵列及其制备方法和应用，所述的微纳二级阵列由在衬底上生长的规则排列的微米级半导体球冠，和球冠表面的半导体纳米片组成。本发明专利技术制得的微纳二级阵列由于其特殊的形貌使其具有较同类薄膜更好的光吸收性能。另外，由于纳米片在微米级球冠表面规则排列，使得从各个角度入射的光线都能够得到吸收的同时降低其对光线入射角度的敏感性。该阵列在光伏领域应用时，能够有效增大对太阳光的吸收，降低光生载流子复合率和太阳能电池的使用成本。率和太阳能电池的使用成本。率和太阳能电池的使用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种铜铟镓硫微纳二级阵列及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于太阳能光伏电池
，具体涉及一种铜铟镓硫微纳二级阵列及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]金属硫属化合物半导体材料，以其优异的物理和化学性能在光电、光催化和传感器领域受到较多关注，与此同时，随着纳米技术的发展和纳米材料合成工艺的改进，像纳米线、纳米片及纳米棒等不同形貌的金属硫属化合物半导体不断被合成和应用。
[0003]中国专利CN201310733812.2公开了一种用于太阳能电池的基于纳米粒子铜铟硫硒薄膜的制备方法。该专利技术采用磁控溅射法，在衬底上依次沉积背电极和铜铟硫吸收层后进行硒化处理，制得铜铟硫硒吸收层。在吸收层外侧依次制备CdS缓冲层、本征氧化锌高阻层、氧化铟锡薄膜低阻抗层，得到用于太阳能电池的铜铟硫硒薄膜。该专利技术操作方法简便，不引入其它杂质，同时对环境友好，适合工业化生产；但在吸收层的制备过程中对温度和电压要求较高，相应增加了合成的成本。
[0004]中国专利CN109589991A公开了一种锌铟硫/铜铟硫二维异质结光催化剂、其制备方法及应用。该专利技术首先将锌源化合物、铟源化合物和硫源化合物溶解在水中制备成悬浊液，并将悬浊液在100℃～250℃反应10小时以上，将产物离心收集，洗涤，干燥得到ZnIn2S4光催化剂；然后将铜源化合物、铟源化合物、硫源化合物以及ZnIn2S4光催化剂分散到乙二醇中制备成悬浊液；并在100℃～250℃反应10小时以上后，将产物离心收集，洗涤，干燥，得到ZnIn2S4/CuInS2二维异质结光催化剂。该合成方法简单，而且得到的二维异质结具有较好的结晶性，纯度也较高；但产物离心收集后得到的是粉末，在光伏领域应用时与衬底之间的结合力较在衬底上直接生长的材料要弱，不利于在光伏领域直接进行应用。
[0005]中国专利CN105118877B公开了一种铜铟镓硫硒薄膜材料的制备方法；该专利技术在太阳能电池基底上通过反应溅射的方法制备预制层铜铟镓硫，在一定条件下进行硒化退火，得到铜铟镓硫硒薄膜材料。这种反应溅射预制层后硒化的方法制备出的铜铟镓硫硒薄膜材料能够精确控制薄膜中各元素的化学计量比、膜的厚度和成分的分布，薄膜的致密度高，体积膨胀小，可有效地解决现有方法制备铜铟镓硫硒半导体薄膜材料过程中存在的成分不易控制、均匀性欠佳、表面缺陷较多及易产生不利杂相等问题；但该专利技术中硒化退火对温度要求较高，相应的增加了材料的合成成本，同时硒化处理后薄膜表面容易形成二元杂质相。
[0006]中国专利CN110364422B 公开了一种铜铟镓硫二维纳米结构阵列及其制备方法和应用；该专利技术通过水热法合成CuxS纳米片团簇，再通过连续离子层吸附（SILAR）与退火方式相结合来合成铜铟镓硫二维纳米结构阵列。通过该方法合成的二维纳米结构阵列排列有序，周期性好，光吸收性能优良。但该专利中的材料是通过水热反应直接在衬底上沉积，其与衬底的结合力远不如直接在衬底上原位生长的材料。通过SILAR合成材料需要重复以下4个步骤：1）衬底在目标化合物的一种离子前驱液中浸泡，以吸附阳离子；2）将衬底表面未吸附紧的多余离子用去离子水（DIW）清洗掉；3）将衬底放到目标化合物的阴离子前驱液中浸
泡，阴、阳两种离子反应得到目标化合物；4）用去离子水将表面未发生反应的离子清洗掉。该过程非常繁琐耗时，而且受浸泡时间不能精准把控和前驱液浓度变化的影响，沉积的薄膜普遍存在颗粒大小不均匀的问题；同时，退火需要较高的温度，而退火温度也需要不断的摸索，这无疑增加了材料的合成成本。
[0007]R. Inguanta等就以氧化铝为模板，利用恒压电沉积法制备了CIGS纳米线阵列，并进行了光电化学测试和带隙分析。测试结果表明，由于存在阴极光电流且CIGS带隙值为1.55 eV，该纳米线阵列可以用于纳米线太阳能电池，而且其带隙与太阳能电池的最优带隙1.45 eV比较接近。但通过该方法制备的CIGS纳米线是非晶，也即该纳米线在应用时仍然会由于自身的晶体结构及缺陷的存在使光电转换效率降低。
