[发明专利]Cu2FeSnS4微米级空心球的溶剂热制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可作为薄膜光伏电池光吸收层的I₂-II-IV-VI₄族半导体微米级空心球的制备工艺，还涉及到相关材料空心球的形貌控制。属于光伏电池材料技术领域。

背景技术

自从工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛的生活的各个方面和工业生产的各个领域。但是随着经济的不断发展已经工业规模的不断扩大，人类对能源的需求量不断增加。同时由于化石燃料的过度使用，给环境造成了巨大的污染和破坏。时至今日，能源危机和环境污染已经成为世界各国面临的共同问题。寻找新的无污染可再生的能源成为世界各国科学家共同关注的课题。

太阳能可以说是“取之不尽，用之不竭”的能源，与传统矿物燃料相比，太阳能具有清洁和可再生等许多优点。 将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的主要途径，其转换方法有很多，有光热电间接转换和光电直接转换，前者主要有太阳能热水器等，后者主要指太阳能电池。太阳能电池按照材料种类可以分为太阳电池可分为硅太阳电池、化合物太阳电池、染料敏化电池和有机薄膜电池几种。其中硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。产业化晶体硅电池的效率可达到14%～23% (单晶体硅电池16%～23%，多晶体硅14%～18%)。非晶硅太阳能电池光电转换效率虽然略低于晶体硅电池，但是由于其生产工艺简单而大大降低了生产成本，曾经一度被认为是替代晶体硅电池用于大规模民用发电的最佳材料，但是后来由于非晶硅电池的光致衰退现象而被放弃(所谓的光致衰减效应，即光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，使电池性能不稳定)。目前产业化太阳电池中，多晶硅和单晶硅太阳电池所占比例近90%。硅基电池广泛应用于并网发电、离网发电、商业应用等领域。但是其发电成本依然是传统能源发电的2～3倍。 因此研发新型太阳能电池材料和种类依然很具有商业价值。

薄膜太阳能电池作为一种新的太阳能电池结构，从诞生的那天就引起了科学界的广泛关注，也使得太阳能电池材料变的更加多元化。目前开发的薄膜太阳能电池的材料主要有非晶硅、微晶硅、化合物半导体II-IV族硫化镉CdS、碲化镉(CdTe)、铜铟硒（CuInSe₂）、铜基硫族四元化合物半导体铜铟硒化物（CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）及铜铁锡硫（CFTS）等。其中硅基薄膜太阳能电池由于研究已久，效率不高且已接近理论效率值，因此研究空间不大。硫 化镉CdS、碲化镉(CdTe)、铜铟硒（CuInSe₂）由于具有毒性或者含有稀有金属而限制了这类材料的大规模开发和利用。铜基硫族四元化合物半导体太阳能电池是目前最受热捧的研究领域。其中Cu₂FeSnS₄新材料拥有与太阳光谱相匹配的直接带隙(1.0～1.5eV)，同时还具有相对较大的的吸收系数(可见光区的吸收系数不小于10⁴cm^-1)，与其结构和性质相似Cu₂ZnSnS(Se)₄作为吸收层的太阳能电池转换效率已经达到11.1%，而其理论效率高达32%，它是极具潜力的新型薄膜光伏电池吸收层材料。制备Cu₂FeSnS₄薄膜一般是先制备纳米晶再烧结形成纳米晶薄膜，直接成膜的技术目前只有磁控溅射。但是磁控溅射法的生产投资成本很大；真空沉积腔上沉淀的物质造成原料的浪费；且难以制备出薄膜厚度的均匀化学成分均一的大面积Cu₂FeSnS₄薄膜。而采用溶剂热法制备Cu₂FeSnS₄纳米晶薄膜，不需要昂贵的高真空设备，也不需要较高的反应温度即可得到化学计量比可控的Cu₂FeSnS₄纳米晶，原材料的利用率非常高，这对于研发大面积Cu₂FeSnS₄薄膜太阳电池降低其制作成本提供了一条崭新的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高质量的Cu₂FeSnS₄微米级空心球的制备方法，这一制备方法操作简单，所用前躯体材料成本低廉，制备的纳米晶组装成一定尺寸的微米级空心球，且球形颗粒分散性好、结晶性较好。

本发明的方法是将反应物前躯体加入高压釜中，然后升高反应温度进行反应得到纳米晶颗粒。

本发明中Cu₂FeSnS₄微米级空心球的制备方法包括如下步骤：