[发明专利]一种微波合成铜锌锡硫纳米颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种纳米光电技术领域的材质及其制备方法，具体涉及一种铜锌锡硫纳米颗粒的合成方法。

 

背景技术

全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰着人类社会。寻求绿色替代能源，实现可持续发展，已成为世界各国共同面临的课题。从长远来看，可再生能源将是未来人类的主要能源来源。在新发展的可再生能源的利用中，太阳电池最具潜力。

由于全球硅材料的短缺和高昂的制备成本，薄膜太阳电池引起了人们的广泛关注，已成为科技工作者的研究重心。薄膜太阳电池分为硅基薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳电池，作为化合物薄膜电池的代表，CIGS(铜铟稼硒)薄膜太阳电池取得了长足的发展。截止到2010年底其最高转换效率已经达到了20.3%，但是其组成元素Se的毒性和In、Ga的高昂成本却严重制约着CIGS的发展。为了寻找一种无毒廉价且高效的太阳电池材料，人们经过了不懈的努力和探索。

Cu₂ZnSnS₄ (以下简称为CZTS)是一类锌黄锡矿结构(kesterite)化合物半导体，其结构与黄铜矿结构的CIGS类似，可看成是用Zn、Sn和S分别代替CIGS中的In、Ga、Se。由于In和Ga为贵金属，而Se又有一定的毒性，因此CZTS相比CIGS在成本及环境友好方面具有比较大的优势。CZTS薄膜的光学带隙接近1.5eV，与太阳光谱的响应较好, 非常适合用作太阳电池中的光吸收层。CZTS的光吸收系数较大(可见光波段吸收系数10⁴cm^-1-10⁵cm^-1)，只需要1μm厚度即可完全吸收太阳光，适合制备薄膜太阳电池，此外CZTS的组成元素地球上储量均较丰富且无毒。因此，CZTS作为一种太阳电池吸收层材料近年来逐渐受到人们的重视，目前以CZTS为吸收层的太阳电池转换效率达到6.8%，而用一部分Se取代Cu₂ZnSnS₄中的S的Cu₂ZnSn(S,Se)₄（CZTSSe）电池效率可达到9.6%。因此这种新型太阳电池有着很好的应用前景和巨大的商业价值。

目前制备Cu₂ZnSnS₄太阳吸收材料的方法主要有溅射、蒸发等真空工艺与电化学沉积、旋涂等非真空工艺。与真空制备工艺相比，非真空工艺无需昂贵的真空设备，因此在成本上更具优势。而制备Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒主要是采用溶剂热法，此方法制备材料所需反应时间较长，能耗较高。微波合成法制备CZTS纳米颗粒只需要5-30min，极大缩短了材料的制备周期，而且能耗低，制备过程无毒、无污染，产量大。

发明内容

本发明提出一种铜锌锡硫纳米颗粒的合成方法，该方法无需真空设备，降低生产成本，制备周期短，适合工业化大规模生产，制备铜锌锡硫纳米颗粒所用的材料都是无毒、无污染且廉价的，这极度降低了太阳电池的生产成本，具有良好的应用前景。

本发明所涉及的Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒的制备方法是通过以下技术方案实现的，具体包括以下几个步骤：

一种铜锌锡硫纳米颗粒的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1). 首先是溶液的配制；将铜盐、锡盐、锌盐以及硫源加入到有机溶剂中，用磁力搅拌器搅拌均匀使其充分溶解得到澄清溶液。其中所述的二价铜盐浓度为0.03 M-0.06 M，二价锡盐浓度为0.02 M-0.05 M，二价锌盐浓度为0.02 M-0.05 M；硫离子的浓度为0.05 M-0.1 M；

(2).将步骤(1)获得的溶液放入到微波炉中；微波功率为100-800W，微波时间为5-30min，获得Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒溶液；

(3).将步骤(2)到得的纳米颗粒用离心机从溶液中分离出来，离心速度为6000 r/min，时间为10min，再用超纯水和乙醇多次清洗，最终得到Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒。

其中步骤(1)所述二价铜盐为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜或乙酸铜中的一种或其组合。

步骤(1)所述的二价锌盐为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌或乙酸锌中的一种或其组合。

步骤(1)中所述的二价锡盐为二氯化锡、醋酸锡、辛酸锡、乙酰丙酮溴化锡或乙酰丙酮氯化锡中的一种或其组合。