[发明专利]一种超声辅助微波可控制备Cu2ZnSnS4纳米颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超声辅助微波可控制备Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒的方法，具体涉及无机纳米材料制备领域。 

背景技术

传统的石化能源的日益枯竭迫使人们在寻求一种可再生的替代能源。与其他能源相比，太阳能是人类最理想的可替代能源。通过光伏发电技术可以直接将太阳能转化为电能，以满足人类对能源的需求。 

经过近十年的发展，太阳电池的研究已取得了许多成果。然而，目前太阳电池的造价成本还是高居不下，极大地限制了它的广泛应用。因此，人们一直在寻找一种低成本且环保的太阳电池材料和制备方法。目前，硫化物太阳电池材料受到的关注最多。其中最具代表性的是Cu(Ga，In)(S，Se)₂(CIGS)薄膜太阳电池，其最高转化效率已经达到20.3％。但是，In和Ga是稀缺元素，价格高昂，而且Se是有毒的，不环保，这在很大程度上限制了其应用。Cu₂ZnSnS₄(CZTS)作为CIGS的同类材料，其带隙约为1.48eV，十分接近理想太阳电池吸收层的带隙1.5eV，且具有高的吸收系数(＞10⁴cm^-1)。Cu₂ZnSnS₄中的各元素在地壳中含量都较高，而且是无毒、廉价的，同时Cu₂ZnSnS₄太阳电池理论效率高达32.4％，因此CZTS是一种非常理想的太阳电池材料。目前以CZTS为吸收层的太阳电池转换效率达到8.4％，而用一部分Se取代Cu₂ZnSnS₄中的S的Cu₂ZnSn(S，Se)₄(CZTSSe)电池效率可达到11.1％。因此这种新型太阳电池有着很好的应用前景和巨大的商业价值。 

目前，Cu₂ZnSnS₄薄膜的制备方法主要是磁控溅射硫化法和热蒸发法，这两种方法都需要大型真空设备，对制备条件要求较为苛刻，不能从根本上降低材料的制备成本。然而，改用墨水法制备Cu₂ZnSnS₄薄膜可以大大降低制备成本。其中，墨水法最重要的一步就是制备出大小均一的纳米颗粒，这样才能制备出分散性较好的墨水，也才能制备出具有优异性能的Cu₂ZnSnS₄薄膜。本发明主要采用超声辅助微波合成法快速可控制备Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒。首先，通过调节溶液配方，如不同前驱体配比、不同表面活性剂、不同硫源、不同浓度等条件调控纳米颗粒的元素比例、形状及尺寸，以便制备出具有较好分散性的纳米颗粒，为制备优质墨水打下基础。 同时，还通过改变微波反应条件诸如反应时间、反应温度、微波功率以及增加超声辅助等来进一步控制合成Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒的尺寸。 

发明内容

本发明提出一种超声辅助微波合成可控制备Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒的方法，该方法无需真空设备，降低生产成本，制备周期短，适合工业化大规模生产，制备铜锌锡硫纳米颗粒所用的材料都是无毒、无污染且廉价的，这极大降低了太阳电池的生产成本，具有良好的应用前景。 

本发明所涉及的Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒的制备方法是通过以下技术方案实现的，具体包括以下几个步骤： 

(1).首先是溶液的配制；将二价铜盐、二价锡盐、二价锌盐、硫源以及表面活性剂加入到有机溶剂中，用磁力搅拌器搅拌均匀使其充分溶解得到澄清溶液。其中所述的二价铜盐浓度为0.02M-0.08M，二价锡盐浓度为0.02M-0.04M，二价锌盐浓度为0.02M-0.04M，硫离子的浓度为0.08M-0.2M，表面活性剂的浓度为0-1M或0-0.02g/mL； 

(2).将步骤(1)获得的溶液放入到微波炉中；微波功率为100-800W，微波反应时间为5-60min，反应温度为100-200℃，辅助超声输出功率为10-900W，获得Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒溶液；