CN104313686B - 一种硫化镉气相合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化镉气相合成方法，包括如下步骤：第一步，将纯度≥6N的硫和镉按照1.1‑1.3:1的摩尔比分别放入位于反应室左、右侧的硫蒸发室和镉蒸发室内；第二步，往反应室内先通氩气1‑1.5小时，氩气的流量为500‑600ml/min，去除反应室内的空气干扰；第三步，持续通氩气的同时对反应室进行反应升温,通过载流气体氩气运输镉和硫两种气流进入到合成室，进行反应；对反应室进行反应升温时，先升温位于反应室中部的合成室温度，再升温镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并保持该氩气流量；恒定镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并恒温6‑8h；待反应系统降低到室温时取出合成产物‑硫化镉。气相合成过程中不会掺杂杂质，故合成出来的硫化镉多晶具有很高的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种硫化镉气相合成方法，属于硫化镉制备技术领域。
背景技术
硫化镉（CdS）是直接带隙宽禁带的半导体材料，其禁带宽度Eg为2.42ev，分子量为144.46，无放射性，微溶于水和乙醇，溶于酸且极易溶于氨水。CdS纳米薄膜具有良好的光电转化特性，能很好匹配太阳能光谱可见光区，且对可见光有非常好的透射率，通常使用CdS纳米薄膜充当窗口层与P型半导体材料一起构成异质结太阳能电池。另外，由于在实验研究中发现CdS异质结太阳能电池具有高转化率、低成本和工艺简单等优点，因此，硫化镉将是未来廉价、高效率太阳能电池发展的主要研究方向，起到促进太阳能利用推广的作用，给地球带来洁净、环保、高效的能源，解决现在以及以后的能源危机。
目前，硫化镉一般从水溶液中沉淀制取或利用组分单质直接熔融合成。
从水溶液中沉淀制取硫化镉常采用的方法为：如申请号为200710049891.X，公开号为CN101125680A，名称为“一种高纯硫化镉的制备方法”，其公开了一种通过沉淀方式制备硫化镉的方法，具体公开了加工5N镉溶于优级纯盐酸中，经蒸发脱酸得到氯化镉水溶液，然后将氯化镉水溶液装入硫化镉沉淀池中，将5N硫磺装入石墨舟中，再将装有5N硫磺的石墨舟放入石英管内，石英管的一端设氢气进口，另一端设硫化氢出口，石英管放入加热炉内，开启加热炉的加热系统，然后由氢气进口通入4N氢气与5N硫反应生成5N硫化氢，由硫化氢出口向硫化镉沉淀池内通入5N硫化氢，反应生成硫化镉，沉淀过滤得到5N硫化镉产品。这种硫化镉的制备方法采用5N镉为原料，制备得到5N硫化镉的纯度较高，但是该方法所用的化学试剂较多，容易带入新的杂质，无法生产6N硫化镉。
由此，急需一种简单有效制备硫化镉的方法来解决上述技术问题，获得一种洁净、环保、高效的硫化镉能源。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种硫化镉气相合成方法，解决现有硫化镉生成过程中存在的工艺复杂且杂质含量不满足6N标准的问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种硫化镉气相合成方法，该方法包括如下步骤：
第一步，将纯度≥6N的硫和镉按照1.1-1.3:1的摩尔比分别放入位于反应室左、右侧的硫蒸发室和镉蒸发室内；
第二步，往反应室内先通氩气1-1.5小时，氩气的流量为500-600 ml/min，去除反应室内的空气干扰；
第三步，持续通氩气的同时对反应室进行反应升温，通过载流气体氩气运输镉和硫两种气流进入到合成室，进行反应；对反应室进行反应升温时，先升温位于反应室中部的合成室温度，待合成室温度达到1020-1120℃时，再升温镉蒸发室和硫蒸发室的温度，待镉蒸发室的温度为720-870℃时，调整镉蒸发室通氩气的流量为150-200ml/min，并保持该氩气流量；待硫蒸发室的温度为270-350℃时，调整硫蒸发室通氩气的流量为450-500ml/min，并保持该氩气流量；恒定镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并恒温6-8h；
第四步，反应结束后，将镉蒸发室、硫蒸发室、合成室加热停止，持续通氩气，待合成室温度降到400℃时，停止通氩；待反应系统降低到室温时取出合成产物-硫化镉。
作为一种优选方式，将合成反应得到的合成产物-硫化镉进行真空蒸发，蒸发温度控制在720-870℃，掺杂在硫化镉多晶中的单质硫和单质镉通过真空蒸发去除，得到高纯的硫化镉多晶。
作为一种优选方式，气相合成过程中的合成产物-硫化镉在合成室底部沉积下来，产生的尾气从合成室与镉蒸发室、合成室与硫蒸发室之间的磨口帽流出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：通过本发明所述气相合成方法制备所得的硫化镉是透明的薄片状黄色枝晶，由于气相合成使用的硫、镉纯度均要求6N及以上，且气相合成过程中不会引入其他杂质，故合成出来的硫化镉多晶具有很高的纯度，为一种洁净、环保、高效的新型能源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
