[发明专利]硫铟铜纳米粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硫铟铜纳米粉末的制备方法，属于无机材料制备技术领域。

背影技术

硫铟铜CuInS₂(CIS)具有黄铜矿结构，禁带宽度1.55eV，是一种优秀的光伏材料。众所周知，能源问题是当今世界的重大问题之一，为了有效应对全球范围内的能源危机和环境危机，世界各国正致力于推广绿色可再生太阳能源的光伏应用。作为光伏材料，硫铟铜具有以下优点：①禁带宽度接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度(1.4eV)；②吸收系数较大；③CuInS₂为直接能隙半导体，这可减少对少数载流子扩散的要求；④与CuInSe₂相比，CuInS₂不含任何有毒的成分，且成本较低。

太阳能电池的最高理论热力学转换效率为31％，近期的理论研究表明采用无机半导体纳米颗粒的量子点太阳能电池可以突破这一极限。此外，与染料单分子层相比，无机半导体量子点具有更长的载流子寿命并可实现更高的吸收强度和更宽的吸收范围。最近提出的以量子点取代有机染料的量子点敏化太阳能电池就是基于这一考虑。该电池需要颗粒小、结晶性好、能量匹配合适的半导体纳米颗粒，而硫铟铜正是一种很好的可选材料。

目前，硫铟铜薄膜的制备技术相对成熟，常采用蒸发，溅射，分子束外延及电沉积等一些对设备和条件要求较高的方法；而其纳米颗粒粉末的制备还有待研究。有文献(2004年9月出版的《物理化学》杂志B第108期中的论文《胶质CuInS₂纳米颗粒的分子单源前驱体合成及表征》)报道过用单源前驱体法合成硫铟铜纳米颗粒，其需要首先合成有机单分子前驱体，有机合成存在产率问题，且步骤繁琐，周期较长，成本较高，对合成条件的要求也比较高。

发明内容

本发明针对现有硫铟铜纳米颗粒制备方法存在的工艺过程繁琐，成本高以及过程需精确控制等问题，提供一种工艺简单的硫铟铜纳米粉末的制备方法，该方法条件温和易控制，无需昂贵的设备，周期短，易操作，制得的纳米粉末粒度分布均匀。

本发明的硫铟铜纳米粉末的制备方法包括以下步骤：

(1)将摩尔比为1∶(2～9)∶1的铟盐、硫代乙酰胺及铜盐分别溶解在乙二醇中，使三种物质分别在三种溶液中完全溶解；

(2)将制得的三种溶液依次混合在一起，在沸腾的条件下回流0.5～4小时，得到黑色沉淀物；三种溶液的混合可以是在均预热至80℃的条件下进行。

(3)将所得沉淀物分离、洗涤、干燥，即得到平均粒度分布均匀的硫铟铜纳米粉末；

为提高产物的结晶性，同时使颗粒进一步长大，将上述制得的硫铟铜粉末按以下两种方法之一进行后续处理：

A.将制得的硫铟铜粉末分散到乙二醇中，沸腾状态下进行回流，自然冷却后将沉淀分离、清洗、干燥。

B.将制得的硫铟铜粉末在真空、氮气、硫或者氮气加硫气氛保护下热处理，升温至260--510℃，保温20-60分钟。

此外，第(2)步中在混合溶液回流前加入表面活性剂，可以提高晶粒结晶性，同时可得到不同形态的硫铟铜纳米结构，如纳米空心球。

本发明以硫代乙酰胺作为硫源，以金属无机盐作为铜源和铟源，采用多元醇溶液回流法，制备工艺简单、安全，反应条件要求不苛刻，略微差异不影响合成结果，具有较强的可操作性和可重复性；采用本发明制备的硫铟铜纳米粉末粒径较小，颗粒尺寸分布均匀，容易分散在酒精、水等溶剂中，有利于进一步制备器件使用；通过控制反应条件还可以很好的控制合成的硫铟铜颗粒大小；此外，合成的硫铟铜纳米粉在乙二醇中再回流以及在真空或其他非氧化气氛保护下进行热处理，结晶性均可大大提高，晶粒尺寸也可增加。

具体实施方式

实施例1

称取0.242克硝酸铜(Cu(NO₃)₂·3H₂O)、0.382克硝酸铟(In(NO₃)₃·4.5H₂O)和0.376克硫代乙酰胺(TAA)分别溶于4毫升、4毫升和10毫升乙二醇中；三种溶液均预热至80℃；先将硝酸铟溶液与TAA溶液混合搅拌，混合溶液仍保持80℃至溶液变黄，然后将硝酸铜溶液倒入，搅拌得黑色溶液；将该黑色混合溶液转移至三口烧瓶中加热至沸腾状态，回流1.5小时，停止加热后将三口瓶放入冷水中强制冷却；将所得沉淀物离心分离，依次用丙酮、乙醇离心清洗；在60℃真空烘干即可得平均粒径小于10nm的硫铟铜纳米晶粉末。

实施例2