[发明专利]一种催化制备铜铟碲纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明属于新一代薄膜太阳能电池材料生产技术领域，具体涉及制备铜铟碲纳米线的方法。

背景技术

一维半导体纳米线的制备方法主要分为气相法和液相法，其中气相法需要较为昂贵的仪器设备，操作过程较为复杂，对原料浪费较为严重，不能有效地控制多组分的化学计量比，合成出的纳米线产量有限，这些都限制了材料制备的实际应用。与气相法相比，尤其是Solution-Liquid-Solid（SLS）方法具有仪器设备便宜，操作过程简便，可以有效的控制多组分材料的化学计量比，可以大批量的生产高质量的纳米线，满足商品化需要。SLS方法的原理是以低熔点的金属纳米粒子为催化剂（如：锡，铋），在高温下金属纳米粒子聚集为液态液滴，这些液滴将作为纳米线生长的液态核心。反应前驱体会不断的溶入液态液滴，当达到过饱和时，半导体晶枝就会从液滴中析出，在液滴的约束下，形成一维纳米线结构。同时液滴中前驱体浓度欠饱和，前驱体会溶入液滴中，提供晶枝继续生长，这样形成的纳米线可达到10微米。

铜铟硒（CuInSe₂, CIS）是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体，具有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。铜铟硒薄膜太阳能电池材料具有近似最佳的光学能隙，吸收率（吸收与入射光通量之比）高( 10⁵cm^–1)，抗辐射能力强和长期稳定性好等特点。其能隙还可以通过 Ga 和 Al 部分取代 In，或 S 部分取代 Se 进行调节。铜铟硒薄膜太阳能电池属于技术集成度很高的化合物半导体光伏器件，由在玻璃或廉价的衬底上沉积多层薄膜而构成。薄膜总厚度约2～3μm，具有高转换效率、低成本、无衰退等综合性能。德国、美国和日本已经完成了铜铟硒薄膜太阳能电池中试开发，开始进入大规模产业化技术攻关。日本昭和石油公司创下了这种CIS 系薄膜太阳能电池转换效率的最高世界记录。面积为864cm²的转换效率为14.3%，面积为3560cm²的转换效率为13.4%。

铜铟碲（CuInTe₂, CIT）也是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体，其禁带宽度为1.02eV，与CIS接近，具有很好的吸光性能，是一种潜在的薄膜太阳能电池材料。已有报道通过微波辐射法、溶剂热法等合成了铜铟碲纳米粒子，但有关铜铟碲纳米线的制备方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种薄膜太阳能电池材料-铜铟碲纳米线的催化制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）制备铋纳米粒子的甲苯溶液：

将双（三甲基硅基）氨基铋的四氢呋喃溶液和双（三甲基硅基）氨基钠的四氢呋喃溶液混合，形成含有铋前驱体的混合溶液；

在氮气保护下，将聚乙烯吡咯烷酮-十六烷嵌段共聚物和二苯醚混合，磁力搅拌并加热到180℃，形成反应体系；

将含有铋前驱体的混合溶液注入反应体系中，经反应30分钟后，冷却到室温，再加入甲醇后离心，用甲苯和甲醇分散和离心处理，将离心出的固相分散在甲苯中，形成铋纳米粒子的甲苯溶液；

2）制备含有乙酸铟、乙酸亚铜和碲的前驱体溶液：

在氮气保护下将碲粉溶解于三辛基膦中，形成碲含量为0.5～1 mol/L的碲的三辛基膦溶液；

本发明选用三辛基膦作为溶剂有三个优点：1. 三辛基膦是一个高沸点有机溶剂，本发明需要较高的反应温度，三辛基膦可以满足需要；2. 三辛基膦可以很好的溶解各种前驱体；3. 三辛基膦具有一定的还原性，可以保护反应物不被氧化。

无氧条件下，将乙酸铟、乙酸亚铜、油酸和三辛基膦混合后，加入碲的三辛基膦溶液，形成含有乙酸铟、乙酸亚铜和碲的前驱体溶液；

3）制备铜铟碲纳米线：

在氮气保护下，将三辛基膦加热到360～370℃，保温条件下，加入铋纳米粒子的甲苯溶液，再滴加含有乙酸铟、乙酸亚铜和碲的前驱体溶液，待反应结束后，经冷却再注入甲苯，然后离心，取固相用甲苯离心洗涤后真空干燥，即得铜铟碲纳米线。

根据反应原理，反应温度必须高于金属铋的熔点，也就是273.1℃以上，铋纳米粒子在反应体系中为液相，前驱体会溶于铋纳米粒子中，过饱和后长出晶枝线。但是对于铜铟碲纳米线的合成，在低于360℃时，由于其高的反应活性，铜铟碲会自动成核，形成纳米球状铜铟碲。如温度高于370℃时，三辛基膦开始回流。因此本发明在步骤3）中先三辛基膦加热到360～370℃，并在保温条件下，加入铋纳米粒子的甲苯溶液。