一种原位制备纳米硫锡锌铜四元化合物光电薄膜的化学方法。该方法把具有纳米化铜锡锌表面的基底材料、单质硫粉和无水乙醇溶剂共置于反应釜的PPL内胆中，单质硫粉含量为0.001克硫/毫升，在240~270℃下反应8~24小时，反应结束后，自然冷却至室温，产物依次用去离子水和无水乙醇清洗，室温下自然晾干，即得到由纳米薄片组成的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料。该方法属温和的湿化学合成方法，反应温度显著降低，环境友好；反应过程不需要真空装置或气氛保护，产品纯度高；通过对金属的溅射顺序及厚度、反应温度、反应时间的控制进而控制产品的形貌，实现了可控合成。采用原位生长法一步成膜，便于组装太阳能电池器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料化学
， 尤其涉及一种在不同基底上原位制备由纳米薄片组成的网状硫锡锌铜(Cu2ZnSnS4)四元化合物光电薄膜材料的化学方法。
技术介绍
近半个世纪以来，CuIn1^xGaxSe2(CIGS)薄膜太阳能电池受到了广泛研究并取得迅速发展。2008年R印ins等首次制成了光电转化率达19. 9%的CIGS薄膜太阳能电池，是目前转化率最高的CIGS电池，但由于In、Ga资源稀缺，(铟主要存在于锡石和闪锌矿中，其在地壳中的含量仅为0.049ppm。镓主要存在于铝及闪锌矿中，地壳中的含量约为18ppm)成本较高，从而限制了 CIGS薄膜太阳能电池的大规模应用，目前仅处于实验室研究阶段并未进行工业化生产。因此寻找适于大规模生产的新型的薄膜太阳能电池材料就成了研究者的研究重点。近年来,Cu2ZnSnS4晶体与CIGS晶体结构性质相似而受到研究者们的亲睐。Cu2ZnSnS4(以下简称CZTS)薄膜太阳能电池属I - II - IV - VI族四元化合物薄膜电池，具有锌黄锡矿结构。半导体如CuInSe2,CuFeS2等化合物具有黄铜矿的结构，与闪锌矿结构十分类似。在黄铜矿结构中，用Sn原子替代其中一半的Fe原子得到黝锡矿结构的化合物，即Cu2FeSnS4，用Cu、Zn部分替换其中的Fe原子可以得到具有锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4。CZTS与CIGS类似，具有较高的光吸收系数OlO4 !!’，禁带宽度约^。eV，与太阳能电池所需要的最佳禁带宽度相匹配，而且锌和锡在地壳中含量丰富，从而可以大大降低生产成本，且其中不含有毒成分，是一种绿色、廉价、安全、适合大规模生产的薄膜太阳能电池材料。1996年Katagiri等在PVSEC-9上首次报道了使用真空蒸发法制得了 ZnO: Al/CdS/CZTS/Mo/SLG结构的CZTS薄膜太阳能电池，其转化效率只有O. 66%,随后又逐步改进方案使转化率达到5. 45%; 2008年Katagiri等首次通过射频磁控溅射法制得了转化率高于6. 7%的CZTS薄膜太阳能电池。2009年，美国普渡大学科学家利用一种以溶液为基础的非真空薄膜沉积法制备了 CZTS太阳能电池，这种电池易于大规模生产且性能非常稳定，其全域转化效率高达7. 2%。目前CZTS的薄膜太阳能电池能量转换效率已经达到9. 6%。但是基于光子平衡(类似于Shockley和Queisser方法)推导的伏安特性表明，理论极限转换效率可以达到32. 2%。CZTS薄膜太阳电池的转换效率仍有很大的提升空间。可以通过改进技术提高转化率。目前制备CZTS薄膜的方法有很多，如电沉积法、喷涂热解法、溅射后硫化法、溶胶-凝胶法、化学沉积法、脉冲激光沉积法等。这些方法虽然取得了一定的进展，但对于CZTS的量产这些方法仍存在很多弊端。如喷涂热解法、溅射后硫化法，这些技术均需要高真空的环境，该技术低的生产量，低的材料利用率，苛刻的实施条件，昂贵的成本限制了其大规模的的生产。P. A. Fernandes 在其文章 Growth and Raman scattering characterization ofCu2ZnSnS4 thin film中采用两步法得到了 CZTS薄膜。即先用丙酮酒精去离子水的混合物超声清洗钠钙玻璃(SLG)基底，然后在氩气的气氛下采用直流磁控溅射仪在基底上依次沉积Cu/Zn/Sn薄膜(祀材纯度均为99. 99%),最后将薄膜在氮气的气氛下以10k/min的升温速度加热至525°C硫化得到产品。申请人:在本专利技术中使用了一种温和、简单、绿色的湿化学合成方法，不需要任何气氛保护，把硫化所需要的温度由525°C降低到250°C，并得到了纯度较高的产品，对今后CZTS的工业化生产具有很大的意义。本专利技术采用的实验方法是将具有锡铜锌合金或者按序分别溅射Sn、Cu、Zn的三层金属基底材料，单质硫粉(S)，以及无水乙醇溶剂共置于对位聚苯(PPL)内胆的反应釜中，在24(T270°C温度下直接反应8 24小时，在基底上成功地原位生长出了由纳米薄片组成的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料。
