一种Zn-Cu-In-S量子片及太阳能电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Zn

【技术实现步骤摘要】
一种Zn
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Cu
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In
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S量子片及太阳能电池及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米新材料
，涉及一种水溶性六边形纳米材料及其制备方法以及在有机薄膜太阳能电池当中的应用，尤其涉及的是一种Zn
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Cu
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In
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S量子片及太阳能电池及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]纳米片是一类相对较新的纳米材料。其不仅保留了二维材料的本征特性，而且表现出量子限域效应和突出的边缘效应，由于其特殊的结构，这类材料的电子只能在二个维度方向上运动，因此它们表现出相对新颖的物理、化学和电子特性的精确可调性(如带隙、吸收和光致发光)成为可能。此外，作为无机半导体材料，由于其高导电性和良好的溶液加工性，在光电领域拥有巨大的应用潜力。其中CuInS2是直接半导体，带隙为1.45eV，激发玻尔半径为4.1nm；因此，量子片厚度低于8nm.它具有很大的吸收系数(α＝5
×
105cm
‑1)在可见光谱范围内，这使得它一种有吸引力的材料，可用于太阳能转换、光电探测器、发光器件、光催化、和生物标记。CuInS2(CIS)纳米片覆盖广泛的颜色从光谱的可见光到近红外区域的窗口和具有高发射强度，因此可以开发用于体内生物医学的颜色可调CIS纳米片发射器成像、照明和显示。很多团体都报告了CIS中增强的光致发光(PL)发射特性通过掺入ZnS外壳的CIS纳米片发射器更适合实际应用，因为它们不含任何A类(Cd、Pb、Hg)或B类元素(Se和As)，最近的一项研究表明，CIS纳米片的毒性明显低于基于Cd基以及Pd基的量子材料，符合绿色环保的概念。
[0003]对CIS纳米材料合成的早期研究专注于单一来源前体的使用，特别是[(PPh3)2CuIn(SEt)4]，由Hirpo首次合成等。虽然单一来源的前驱体确实产生了尺寸可控的纳米结晶，但这些金属有机前体的预合成通常涉及使用专门的前体，需要多种合成步骤和复杂的合成程序。根据不同方法合成的CIS纳米晶体分为黄铜矿(CP)、闪锌矿(ZB)和纤锌矿(WZ)，然而，大多数方法的共同点是需要配体试剂(即表面活性剂)，使用具有配体官能团(如COOH、NH2等)的长链分子作为表面活性剂配体，这对化合物的稳定性和分散性至关重要。并且在随后的结构和形态中也起着关键作用。然而，这些有机大分子的存在形成了高度绝缘的屏障，严重阻碍了纳米片之间的电子传输，极大地限制了纳米片在元器件中的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种过程简单、效率高、可以大规模应用的、稳定性好的超薄二维纳米量子片的制备方法。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]Zn
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Cu
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In
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S二维量子片的制备方法，包括步骤如下：
[0007](1)将三氯化铟四水合物在溶剂十八烯和配体油胺中升温溶解，完全溶解后除氧得到铟混合溶液；
[0008](2)将硫磺在十八烯中完全溶解，溶解后的硫混合溶液加入到冷却后的步骤(1)得
到的铟混合溶液中，混合除氧，加热升温；
[0009](3)在步骤(2)得到的混合溶液升温到一定温度时，维持氮气氛围反应一段时间，加入溶解好的铜混合溶液，反应一定时间后降温；
[0010](4)在一定温度时，加入溶解好的锌混合溶液，反应一段时间后加热，加热到目标温度时停止加热；混合溶液在目标温度保温反应一段时间，反应完成后降温至常温，加入过量异丙醇后离心，即可得到六边形Cu
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In
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Zn
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S二维量子片。
[0011](5)将Zn
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Cu
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In
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S量子片溶解在正己烷中，加入4
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溴硼酸重氮苯四氟硼酸盐，加入过量DMF后，脱气，剧烈搅拌至溶液重新分层，加入异丙醇乙腈混合液离心，反复三次后，便可得到配体交换后的水溶性六边形Zn
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Cu
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In
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S纳米片。
[0012]步骤(1)中，物质用量比例关系为：三氯化铟四水合0.15～0.3mmol，十八稀2～5ml，油胺2～5ml；升温到100℃到120℃，保证混合溶液完全溶解，无固体杂质残留，升温速率5～10℃/min；
[0013]步骤(2)中，物质用量比例关系为：硫磺0.15～0.3mmol，十八稀2～5ml，用酒精灯加热至完全溶解，加热时试管内通入氮气防止药品氧化；加入硫混合溶液后升温至100～120℃。
[0014]步骤(3)中，铜混合溶液为：将0.15～0.3mmol碘化亚铜溶于1
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3ml双对氯苯基三氯乙烷中；步骤(2)得到的混合溶液升温速率为5～10℃/min，升温至170～190℃，加入溶解好的铜混合溶液后反应5～15min，然后降温。
[0015]步骤(4)中，锌混合溶液为：氧化锌加入2
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乙基己酸中加热溶解得到；氧化锌取用量为0.1～0.3mmol，2
