一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法技術

一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法，涉及一種太陽能電池材料。提供一種工藝步驟簡單、禁帶寬度可調的銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法。1)將氯化亞銅，氯化銦，氯化鎵，硫粉，硒粉與油胺混合，加入乙二硫醇調控硫元素比例，得混合溶液；2)將步驟1)所得混合溶液加熱攪拌，抽真空，充氮氣，在氮氣氛圍反應，得深棕色溶液；3)將步驟2)中所得深棕色溶液離心，所得沉淀分別用三氯甲烷和乙醇清洗，即得銅銦鎵硫硒納米晶。反應溫度低，反應時間短，合成裝置簡單，只需要簡單的容器即可，合成路線簡單，可操作性強，且所用反應物均對環境無污染，反應過程清潔無污染，反應效率高，反應成本低廉，有較大的合成應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法
本專利技術涉及一種太陽能電池材料，尤其是涉及一種銅銦鎵硫硒納米晶(記為CuIn1-xGax(SySe1-y)2)的合成方法。
技術介紹
能源是人類社會生存和發展的基礎,當今社會的能源危機已經是刻不容緩的問題。人們在努力尋求新的能量,以解決日益增長的能源需求。太陽能是人類取之不盡，用之不竭的清潔能源。在太陽能的應用中，最廣泛及最有活力的領域是光伏發電，其工作原理就是利用半導體的光生伏特效應將太陽能轉變成可供人類廣泛應用的電能。從1800年發現光伏效應太陽能電池材料也一直在發展。歷經第一代單晶硅和多晶硅太陽能電池，目前也是產業化最廣泛的太陽能電池。第二代太陽能電池是基于薄膜技術的太陽能電池，薄膜技術的應用能較大地降低成本也能大面積進行產業化生產。目前，薄膜太陽能電池主要有非晶硅和多晶硅薄膜電池，碲化鎘以及CuInSe2薄膜電池。I-III-VI2半導體納米晶因為具有優秀的光電屬性而成為薄膜太陽能電池研究中最具潛力的材料之一，基于半導體納米晶或量子點的新型太陽能電池中，以膠態納米晶為“墨水”來制備光伏層是一個重要的方向。其中，以銅銦鎵硒(CIGS)為代表的I-III-VI2黃銅礦型化合物納米晶尤其引人注目，成為科學家們研究無機半導體新型太陽能電池的理想體系(Q.J.Guo,S.J.Kim,M.Kar,W.N.Shafarman,R.W.Birkmire,E.A.Stach,R.Agrawal,H.W.Hillhouse.NanoLett.,2008,8,2982.)：1)I-III-VI2半導體光電轉換效率高，性能穩定、抗輻射能力強，不存在光致衰退問題；2)I-III-VI2半導體已在薄膜太陽能電池中取得不俗的應用，CIGS薄膜電池實驗室最高效率為20.8％，不低于多晶硅薄膜電池的20.4％。成品組件效率已達到13％，是目前薄膜電池中效率最高的電池之一；3)不同I-III-VI2半導體的帶寬變化范圍大，如銅銦硒(CuInSe2)為1.04eV，銅鎵硒(CuGaSe2)為1.68eV，銅鎵硫(CuGaS2)為2.43eV，由于結構的相似還可通過組分改變進一步精細調節帶寬，如CuIn1-xGax(SySe1-y)2(CIGSSe)的禁帶寬度可以在0.98-2.40之間進行調節，為不同太陽能電池的設計提供優越條件。另一方面，當物質尺寸在納米級時，其一系列的化學物理性質也會隨著改變。所以當將I-III-VI2半導體納米晶的尺寸控制在納米大小時，其禁帶寬度也會隨之改變，以表現出更優異的光吸收性質，最終提高太陽能電池材料光電轉換效率達到更有效地利用太陽光。所以如何制備出禁帶寬度可控的I-III-VI2半導體納米晶是一項非常有意義的工作。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種工藝步驟簡單、禁帶寬度可調的銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法。所述一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法，包括以下步驟：1)將氯化亞銅，氯化銦，氯化鎵，硫粉，硒粉與油胺混合，加入乙二硫醇調控硫元素比例，得混合溶液；2)將步驟1)所得混合溶液加熱攪拌，抽真空，充氮氣，在氮氣氛圍反應，得深棕色溶液；3)將步驟2)中所得深棕色溶液離心，所得沉淀分別用三氯甲烷和乙醇清洗，即得銅銦鎵硫硒納米晶。在步驟1)中，按摩爾比，氯化銦∶氯化鎵＝1∶8～8∶1；硒粉∶硫粉含量＝1∶8～8∶1；按硫元素含量摩爾比，乙二硫醇∶硫粉＝1∶15～1∶5。步驟2)中，所述反應最好是先在130℃下反應1h，隨后將溫度升高到240℃下反應1.5h。所述抽真空、充氮氣的溫度條件最好為80℃，所述抽真空、充氮氣最好反復3次。