[发明专利]Cu2ZnSnSe4纳米材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及Cu₂ZnSnSe₄纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是一种取之不尽，用之不竭，无污染的可再生能源，如何利用太阳能成为了当今一大研究课题。在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。高的光电转换效率和低的生产成本是太阳能光电工业和研究界始终追求的目标，为了达到这个目标，利用高效率低成本的光电转换材料是非常重要的。

多晶半导体的研究是为了研制一种高效率、稳定性好、低成本的新材料，作为太阳电池半导体材料必须具有合适的禁带宽度，能有效地吸收太阳光，并可以形成在太阳能转换中控制光电子形成的异质结。CulnSe₂是一种最具发展前景的太阳能电池光吸收材料，基于CulnSe₂的太阳能电池的转换效率已经达到20％。然而，金属铟属于稀有贵金属，这大大限制了CulnSe₂太阳能电池的大规模商业化应用，因此，开发替代铟的新型高效太阳能电池材料尤为必要。Cu₂ZnSnSe₄是最近报道的直接带隙半导体材料，带隙为1.4eV，适合于太阳光的光电转换要求；而且具有非常高的光吸收系数(达10⁵cm^-1)，因此受到光伏界广泛关注。

由于铜源、锌源和锡源的反应活性有较大差异，并且常作为硒源的单质硒在一般溶解中的溶解性极差，所以制备高质量的纳米Cu₂ZnSnSe₄材料具有极大的难度。因此，目前研究的焦点大都集中制备高结晶度，单分散的纳米Cu₂ZnSnSe₄材料。目前关于纳米Cu₂ZnSnSe₄材料的制备仅有一篇相关报道，其制备出的产物中，锌的含量较少，而锡的含量较高。众所周知，结构和成分对材料的性质具有重大的影响，因此制备化学计量比的Cu₂ZnSnSe₄纳米材料在实际应用中具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种Cu₂ZnSnSe₄纳米材料及其制备方法与应用。

本发明提供的制备Cu₂ZnSnSe₄纳米材料的方法，包括下述步骤：将含铜化合物、含锌化合物、含锡化合物及油胺混匀后，加热升温至终温保温，同时用惰性气体排除所述反应体系中的氧气和水；在所述混匀步骤之前或所述加热升温步骤中向反应体系中加入含硒化合物的溶液，反应完毕后得到所述Cu₂ZnSnSe₄纳米材料。

该方法具体可为下述方法a或方法b：

所述方法a为：将含铜化合物、含锌化合物、含锡化合物、油胺和含硒化合物的溶液混匀后，加热升温至终温保温，同时用惰性气体排除所述反应体系中的氧气和水，再升温至反应温度进行反应，反应完毕后得到所述Cu₂ZnSnSe₄纳米材料。

所述方法b为：将含铜化合物、含锌化合物、含锡化合物及油胺混匀后，加热升温至终温保温，同时用惰性气体排除所述反应体系中的氧气和水，在所述加热升温步骤中向反应体系中加入含硒化合物的溶液，反应完毕后得到所述Cu₂ZnSnSe₄纳米材料。

上述方法中，所述含铜化合物选自油酸铜、氯化铜、氯化亚铜和醋酸铜中的至少一种，优选油酸铜，所述含锌化合物选自氯化锌、油酸锌和醋酸锌中的至少一种，优选油酸锌，所述含锡化合物选自氯化锡、辛酸亚锡、草酸亚锡和醋酸锡中的至少一种，优选辛酸亚锡；所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气和二氧化碳中的至少一种；油胺为反应溶剂，其用量以完全溶解反应物即可。所述含硒化合物的溶液中，溶剂选自油胺、甲苯、正己烷中的至少一种，优选甲苯，所述含硒化合物选自二苯基二硒醚、硒脲和单质硒中的至少一种，优选二苯基二硒醚。

所述含铜化合物中的铜元素、所述含锌化合物中的锌元素、所述含锡化合物中的锡元素与所述含硒化合物的硒元素的摩尔比为2∶1∶1∶4。