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乙基己酸用量为1
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3ml；加入溶解好的锌混合溶液后，以5～10℃/min速率升温到240～250℃，保温反应10～30min，降温至常温。
[0016]步骤(5)中，量子片粉末与4
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溴硼酸重氮苯四氟硼酸盐取用物质的量之比为3：1至2：1，70℃条件下剧烈搅拌至溶液重新分层，离心速率为10000～12000r/min.离心8～15min。
[0017]根据上述方法制备的Zn
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Cu
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In
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S量子片，该Zn
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Cu
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In
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S量子片为水溶性。
[0018]本专利技术还提供一种Zn
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Cu
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In
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S量子片太阳能电池的制备方法，应用上述配体交换后的水溶性Zn
‑
Cu
‑
In
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S量子片，包括以下步骤：
[0019](1)采用旋涂法在导电玻璃基底上制备空穴传输层，旋涂速率为3000r/min到5000r/mi，n旋涂30s；在150℃下热处理20min；
[0020](2)采用旋涂法，将配体交换后的水溶性Zn
‑
Cu
‑
In
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S量子片涂在空穴传输层上，旋涂速率为2000r/min到4500r/min，旋涂30s；100℃热处理5min；
[0021](3)在量子片薄膜上旋涂PM6/IT
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4F活性层,旋涂速率4000r/min，旋涂40s；
[0022](4)旋涂电子传输层，旋涂速率为3000r/min到4000r/m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Zn
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Cu
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In
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S量子片的制备方法，其特征在于，通过配体交换将Zn
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Cu
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In
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S量子片的有机长链配体转变为短链无机配体，将油溶性量子片转变为水溶性，并且改善了量子片的导电性以及分散性。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将三氯化铟四水合物在溶剂十八烯和配体油胺中升温溶解，完全溶解后除氧得到铟混合溶液；(2)将硫磺在十八烯中完全溶解，溶解后的硫混合溶液加入到冷却后的步骤(1)得到的铟混合溶液中，混合除氧，加热升温；(3)在步骤(2)得到的混合溶液升温到一定温度时，维持氮气氛围反应一段时间，加入溶解好的铜混合溶液，反应一定时间后降温；(4)在一定温度时，加入溶解好的锌混合溶液，反应一段时间后加热，加热到目标温度时停止加热；混合溶液在目标温度保温反应一段时间，反应完成后降温至常温，加入过量异丙醇后离心，即可得到六边形Cu
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In
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Zn
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S二维量子片；(5)将Zn
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Cu
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In
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S量子片溶解在正己烷中，加入4
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溴硼酸重氮苯四氟硼酸盐，加入过量DMF后，脱气，剧烈搅拌至溶液重新分层，加入异丙醇乙腈混合液离心，反复三次后，便可得到配体交换后的水溶性六边形Zn
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Cu
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In
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S纳米片。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，物质用量比例关系为：硫磺：0.15～0.3mmol，十八稀2～5ml，加热至完全溶解，加热时试管内通入氮气防止药品氧化；加入硫混合溶液后升温至100～120℃。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，铜混合溶液为：将0.15～0.3mmol碘化亚铜溶于1
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3ml双对氯苯基三氯乙烷中；步骤(2)得到的混合溶液升温速率为5～10℃/min，升温至170～190℃，加入溶解好的铜混合溶液后反应5～15min，然后降温。5.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐建国，孙国荣，王瑶，袁泽，赵硕，杜中林，沈文飞，王彦欣，阿提米耶夫，程显玉，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：