[0008]从现有的文献报道来看，纳米材料应用于光伏领域可以增大对光的吸收，提高光电转化效率。虽然有通过使用模板的电化学方法制备的一维纳米阵列，通过水热法合成的二维光催化剂粉末，但是目前还不存在一种工艺简单、制作成本较低且能够用于大面积纳米材料制备的方法，而且当前制备的二维纳米薄膜太阳能电池同样需要随着太阳光照射方向的变化不断改变电池板的方向，容易造成太阳能电池成本的提高。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种铜铟镓硫微纳二级阵列及其制备方法和应用，该微纳二级阵列可有效解决光伏领域应用中太阳能电池中光生载流子复合率高、制备过程繁琐耗时、制备成本高、对太阳光不能有效利用以及对光线入射角度敏感等问题。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铜铟镓硫微纳二级阵列，其由在衬底上生长的规则排列的微米级半导体球冠、和球冠表面的半导体纳米片构成。本专利技术所述二级阵列具有优于铜铟镓硫薄膜的光生载流子分离率和光吸收性能，在光伏领域应用时可有效提高太阳能电池的性能。
[0011]上述的铜铟镓硫微纳二级阵列，所述半导体为具有单晶结构的铜铟镓硫。
[0012]具体的，上述微纳二级阵列中，球冠的直径为0.5
‑
100μm，纳米片的厚度为0.1nm
‑
1μm。
[0013]本专利技术提供了一种上述铜铟镓硫微纳二级阵列的制备方法，其包括以下步骤：1）将洁净的衬底放入反应釜底部，加入第一前驱液；反应釜密封后，在80
‑
300℃下加热2h
‑
50h，清洗、干燥后，衬底表面生长有球冠状起伏结构的硫化亚铜薄膜；2）将生长有硫化亚铜薄膜的衬底取出，放入另一反应釜底部，加入第二前驱液；反应釜密封后，在80℃
‑
200℃下加热2h
‑
50h，清洗、干燥后，得到铜铟镓硫微纳二级阵列。
[0014]具体的，第一前驱液或第二前驱液的体积与反应釜容积的比例为3
‑
2:5。
[0015]进一步的，步骤1）所述第一前驱液由硫代乙酰胺溶于乙二醇中制成，硫代乙酰胺浓度为0.01
‑
1mol/L。
[0016]进一步的，步骤2）所述第二前驱液由质量比为0.6
‑
1:7:6的硫代乙酰胺、氯化铟和氯化镓溶于乙二醇中制成。
[0017]具体的，步骤1）所述衬底为铜片，或表面沉积有铜膜的陶瓷、云母、高分子塑料、金属、硅片、玻璃或不锈钢片；铜膜的厚度为50nm
‑
50μm。沉积方法包括物理气相沉积法或电化
学沉积法；所述物理气相沉积法为溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法、激光束蒸发法或硒化法等；所述电化学沉积法为脉冲电化学沉积、恒压电化学沉积或恒流电化学沉积等。沉积方法采用本领域常规技术即可，本专利技术不再详述。
[0018]本专利技术还提供了上述铜铟镓硫微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜铟镓硫微纳二级阵列，其特征在于，由在衬底上生长的规则排列的微米级半导体球冠、和球冠表面的半导体纳米片构成。2.根据权利要求1所述的铜铟镓硫微纳二级阵列，其特征在于，所述半导体为具有单晶结构的铜铟镓硫。3.根据权利要求1所述的铜铟镓硫微纳二级阵列，其特征在于：所述微纳二级阵列中，球冠的直径为0.5
‑
100μm，纳米片的厚度为0.1nm
‑
1μm。4.一种权利要求1至3任一所述铜铟镓硫微纳二级阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将洁净的衬底放入反应釜底部，加入第一前驱液；反应釜密封后，在80
‑
300℃下加热2h
‑
50h，清洗、干燥后，衬底表面生长有球冠状起伏结构的硫化亚铜薄膜；2）将生长有硫化亚铜薄膜的衬底取出，放入另一反应釜底部，加入第二前驱液；反应釜密封后，在80℃
‑
200℃下加热2h
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50h，清洗、干燥后，得到铜铟镓硫微纳二级阵列。5.根据权利要求4所述铜铟镓硫微纳二级阵列的制备方法，其特征在于，第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立强，张良，吕志，武世凯，任艺，王一顺，王珂，李姝莹，谷旭，贾子可，
申请(专利权)人：商丘师范学院，
类型：发明
国别省市：