[发明专利]一种多元硫化物半导体纳米材料的可控制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一种多元硫化物半导体纳米材料的可控制备方法；尤其涉及一种二元及四元硫化物半导体纳米材料制备的技术领域。

背景技术

随着环境污染的加剧及传统化石能源的日益匮乏，以太阳能为代表的可再生清洁新能源得到了快速发展，而太阳能电池作为太阳能利用的最有效途径之一，已经在当今新能源领域开始发挥作用，并不断影响着新一代的能源革命。

太阳能电池是基于半导体材料，利用“光伏效应”，将太阳能直接转变为电能的器件装置。自上世纪中期问世以来，太阳能电池技术已经经历了三代，第一代晶体硅(Si)太阳能电池(单晶硅、多晶硅)。第二代以无机半导体做改良制成的薄膜太阳能电池(碲化镉CdTe，铜铟镓硒CuIn_xGa_1-xSe₂)，转化效率均可超过第一代电池，不过电池所需的地壳元素稀缺(如铟、镓等)，且含有有毒的重金属(如镉、碲、硒)，不能满足人类对绿色能源及可持续发展的迫切需求。第三代新型太阳能电池主要包括量子点电池、染料敏化电池、有机太阳能电池等，它们解决了第一代硅基太阳能电池成本较高，第二代薄膜太阳能电池转换效率低的问题，具有原材料丰富、无毒、稳定性好、对环境污染小等优点，因而得到了全球的广泛关注，并逐渐成为太阳能电池发展的重要方向和研究热点。

二硫化亚铁(FeS₂、黄铁矿结构)具有合适的禁带宽度(0.95eV)、高吸光系数(在hv>1.3eV范围内大于10⁵cm^-1)、相对比较大的少子扩散长度(100-1000nm)使其成为一种比较合适的太阳能光吸收层材料。尤其是高吸光系数，让它只用20nm厚的薄膜就可以吸收90％以上的太阳光，相对于硅电池2μm的吸收层厚度可以大大降低电池成本。另外FeS₂包含的Fe和S元素具有地球储量丰富和无毒等优点，这使得FeS₂有大规模应用的潜力。

Cu₂ZnSnS₄简称CZTS，也是一种很有应用前景的低成本的太阳能电池材料，其直接带隙为1.5eV，与地球上使用的太阳能电池所要求的最佳带隙数值相匹配，光吸收系数高达10⁵cm^-1，而且具有低毒性和高辐射稳定性等特点。CZTS是一种四元的半导体硫化物，具有两种晶型，一种为四方晶系的硫铜锡锌矿(kesterite)，另一种为六方晶系的纤维锌矿型(wurtzite)。CZTS组成的元素地壳丰度高，铜、锌和锡的地球储量分别为630，250和5.2百万吨，因此CZTS可以大幅降低太阳能电池的成本，是替代基于CuIn_xGa_1-xSe₂和CdTe的薄膜太阳能电池理想的候选材料。

文献中报道的半导体硫化物的合成主要有气相沉积法、分子束外延法、喷雾热解法、热分解法、水热法、高温硫化法等。其中气相沉积法、分子束外延法、喷雾热解法对设备要求及实验条件要求苛刻，而且所制备的材料一般在计量组分上难以控制，不利于规模化制备。而水热法和高温硫化法对实验所需的压力和温度要求都比较严格，制备的材料在尺寸上也会较大，很容易超出纳米级范畴。相比而言，热分解法对实验条件的要求也相对较低，此方法制备的材料一般具有良好的尺寸分布、较高的晶体结晶度以及较好的分散性，并且较容易通过等比例放大来实现规模化生产。

发明内容

本发明的目的针对目前制备FeS₂及CZTS纳米颗粒的各种方法的不足和问题，而提出的一种多元硫化物半导体纳米材料的可控制备方法。

本发明所要解决的第一个技术问题是创新性地实现制备了形貌、尺寸、相结构多样化的FeS₂及CZTS纳米颗粒。

本发明所要解决的第二个技术问题是工业反应时间周期短，一次合成最短时间仅为1个小时左右，重复性非常好。

本发明所要解决的第三个技术问题是发明的工艺简单，对设备要求低，相比于水热法和溶剂热法，无需使用高温高压装置，适合工业化大规模生产。

本发明的技术方案为：一种多元硫化物半导体纳米材料的可控制备方法，其具体步骤如下：

1)称取金属盐和高沸点有机溶剂混合搅拌溶解，配制金属盐溶液；

2)称取固体硫源溶解于高沸点有机溶剂中配制硫溶液，或直接使用液体硫源作为硫溶液；