铜基纳米太阳能电池材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铜基纳米太阳能电池材料的制备方法，属于半导体纳米太阳能电池材料的制备技术。以金属化合物为前驱体，硫醇、单质硫和单质硒等为硫族原料，油胺、油酸、1-十八烯和三辛基氧化瞵(TOPO)等为主要高沸点溶剂。采用热分解的方法，在不苛刻反应条件下制备形貌各异、结晶度好、单分散性好，相结构可控、光性质可调的铜基纳米太阳能电池材料，为高质量纳米铜基太阳能材料在制造太阳能电池和设计光催化剂等方面的应用和工业化生产奠定了基础。本发明专利技术具有产品性质可控，质量高，生产工艺简单和易于工业化和环境友好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于新型能源材料领域，特别涉及采用高温有机溶剂热解法，以金属化合物作为前驱体制备高质量单分散纳米晶的方法。
技术介绍
太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，是替代传统不可持续的化石能源的终极能源。太阳能电池是一 种基于光伏效应的可再生太阳能发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，是一种环保的发电方式。当前，已经大规模工业化生产单晶硅和多晶硅太阳能电池由于硅吸收系数低，故要求一定的厚度，且在生产和使用过程中会增加材料，成本较高。另外，用于制造硅太阳能电池的硅材料生产硅的过程能耗高，污染严重，而且硅太阳能电池所产出的电能尚不够补偿生产硅的所消耗的电能，因此发展硅太阳能电池，从长远角度考虑不是一种清洁可持续能源补偿方式。薄膜太阳能电池是一种经济、环保、节能、高效的太阳能电池，具有生产成本低、能耗小、高转化效率等优点。传统的碲化镉薄膜太阳能电池可引起重金属污染的严重环境问题，从而限制了它们的发展。铜基太阳能电池具有地球丰度高、毒性低、高吸收系数和适宜的带隙等优点，可以用于发展低成本的多元化合物类薄膜太阳能电池。多元化合物化学式主要为 ABQ2，主要包括 1-1I1-VI2 (I=Cu, Ag ； III =In, Al, Ge; VI =S, Se, Te),其中1-1I1-VI2系列半导体化合物的带隙为0.8 3.5eV。本专利主要关注铜基的CuIn (S，Se) 2 [CIS (Se) ] XuInxGa1^x (S，Se) 2 (O ^ I) [CIGS (Se) ] ,CuFe (S，Se) 2 [CFS (Se)]、Cu2FeSn (S，Se) 4 [CFTS (Se) ]、Cu2CoSn (S，Se) 4 [CCTS (Se) ]、Cu2ZnSn (S，Se) 4 [CZTS (Se)]等纳米材料的制备。CuIn (S，Se)2是一种三元I _ II _ VI 2族的化合物半导体，具有黄铜矿(Chalcopyrite)、纤锌矿(Wurtzite)和闪锌矿(Zinc Blende)三种晶体结构,其室温下带隙大约为1.53eV，是陆地上光伏电池最优的禁带宽度值。理论预测的CuInS2太阳能电池的效率高达26%，然而直到今天，文献报道的CuInS2薄膜太阳能电池效率仅接近于12%。“绿色化学”的发展要求使用无毒的材料，而硒化物的是具有很高毒性的材料。作为光伏材料，CuInS2具有吸收系数大、制造成本低和毒性低等优点，因此CuInS2是非常具有吸引力的材料。CuInxGa1^x(S, Se)2(0≤x≤I) [CIGS(Se)]是最具有前景的太阳能薄膜吸收材料，具有高吸收系数、成本低和耐用性强等优点。CIGS (Se)材料还有一个优点，即通过改变镓的掺杂浓度，可以调节CIGS宽度禁度在1.07到1.7eV之间。目前据报道，多晶CuIni_xGaxSe2的薄膜太阳能电池的效率最高可达18.8%。但是铟和镓元素地球丰度低，价格贵，使得电池制造成本高。CuFeS2属于1-1II _ VI2系列的硫族化合物，具有黄铜矿结构。CuFeS2是自然界中广泛存在的三元硫化物，许多矿产品中包含CuFeS2,是自然界中炼铜的主要来源。三价的磁性的铁原子替代了III的原子，但是d-型导带使得其带隙的急剧下降到0.5^0.6eV。CuFeS2也是一种反铁磁性的半导体材料，可以用于自旋电子方面的应用。黄铜矿的CuFeS2具有四方的结构，铁和铜离子与硫形成四个配位键。Cu2FeSnS4是一种反铁磁性的半导体材料，主要有纤维锌矿和闪锌矿两种结构。在多元化合物薄膜太阳能电池中，CuInGaSe2(CIGSe)和Cu2ZnSnS4(CZTS)具有高吸收系数和适宜的带隙等优点，文献报道的太阳能电池的实验室效率分别达到18.8%和10.1%。Cu2FeSnS4被认为是一种很有前景的太阳能电池材料，其黄锡矿的结构非常类似于CZTS (Kesterite)，主要差别在于Cu+，Zn2+和Fe2+离子的分布。据报道的Cu2FeSnS4的制备方法主要有元素法、水热法和热分解法。其中热分解法合成的纳米颗粒尺度均匀，单分散性好和结晶度闻等优点。Cu2CoSn(S, Se)4(CCTS, Se)是具有黄铜矿结构的四元化合物，带隙大约为1.5eV，主要有纤维锌矿和闪锌矿两种相结构。其中CCTS的晶格常数中，a=0.53956nm, c=l.0789nm。CCTS的组成元素在地壳上广泛地存在，且元素毒性较低，也是一种理想的太阳能电池材料。Cu2ZnSn(S，Se)4 (CZTS, Se)的结构类似于 Cu2CoSn(S，Se)4。CZTS(Se)是一种 P 型的半导体，带隙介于1.45^1.6eV，其吸收系数超过IO4CnT1,适合于薄膜太阳能电池。CZTS或CZTSSe类似于将CuIn (S，Se)2中的In由Zn ( II )和Sn ( IV )以50:50的比例替代产生的结构。CZTS (Se)具有毒性低，元素丰度高和价格低廉等特点，是一种替代含有稀缺的铟和镓的CuIn (S，Se)2和CuInGa (S，Se)2的具有良好前景的材料。至今，Cu2ZnSn (S，Se)4的制备主要方法主要有原子束溅射法、喷雾热解法、磁控溅射法等，但这些方法制备需要成本高，不适合规模化产业制备。目前，通用的溶液法合成纳米颗粒，适合于规模化制备，并通过喷墨打印法、旋涂法和卷对卷等大规模降低薄膜太阳能电池的制备成本。文献中报道的铜基太阳能电池纳米材料的制备方法主要包括气相法和液相法，气相法主要包括喷射热解法(Spray Pyrolysis)、射频派射法(RF Sputtering)和气相沉积法等，其中气相沉积法和射频溅射法需要采用昂贵的高真空系统、工艺操作复杂、产率低，成本高，不利于大规模工业化生产。而喷射热解法制备的产品容易形成杂质相，不利于用于太阳能电池的光吸收。液相法主要有共沉淀法、水热/溶剂热法和热分解法等，这类方法适合制备结晶度高、质量较好的纳米晶体，液相合成具有生产成本较低，且质量容易控制等优点，更易于实现大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的为了该进现有技术的不足而提供一种。本专利技术的技术方案为:一种单分散纳米铜基太阳能电池材料的制备方法，其具体步骤如下:A.(1)将硫族原料混合于高沸点的溶剂，通氮气保护，并加热溶解；(2)将金属前驱体加入高沸点的溶剂中，抽真空后回充氮气，并加热溶解；(3)将步骤(2)得到的溶液快速注入到步骤(1)得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物；或者将步骤(1)得到的溶液快速注入到步骤(2)得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物；或者是Al.将硫族原料混合于步骤A (2)制得的溶液中，然后加热反应，冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物。优选上述的硫族原料为硫醇、硫脲、二硫化碳、硒脲、单质硫、单质硒或单质締的一种；优选硫族原料与金属前驱体中金属的摩尔比为所制备目标产物化学计量比的1.5-5倍。优选步骤A(I)和A(2)中所述的高沸点的溶剂均为油胺、油酸、1-十八烯、三辛基瞵(TOP)、二氯苯、三辛基氧化瞵(T0P0)、本文档来自技高网...