步驟3)中，所述清洗的次數一般為3次。與現有技術比較，本專利技術的突出優點在于：1)加入乙二硫醇可有效調控各元素比例，這是因為乙二硫醇屬液態，相比于固態反應物更易于與其他反應物充分反應，且液態乙二硫醇的加入使晶體更易成核，得到的晶粒更小；另外，通過加入乙二硫醇可以有效地調控CuIn1-xGax(SySe1-y)2中各元素的比例，從而調節它們的禁帶寬度，這樣可以適應不同太陽能電池制備的需求。且液態乙二硫醇的加入可以調控納米晶顆粒粒徑大小在10nm左右。2)反應溫度比相對于傳統合成CuInSe2納米晶的反應溫度260℃甚至280℃要低。3)反應時間也比傳統方法要縮短很多。4)本專利技術不僅采用的合成裝置簡單，只需要簡單的容器即可，合成路線簡單，可操作性強，而且所用反應物均對環境無污染，反應過程清潔無污染，反應效率高，反應成本低廉，有較大的合成應用前景。附圖說明圖1為本專利技術采用油胺為反應溶劑所得的CuIn0.5Ga0.5(S0.5Se0.5)2納米晶的TEM圖。圖2為本專利技術采用油胺為反應溶劑所得的CuIn0.3Ga0.7(S0.7Se0.3)2納米晶的TEM圖。圖3為本專利技術采用油胺為反應溶劑所得的CuIn0.5Ga0.5(S0.5Se0.5)2納米晶的EDX圖。在圖3中，橫坐標為能量/KeV；顯示有Cu，In，Ga，S，Se。圖4為本專利技術采用油胺為反應溶劑所得的不同比例的CuIn1-xGax(SySe1-y)2的XRD圖，圖4中，橫坐標為衍射角2Theta/°，縱坐標為衍射強度Intensity；衍射峰從左至右分別111，220，311，400，331，422和511。曲線a為CuIn0.2Ga0.8(S0.8Se0.2)2；曲線b為CuIn0.3Ga0.7(S0.7Se0.3)2；曲線c為CuIn0.5Ga0.5(S0.5Se0.5)2；曲線d為CuInSe2。具體實施方式下面實施例將結合附圖對本專利技術作進一步說明。由圖1與圖2可見，本專利技術制備的CuIn1-xGax(SySe1-y)2納米晶顆粒較小，顆粒大小相對較為均勻，顆粒形貌基本接近于圓形顆粒。納米晶顆粒平均約為5到10nm之間。由圖3可見，可以證明Cu,In,Ga,S,Se的存在，且可判斷產物各元素比例與投料比接近。由圖4可見，可以看出得到的CuIn1-xGax(SySe1-y)2為純相，沒有雜質峰存在。下面給出本專利技術的具體實施例：實施例1(1)取250L三頸燒瓶，在手套箱中稱取0.2475gCuCl,0.1105gInCl3,0.3520gGaCl3,0.0640gS粉，0.0395gSe粉并量取50mL油胺，16.8μL乙二硫醇，加入三頸燒瓶中。(3)安裝反應裝置：三頸瓶的一邊側口用橡膠塞封住，另一邊側管連接玻璃套管內置加熱套的溫度探頭，以測量反應液溫度。中口連接回流冷凝管，冷凝管上面連接真空線管用以抽真空和通氮氣。最后將三頸瓶放置于磁力加熱攪拌器中。(4)在室溫下將體系抽真空然后通入氮氣并重復操作3次，每次抽真空時間至少10min，使體系真空度達到-0.1MPa，最后使體系處于氮氣氛的保護中。(5)邊磁力攪拌邊升溫至80℃再次抽真空通氮氣重復操作2次，每次抽真空時間至少10min，使體系真空度達到-0.1MPa，最后形成深棕色的溶液。(6)邊磁力攪拌邊升溫至130℃維持加熱攪拌反應1h。(7)繼續攪拌并迅速升溫至240℃維持加熱攪拌反應1.5h。(8)降溫至100℃，加入10mL氯仿使反應停止，并加入5mL無水乙醇，在8000rpm下離心10min，去除上清液，將沉淀分散在10mL氯仿中，在70本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將氯化亞銅，氯化銦，氯化鎵，硫粉，硒粉與油胺混合，加入乙二硫醇調控硫元素比例，得混合溶液；2)將步驟1)所得混合溶液加熱攪拌，抽真空，充氮氣，在氮氣氛圍反應，得深棕色溶液；3)將步驟2)中所得深棕色溶液離心，所得沉淀分別用三氯甲烷和乙醇清洗，即得銅銦鎵硫硒納米晶。

【技術特征摘要】
1.一種銅銦鎵硫硒納米晶的合成方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將氯化亞銅，氯化銦，氯化鎵，硫粉，硒粉與油胺混合，加入乙二硫醇調控硫元素比例，得混合溶液；按摩爾比，氯化銦∶氯化鎵＝1∶8～8∶1；硒粉∶硫粉含量＝1∶8～8∶1；按硫元素含量摩爾比，乙二硫醇∶硫粉＝1∶15～1∶5；2)將步驟1)所得混合溶液加熱攪拌，抽真空，充氮氣，在氮氣氛圍反應，得深棕色溶液；3)將步驟2)中所得深棕色溶液離心，所得沉淀分別用三氯甲烷...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江智淵，徐璐，謝兆雄，
申請(專利權)人：廈門大學，
類型：發明
國別省市：福建;35