CN102107905A - 一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,包括:(1)将摩尔比为2∶1∶1的CuCl、ZnCl2、SnCl4·5H2O以及过量的硫脲混合,置于反应釜中;(2)向反应釜中加入去离子水,搅拌混合均匀;(3)将反应釜放入干燥箱中升温至195-210℃,保温18-30小时,取出反应釜使其自然冷却至室温;然后过滤清洗后放入真空干燥箱中干燥,最后得到黑色颗粒状产物。本发明的制备方法简单,成本低,重复性好,绿色无污染,适合于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备领域,特别是涉及一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法。
背景技术
四元化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)是一种新兴的太阳能电池材料,它具有锌黄锡矿结构,其禁带宽度为1.51eV,与半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近,并且具有较大的吸收系数(可达104cm-1)。另外,其中所有元素来源都较丰富,该材料是利用在地壳上蕴含量分别为75×10-6和2.2×10-6的锌和锡元素代替了CuInS2中的In(0.049×10-6)元素等,也不含有毒元素如Cd、Se等,对环境污染小,已成为替代铜铟嫁硒太阳电池吸收层的最佳候选材料,被国际上称为下一代最有前途的廉价太阳电池材料之一,有可能成为未来光伏电池的主流产品。
经对现有技术的文献检索发现,从1967年R.Nitsche等在《Journal of Crystal Growth》“Crystal growth of quaternary Cu2ZnSnS4 chaleogenides by iodine vapor transport”以来,专业人员已经开发出原子束溅射、磁控溅射、激光溅射、热蒸发真空镀膜等Cu2ZnSnS4制备方法,其光电转化率从1996年的0.66%提高至2010年的9.6%,在2009年,TeodorK.Todorov等使用铜、锌、锡的硫化物溶于水合肼溶液中制成前驱体,并将浆料沉积在衬底上构成了Cu2ZnSnS4薄膜。这一技术实现了9.6%的最新转换效率。但以上这些方法存在着设备昂贵、不易于大面积沉积以及需使用剧毒化学药剂等缺点。因此,提出一种可大量制备,成本低廉,环境友好,无毒的Cu2ZnSnS4制备方法,对于本技术领域具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,该方法简单,成本低,适合于工业化生产。
本发明的一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,包括:
(1)将摩尔比为2∶1∶1的CuCl、ZnCl2、SnCl4·5H2O以及过量的硫脲混合,置于反应釜中;
(2)向上述反应釜中加入去离子水,搅拌混合均匀;
(3)将步骤(2)反应釜放入高温干燥箱中升温至195-210℃,保温18-30小时,取出反应釜使其自然冷却至室温;然后过滤清洗后放入真空干燥箱中干燥,最后得到黑色颗粒状产物。
所述步骤(1)中的硫脲与CuCl的摩尔比为2∶1。
所述步骤(2)中的去离子水与CuCl体积摩尔(L/mol)比为3.5-4.0∶1。
有益效果
(1)本发明的制备方法简单易行,绿色无污染,设备要求简单,重复性好,适合工业化大规模生产;
(2)Cu2ZnSnS4中的Zn和Sn元素在地壳中的丰度分别为75ppm和2.2ppm,资源丰富且因不含毒性成分而对环境友好,将替代CIGS从而成为最具发展潜力的低成本、无污染的新型薄膜太阳电池。
附图说明
图1为实施例1合成的太阳能电池材料Cu2ZnSnS4的X射线衍射花样图;
图2为实施例1合成的太阳能电池材料Cu2ZnSnS4的透射电子显微镜照片;
图3为实施例1的太阳能电池材料Cu2ZnSnS4的高倍透射电子显微镜照片;
图4为实施例1的Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的X射线能谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
分析纯0.01mol的CuCl、0.005mol的ZnCl2、0.005mol的SnCl4·5H2O、和0.05mol硫脲被加入到50ml的高压釜中,然后倒入35-40ml的去离子水,搅拌大约5分钟,高压釜被密封放入高温炉在200℃下加热24小时,经过水热处理后,高压釜自然冷却到室温,取出沉淀物用去离子水清洗几遍去掉杂质离子,最后在真空干燥箱中80℃干燥6个小时,得到黑色沉淀。经透射电镜观察,为直径为250nm-350nm的团簇状纳米颗粒,高倍透射电镜照片说明了纳米颗粒具有很好的结晶度。
实施例2
分析纯0.01mol的CuCl、0.005mol的ZnCl2、0.005mol的SnCl4·5H2O、和0.05mol硫脲被加入到50ml的高压釜重,然后倒入35-40ml的去离子水,搅拌大约5分钟,高压釜被密封放入高温炉在195℃下加热30小时,经过水热处理后,高压釜自然冷却到室温,取出沉淀物用去离子水清洗几遍去掉杂质离子,最后在真空干燥箱中80℃干燥6个小时,得到黑色沉淀。经透射电镜观察,为直径为250nm-350nm的团簇状纳米颗粒,高倍透射电镜照片说明了纳米颗粒具有很好的结晶度。
实施例3
分析纯0.01mol的CuCl、0.005mol的ZnCl2、0.005mol的SnCl4·5H2O、和0.05mol硫脲被加入到50ml的高压釜重,然后倒入35-40ml的去离子水,搅拌大约5分钟,高压釜被密封放入高温炉在210℃下加热18小时,经过水热处理后,高压釜自然冷却到室温,取出沉淀物用去离子水清洗几遍去掉杂质离子,最后在真空干燥箱中80℃干燥6个小时,得到黑色沉淀。经透射电镜观察,为直径为250nm-350nm的团簇状纳米颗粒,高倍透射电镜照片说明了纳米颗粒具有很好的结晶度。
从图1可以看出所有衍射峰都可以指标为四方相的Cu2ZnSnS4的衍射峰(JCPDS,26-0575)。没有观察到其它二元或三元硫化物的衍射峰或其它杂质。
从图中可以看出,所得的Cu2ZnSnS4材料为直径为250nm-350nm的团簇状纳米颗粒,比较均匀。
图4是与图3相对应合成Cu2ZnSnS4的X射线能谱图。从图谱中知,Cu、Zn、Sn、S的原子比接近2∶1∶1∶4。氧(O)的峰来源于Cu2ZnSnS4表面吸附的氧。
Claims (3)
1.一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,包括:
(1)将摩尔比为2∶1∶1的CuCl、ZnCl2、SnCl4·5H2O以及过量的硫脲混合,置于反应釜中;
(2)向上述反应釜中加入去离子水,搅拌混合均匀;
(3)将步骤(2)反应釜放入干燥箱中升温至195-210℃,保温18-30小时,取出反应釜使其自然冷却至室温;然后过滤清洗后放入真空干燥箱中干燥,最后得到黑色颗粒状产物。
2.根据权利要求1所述的一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的硫脲与CuCl的摩尔比为2∶1。
3.根据权利要求1所述的一种Cu2ZnSnS4太阳能电池材料的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的去离子水与CuCl体积摩尔L/mol比为3.5-4.0∶1。
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