【技术保护点】
铜基纳米太阳能电池材料的制备方法，其具体步骤如下：A．（1）将硫族原料混合于高沸点的溶剂，通氮气保护，并加热溶解；（2）将金属前驱体加入高沸点的溶剂中，抽真空后回充氮气，并加热溶解；（3）将步骤（2）得到的溶液快速注入到步骤（1）得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物；或者是将步骤（1）得到的溶液快速注入到步骤（2）得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物；或者是A1．将硫族原料混合于步骤A（2）制得的溶液中，然后加热反应，冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物。

【技术特征摘要】
1.铜基纳米太阳能电池材料的制备方法，其具体步骤如下: A.(I)将硫族原料混合于高沸点的溶剂，通氮气保护，并加热溶解； (2)将金属前驱体加入高沸点的溶剂中，抽真空后回充氮气，并加热溶解； (3)将步骤(2)得到的溶液快速注 入到步骤(1)得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物；或者是将步骤(I)得到的溶液快速注入到步骤(2)得到的溶液中，并将混合液在加热反应；冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物； 或者是Al.将硫族原料混合于步骤A (2)制得的溶液中，然后加热反应，冷却后，使用有机溶剂洗涤，离心后得到产物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述的硫族原料为硫醇、硫脲、二硫化碳、硒脲、单质硫、单质硒或单质締的一种；其中硫族原料与金属前驱体中金属的摩尔比为所制备目标产物化学计量比的1.5-5倍。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:步骤A(I)和A(2)中所述的高沸点...

【专利技术属性】
技术研发人员：暴宁钟，邱新民，高凌，沈丽明，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：