实施例1：一种硫化镉气相合成方法，该方法包括如下步骤：
第一步，由于5N以下硫化镉一般可以从水溶液中沉淀制取，而6N及以上的硫化镉需采用气相合成法，避免水溶液沉淀制取时引入杂质，达不到产品纯度要求。因此，本实施例中，将纯度为6N的硫和纯度为6N的镉按照1.1:1的摩尔比分别放入位于反应室左、右侧的硫蒸发室内和镉蒸发室，由于该比例的硫的饱和蒸汽压相对于镉较高，且易挥发，因此少部分硫未参与反应而跑掉，硫与镉按照1.1:1的摩尔比配料较宜。
第二步，往反应室内先通氩气1.5小时，氩气的流量为550 ml/min，去除反应室内的空气干扰，赶走系统内部的空气，让整个系统处于氩气气氛保护状态，防止反应室内的空气影响合成产品的纯度。
第三步，持续通氩气的同时对反应室进行反应升温，通过载流气体氩气运输镉和硫两种气流进入到合成室，进行反应；对反应室进行反应升温时，先升温位于反应室中部的合成室温度，待合成室温度达到1020℃时，再升温镉蒸发室和硫蒸发室的温度。本发明采用硫化镉气相合成温度在1020-1120℃，反应室先升温，蒸发室后升温，这样能防止硫与镉的蒸汽未合成就从尾气跑掉。待镉蒸发室的温度为720℃时，调整镉蒸发室通氩气的流量为150ml/min，并保持该氩气流量；待硫蒸发室的温度为270℃时，调整硫蒸发室通氩气的流量为450ml/min，并保持该氩气流量。由于蒸发室的温度主要控制硫与镉的蒸发速度，在此温度下，硫与镉的蒸汽摩尔比基本接近于1：1，氩气是载体，选择上述氩气流量大小，能够让硫与镉气体在合成室中部达到气流平衡。
恒定镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并恒温6h。
第四步，反应结束后，停止加热，为让没有参与反应的残余的镉与硫从尾气排除，需要持续通氩气，待合成室温度降到400℃时，停止通氩气；待反应系统降低到室温时取出合成产物-硫化镉。
其中，气相合成过程中的合成产物-硫化镉在合成室底部沉积下来，产生的尾气从合成室与镉蒸发室、合成室与硫蒸发室之间的磨口帽流出。
第五步，将合成反应得到的合成产物-硫化镉进行真空蒸发，蒸发温度控制在750℃，掺杂在硫化镉多晶中的单质硫和单质镉通过真空蒸发去除，得到高纯的硫化镉多晶。
实施例2：
一种硫化镉气相合成方法，该方法包括如下步骤：
第一步，将纯度为6N的硫和6N的镉的纯度为按照1.2:1的摩尔比分别放入位于反应室左、右侧的硫蒸发室和镉蒸发室内。
第二步，往反应室内先通氩气1小时，氩气的流量为550 ml/min，去除反应室内的空气干扰。
第三步，持续通氩气的同时对反应室进行反应升温，通过载流气体氩气运输镉和硫两种气流进入到合成室，进行反应；对反应室进行反应升温时，先升温位于反应室中部的合成室温度，待合成室温度达到1090℃时，再升温镉蒸发室和硫蒸发室的温度，待镉蒸发室的温度为790℃时，调整镉蒸发室通氩气的流量为180ml/min，并保持该氩气流量；硫蒸发室的温度为320℃，调整硫蒸发室通氩气的流量为470ml/min，并保持该氩气流量；恒定镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并恒温7h。
第四步，反应结束后，停止升温，持续通氩气，待合成室温度降到400℃时，停止加热；待反应系统降低到室温时取出合成产物-硫化镉。
第五步，将合成反应得到的合成产物-硫化镉进行真空蒸发，蒸发温度控制在750℃，掺杂在硫化镉多晶中的单质硫和单质镉通过真空蒸发去除，得到高纯的硫化镉多晶。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种硫化镉气相合成方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步，将纯度≥6N的硫和镉按照(1.1-1.3):1的摩尔比分别放入位于反应室左、右侧的硫蒸发室内和镉蒸发室；
第二步，往反应室内先通氩气1-1.5小时，氩气的流量为500-600ml/min，去除反应室内的空气干扰；
第三步，持续通氩气的同时对反应室进行反应升温，通过载流气体氩气运输硫和镉两种气流进入到合成室，进行反应；对反应室进行反应升温时，先升温位于反应室中部的合成室温度，待合成室温度达到1020-1120℃时，再升温镉蒸发室和硫蒸发室的温度，待镉蒸发室的温度为720-870℃时，调整镉蒸发室通氩气的流量为150-200ml/min，并保持该氩气流量；待硫蒸发室的温度为270-350℃时，调整硫蒸发室通氩气的流量为450-500ml/min，并保持该氩气流量；恒定镉蒸发室和硫蒸发室的温度，并恒温6-8h；
第四步，反应结束后，将镉蒸发室、硫蒸发室、合成室加热停止，持续通氩气，待合成室温度降到400℃时，停止通氩；待反应系统降低到室温时取出合成产物-硫化镉。
2.如权利要求1所述的硫化镉气相合成方法，其特征在于：将合成反应得到的合成产物-硫化镉进行真空蒸发，蒸发温度控制在720-870℃，掺杂在硫化镉多晶中的单质硫和单质镉通过真空蒸发去除，得到高纯的硫化镉多晶。
3.如权利要求1所述的硫化镉气相合成方法，其特征在于：气相合成过程中的合成产物-硫化镉在合成室底部沉积下来，产生的尾气从合成室与镉蒸发室、合成室与硫蒸发室之间的磨口帽流出。
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