CN104085917B - 纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的溶剂热制备方法 - Google Patents

纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的溶剂热制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本、结晶性好的纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法。该方法首先在室温下，将乙酸镉和L-半胱氨酸与去离子水混合搅拌至完全溶解，再滴加无水乙二胺，搅拌均匀后180℃条件下反应24h；离心分离，收集下层沉底物，在60℃干燥5h，即得到CdS纳米线；然后，室温下将硫酸铜，氯化亚锡，L-半胱氨酸和上步制得的CdS纳米线溶于去离子水中，搅拌均匀。再向混和溶液中滴加无水乙二胺，搅拌均匀后180℃条件下反应24h；离心分离，收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线。本纳米线的制备方法操作简单，合成温度低，所用前躯体材料成本低廉，适合批量合成。所制备的纳米线可以作为太阳电池器件的吸收层材料。

Description

纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的溶剂热制备方法
技术领域
本发明涉及一种可作为薄膜光伏电池光吸收层的I2-II-IV-VI4族半导体纳米线的制备工艺。具体的说，是涉及一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的溶剂热制备方法。属于光伏电池材料技术领域。
背景技术
在经济高速发展的今天，随着不可再生能源的日益减少，以及环境问题的日益加剧，新能源和可再生能源成为人们研究的热点。众所周知，目前全球主要依赖的能源是石油、煤炭和天然气等各种常规的能源，但是这些能源有限且为不可再生能源，根据已有数据统计，石油还能开采40年左右，煤炭还能开采200年左右，随着石油、天然气等优质能源的逐步枯竭，另外，使用这些常规能源所造成的环境污染以及气候恶化等问题给人类的生存和发展同样带来了巨大的危胁，所以，对新能源和可再生能源的开发利用已经迫在眉睫。新能源主要包括太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等，其中，由于太阳能具有分布广泛、廉价、对环境无污染、取之不尽，用之不竭等优点，而被人们认为是未来能源的的最佳选择。
太阳能的转换利用包括采暖、采光、热水供应、发电、水质净化以及空调制冷等能量转换过程，其中以太阳能光热转换和光电转换主要形式。由于光热发电需要接受太阳光高的直接辐射，所以光热发电受到了地域的限制。而光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能，它可以分布在地球上任何有阳光的地方，所以不会受到地域的限制。光伏发电作为一种清洁的可再生能源，虽然它具有性能稳定、维护简单、资源永不枯竭、对环境友好等特点，但是其发电成本高和制备工艺中存在环境污染等问题，限制了太阳能光伏发电的大规模应用。
目前太阳能电池按材料主要分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机化合物太阳能电池、敏化纳米晶太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池。其中硅系列的太阳能电池工艺发展最为成熟，其电池转换效率比较高。但是由于成本高，大幅度降低其成本很困难，地球上含量有限，这些成为进一步提高硅系列太阳能电池效率的瓶颈。而具有较高的光电转换效率、制备工艺简单、成本低的薄膜太阳能电池将会有更广阔的发展前景。纤锌矿结构Cu2CdSnS4作为一种新材料，具有较高的吸收系数(可见光区的吸收系数不小于104cm-1)，禁带宽度1.37eV，与太阳能电池所需要的最佳禁带宽度相匹配，而且元素在地壳中含量丰富，从而可以大大降低生产成本，是一种绿色、廉价、安全、适合大规模生产的薄膜太阳能电池吸收层材料。目前纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米晶的制备方法主要是化学法（热注入和溶剂热），该方法不需要昂贵的设备，通过溶剂热法制备出化学计量比合适的纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线，制备出的纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线可以分散在有机溶剂中制成纳米墨水，再使用旋涂、手术刀等方法涂在衬底上制成薄膜电池，该方法工艺简单，大大降低了生产成本，可以试用于工业生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、高质量的纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，这一制备方法操作简单，所用前躯体材料成本低廉，制备的纳米线，可以用做光伏器件的吸收层。
本发明是一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，其特征在于具有如下的过程和步骤：
a.首先将一定量的乙酸镉和L-半胱氨酸加入到盛有一定量去离子水的烧杯中，搅拌使混合物完全溶解，得到均匀的澄清溶液；在室温下，向烧杯中滴加一定量的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中；将反应温度升高至180℃反应24h；将高压釜移出加热装置使反应物冷却至室温；分别加入无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到CdS纳米线；
制备过程中所述的乙酸镉和L-半胱氨酸的摩尔配比为：
(CH3COO)2Cd·2H2O:C3H7NO2S=1:(2～3);
制备过程中所述的去离子水和无水乙二胺（En）的体积比为：
H2O:En=1:9；
b.将一定量的硫酸铜，氯化亚锡，L-半胱氨酸和上步制得的CdS纳米线加入盛有一定量去离子水的烧杯中，搅拌使混合物混和均匀；在室温下，向混和溶液中滴加一定量的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中，将反应温度升高至180℃反应24h；将高压釜移出加热装置使反应物冷却至室温；分别加入氯仿、无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线；
制备过程中所述的硫酸铜、氯化亚锡、CdS和L-半胱氨酸的摩尔配比为：
Cu2SO4·5H2O:CdS:SnCl2·2H2O:C3H7NO2S=1.7:1:1:(4～5);
制备过程中所述的去离子水和无水乙二胺（En）的体积比为：
H2O:En=1:9。
所述的制备CdS纳米线所用的乙酸镉可以用氯化镉、硫酸镉或硝酸镉来代替。
所述的制备纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线所用的氯化亚锡可以用硫酸亚锡或四氯化锡来代替。
所述的制备纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线所需的硫酸铜可以用乙酸铜、氯化铜或硝酸铜来代替。
本发明的优点在于：纳米线的制备方法简单，合成温度低，所用前躯体材料成本低廉，适合批量合成。制备的纳米线，可以作为太阳电池器件的吸收层材料。
附图说明
图1是纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的X射线衍射图谱。
图2是纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的扫描电镜图谱。
具体实施方式
下面给出本发明的较佳实施例，使能更好地理解本发明的过程。
实施例1
首先将1mmol乙酸镉和2mmolL-半胱氨酸加入到盛有2ml去离子水的烧杯中，搅拌使混合物完全溶解，得到均匀的澄清溶液。在室温下，向烧杯中滴加18ml的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中；将反应温度升高至180℃反应24h；将高压釜移出加热装置使反应物冷却至室温；分别加入无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到CdS纳米线；然后将0.85mmol的硫酸铜，0.5mmol氯化亚锡，2mmolL-半胱氨酸和0.5mmol上步制得的CdS纳米线加入盛有2ml去离子水的烧杯中，搅拌使混合物混和均匀。在室温下，向混和溶液中滴加18ml的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中，将反应温度升高至180℃反应24h；将高压釜移出加热装置使反应物冷却至室温；分别加入氯仿、无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线。
仪器检测
本实施例产物纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的仪器检测结果示于以下附图中。
如图1所示，图中标注的衍射峰(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)分别对应的衍射角度为26.32o、28.12o、29.84o、38.75o、46.53o、51.75o和55.42o与标准PDF（36-1450）中纤锌矿结构Cu2CdSnS4衍射峰对应完好，由此看出制得的为纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线。
如图2所示，图中可以看出所合成的纤锌矿结构Cu2CdSnS4为线状。

