[发明专利]用于薄膜太阳能电池的铜-铟-镓-硫属化物纳米粒子前体

说明书

通过在有机溶剂中添加金属盐和烷硫醇并通过施加热量促进反应来合成含有IUPAC第11族离子、第13族离子和硫离子的纳米粒子。在低至200℃的温度下形成纳米粒子。可以在低于反应温度的温度(通常低～40℃)下将纳米粒子热退火一段时间以改善拓扑结构并且使尺寸分布变窄。反应完成后，可以将纳米粒子通过加入非溶剂分离并在包含甲苯、氯仿和己烷的有机溶剂中再分散以形成纳米粒子墨水。可以在反应溶液中加入添加剂以调整最终墨水粘度。

相关申请的交叉引用：本申请是2013年3月4日提交的美国临时专利申请61/772,372的非临时申请，其全部内容通过引用结合在本文中。

背景

1.发明领域

本发明涉及光伏材料。更具体地，其涉及CuIn_xGa_1-xS₂(0≤x≤1)纳米粒子的制造。

2.包括根据37 CFR 1.97和1.98公开的信息的相关技术的说明

为了商业上可行，光伏电池必须以能和化石燃料竞争的成本发电。必须使用低成本材料和通过廉价设备制造工艺制造光伏电池。光伏电池必须能够具有适中至高的太阳光到电的转换效率。并且材料合成和设备制造都必须是商业规模的。

光伏市场目前由硅晶片系太阳能电池(也叫做第一代太阳能电池)占主导。这些太阳能电池中的活性层由具有典型范围为从数微米到数百微米的厚度的单晶硅晶片制成，这一厚度是相对大的。因为硅在吸收光方面相对较弱，所以需要厚的活性层。这些单晶晶片的制造相对昂贵，因为其过程包括制造和切割高纯度的单晶硅铸锭。该过程的产量通常是低的。

晶体硅晶片的高成本已经促使工业界寻找更廉价的用于太阳能电池的材料。半导体材料例如二硫化/硒化铜铟/镓CuIn_xGa_1-xS₂(0≤x≤1)(在本文中通常称为CIGS)是强的光吸收剂并且具有与光伏应用的最佳光谱范围良好匹配的带隙。此外，因为这些材料具有强的吸光系数，在使用这些材料的太阳能电池中的活性层仅需要数微米厚。

二硒化铜铟(CuInSe₂)是最有前景的用于薄膜光伏应用的候选物之一。然而，通过将CuInS₂膜硒化可以制造基于CuInSe₂的太阳能电池。在硒化期间，将CuInS₂膜在富硒气氛中加热，使得硒代替膜内某些或全部的位置中的硫，因为当Se代替S时替换产生了体积膨胀，其减少了膜内的空隙空间并且可重复地形成高质量、致密的CuInSe₂吸收剂层。假设完全用Se代替S，所得晶格体积膨胀是大约14.6％(基于黄铜矿(四方)CuInS₂的晶格参数和CuInSe₂的晶格参数计算)。可以通过在富硒气氛下将膜退火以将CuInS₂纳米粒子膜转化为主要的硒化物材料。CuInS₂纳米粒子有希望作为用于制造CuInSe₂活性层的前体。使用CuInS₂纳米粒子代替仅使用CuInSe₂纳米粒子的优点是，硫前体通常比它们的硒对应物更廉价且更容易得到。

用于吸收剂材料的理论最优带隙是约1.3-1.4eV。通过将镓结合到CuInS₂纳米粒子中，可以控制带隙使得硒化之后CuIn_xGa_1-xSe₂吸收剂层具有用于太阳能吸收的最优带隙。

通常，已将昂贵的气相或蒸发技术(例如有机金属化学气相沉积、RF溅射、闪蒸等)用于将二硫化铜铟(镓)膜沉积到基板上。尽管那些技术可以制造高质量的膜，对于规模化到大面积沉积和更高的加工产量来说，它们是困难的且昂贵的。