技术实现思路
本专利技术针对目前制备出的Cu2ZnSnS4纳米晶材料的方法中存在基底温度较高、工 艺复杂、反应条件苛刻和形貌不理想等缺点。提供一种不需要任何模板，不需要添加任何表面活性剂，不必经过除杂等繁琐的后处理操作，在较低的温度下即可制得高纯度的纳米网状结构的Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料的方法。该方法通过一步化学反应直接在基底上原位生长Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料，具有广泛的工业应用价值， 本专利技术所采取的技术方案是 一种纳米硫锡锌铜(Cu2ZnSnS4)四元化合物光电薄膜材料,其特征在于该材料是在具有纳米化铜锡锌金属表面的基底材料上，原位制备的由纳米薄片组成的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料。本专利技术的纳米硫锡锌铜四元化合物光电薄膜材料的制备方法，是把具有纳米化铜锡锌金属表面的基底材料、单质硫粉和无水乙醇溶剂共置于反应釜的对位聚苯内胆中，单质硫粉的含量为O. 001克硫/毫升无水乙醇溶剂，在24(T270°C温度下反应8 24小时，反应结束后，自然冷却至室温，最后产物依次用去离子水和无水乙醇清洗2次以上，室温下自然晾干，即原位制得纳米薄片组成的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料。本专利技术的制备方法中，优选反应温度为250°C，反应时间为18小时。本专利技术的制备方法中，所述的具有纳米化铜锡锌金属表面的基底材料，是指通过离子溅射，在玻璃片或不锈钢片基底材料表面镀了一层纳米锡锌铜合金或按序分别镀了锡、铜、锌、三层金属的材料。本专利技术的制备方法中，所述的镀了一层纳米锡锌铜合金，是采用摩尔比为Cu:Zn:Sn=2:l:l的合金在普通玻璃片上溅射镀的锡铜锌合金薄膜；分别溅射锡、铜、锌三层金属顺序为Sn、Cu、Zn,该三层金属的摩尔比在Cu: Zn: Sn=L 5:1:1与Cu: Zn: Sn=I: I: I之间变化。三层金属的摩尔比在Cu:Zn:Sn=2:l:l与Cu: Zn: Sn=I: I: I之间变化，均可得到纯的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料(PDF卡号26_575)。本专利技术的优点 I、同其它制备CZTS的方法相比较，反应温度显著降低，属于温和的湿化学合成方法，便于大规模生产。2、反应过程不需要任何真空装置或气氛保护，且产品纯度高。3、采用原位生长法一步成膜，不需要进一步的旋涂成膜过程，便于组装太阳能电池器件。4、通过金属溅射顺序及厚度、反应温度、反应时间等的控制进而控制CZTS产品的形貌，实现了可控合成。5、整个实验过程只使用乙醇做溶剂，对环境友好。附图说明 图I、实施例I制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的电子显微照片 图2、实施例2制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的电子显微照片 图3、实施例3制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的电子显微照片 图4、实施例3制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的XRD图 图5、实施例3制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的激光拉曼图 图6、实施例4制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的电子显微照片 图7、实施例4制备的硫锡锌铜纳米晶薄膜材料的XR本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米硫锡锌铜四元化合物光电薄膜材料，其特征在于：该材料是在具有纳米化铜锡锌金属表面的基底材料上，原位制备的由纳米薄片组成的网状Cu2ZnSnS4四元化合物光电薄膜材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑直，翟学珍，张艳鸽，雷岩，法文君，高远浩，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。