Claims (4)

1.一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a.首先将一定量的乙酸镉和L-半胱氨酸加入到盛有一定量去离子水的烧杯中，搅拌使混合物完全溶解，得到均匀的澄清溶液；在室温下，向烧杯中滴加一定量的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中；将反应温度升高至180℃反应24h；反应完毕后将高压釜移出加热装置，使反应物冷却至室温；分别加入无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到CdS纳米线；
制备过程中所述的乙酸镉和L-半胱氨酸的摩尔配比为：
(CH3COO)2Cd·2H2O:C3H7NO2S=1:(2～3);
制备过程中所述的去离子水和无水乙二胺（En）的体积比为：
H2O:En=1:9；
b.将一定量的硫酸铜，氯化亚锡，L-半胱氨酸和上步制得的CdS纳米线加入盛有一定量去离子水的烧杯中，搅拌使混合物混和均匀；在室温下，向混和溶液中滴加一定量的无水乙二胺（En），持续搅拌十分钟，将最终得到的溶液转移入50mL不锈钢反应釜中，将反应温度升高至180℃反应24h；将高压釜移出加热装置使反应物冷却至室温；分别加入氯仿、无水乙醇和去离子水作为清洗剂，并以8000转/分钟的速度离心4分钟，重复多次直至上层离心溶液澄清；收集下层沉底物，放入干燥箱中60℃干燥5h，即得到纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线；
制备过程中所述的硫酸铜、氯化亚锡、CdS和L-半胱氨酸的摩尔配比为：
Cu2SO4·5H2O:CdS:SnCl2·2H2O:C3H7NO2S=1.7:1:1:(4～5);
制备过程中所述的去离子水和无水乙二胺（En）的体积比为：
H2O:En=1:9。
2.根据权利1要求所述的一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，其特征在于：所述的制备CdS纳米线所用的乙酸镉可以用氯化镉、硫酸镉或硝酸镉来代替。
3.根据权利1要求所述的一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，其特征在于：所述的制备纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线所用的氯化亚锡可以用硫酸亚锡或四氯化锡来代替。
4.根据权利1要求所述的一种纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线的制备方法，其特征在于：所述的制备纤锌矿结构Cu2CdSnS4纳米线所需的硫酸铜可以用乙酸铜、氯化铜或硝酸铜来代替。
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