[发明专利]合成单分散多元化合物纳米晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备用于太阳能电池的化合物纳米晶材料的方法，特别是一种用于合成单分散多元化合物纳米晶的普适性方法。

背景技术

黄铜矿类化合物由于具有高的吸收系数(10⁴cm^-1)和可调带隙(1.0-1.7eV)而被广泛应用于太阳能电池中并表现出很好的性能。例如Cu(InGa)Se₂薄膜太阳能电池的功率转化效率已达到19％。目前，制备这种多元化合物半导体薄膜通常是利用气相沉积、磁控溅射、电化学和化学溶液沉积等方法，这些方法的制作工艺都很复杂，对设备要求很高，使得生产成本居高不下。在这个基础上，纳米晶太阳能电池应运而生，它使用与前面几种技术完全不同的方法，而是直接将纳米晶溶解在某种溶剂中形成胶体，这种胶体可以用作墨水，进而喷吐或印刷在基质表面，形成高质量的薄膜。这种方法既简单实用，又成本低廉，可以大规模生产大面积太阳能电池。

经过二十多年的发展，制备高性能量子点的合成技术已经较为成熟。目前合成单分散半导体纳米晶的方法有两种，即一相法(热注入法)和两相法。一相法就是通常所说的热注入法，反应是在一相中进行，而两相法是指反应原料分处于两种不相溶的溶剂中，反应在液-液界面进行。这两种方法的区别是：一相法中粒子成核是一个很快的过程，而两相法中粒子成核和生长过程是重叠的，所以是一个很慢的过程；就控制生长缓慢进行的手段而言，它们也是不同的，一相法是通过降温来实现的，而两相法是通过液-液界面实现的。虽然这两种方法都可以合成单分散的纳米粒子，但是它们也有一些缺点。一相法中只有在很短的时间内粒子粒径分布很窄，随着时间的延长，Ostwald熟化会发生，导致粒子粒径不均一。而两相法所需的反应时间又太长，有的甚至长达一周。为了控制粒子的生长速度，这两种方法都要求使用活性很低的有机金属为金属源，这使得粒子的生产成本很高。因此急需寻找一种适合低成本大批量合成单分散纳米晶的方法。据文献报道目前只有二元化合物可通过两相法合成，而对于多元化合物却鲜有报道。

发明内容

针对目前使用两相法制备用于太阳能电池的单分散化合物纳米晶材料存在生产效率低、生产成本高、且不能合成二元以上化合物的缺陷，本发明目的是提出一种合成单分散多元化合物纳米晶的方法，是一种“新型两相法”。这种方法将传统两相法与相转移和快速成核相结合，可合成多种多元化合物(二元、三元、四元、五元)，是一种普适性技术。

本发明合成单分散多元化合物纳米晶的方法，包括如下步骤：

a.以铜、锌、锡、铟或银的无机金属盐为原料，按设计所要获得的多元化合物的元素化学计量比将上述相关金属盐溶解在沸点高于180℃的醇相溶剂中，在惰性气体保护下，加热到100-160℃保持20-120分钟，以除去其中的水和空气，然后升温到180-280℃，制得醇相金属源混合液；

b.将等于或大于步骤a所取金属盐总物质的量的硫粉完全溶解在沸点高于180℃的油相溶剂中；再将大于步骤a所取金属盐总物质的量1.5倍的沸点高于180℃的有机胺或硫醇作为配体加入到该溶液中，形成油相溶液；

c.将步骤b所述的油相溶液注入到步骤a所述的醇相金属源混合液中，由于相转移与成核的同时快速发生，导致溶液会立刻变颜色，然后反应2-60分钟；

d.反应结束后，将溶液自然冷却到室温，溶液会自动分层，上层为油相溶液，下层为醇相溶液，粒子存在于上层溶液，将上层溶液用针管取出，加入极性有机溶剂，离心使其沉淀；

e.将步骤d得到的沉淀物先完全溶解在非极性有机溶剂中，再加入非极性有机溶剂体积的0.5-5倍的极性有机溶剂，离心，沉淀；

f.将步骤d得到的沉淀物按步骤e的做法重复2-3次后，即获得单分散的多元化合物纳米粒子，这些粒子可溶于非极性有机溶剂。

在步骤a中所述的无机金属盐选自于氯化铜、氯化亚铜、醋酸铜、硫酸铜、硝酸铜、氯化锌、醋酸锌、硫酸锌、硝酸锌、氯化锡、氯化亚锡、硫酸锡、硫酸亚锡、硝酸铟、氯化铟、醋酸铟或硝酸银。

在步骤a中所述的醇相溶剂是从二乙二醇、三乙二醇、四甘醇或分子量≤600的聚乙二醇中选取一种。

在步骤a中所述的惰性气体选自氮气、氦气、氖气或氩气。

在步骤b中所述的油相溶剂为十八烯或十八烯胺。

在步骤b中使用的配体为十二胺、十六胺、十八胺、十八烯胺或十二硫醇。

在步骤d中所述的的极性溶剂是从乙醇、甲醇或丙酮中选取一种。

在步骤e中所述的非极性溶剂是从氯仿、正己烷、环己烷或甲苯中选取一种；所述的极性溶剂是从乙醇、甲醇或丙酮中选取一种。