[发明专利]CZTS对电极的溶剂热原位制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种CZTS(Cu₂ZnSnS₄)对电极的制备方法，具体地讲是一种CZTS对电极的溶剂热原位制备方法及应用，属于纳米材料合成技术领域。

背景技术

随着化石燃料日渐枯竭及其在使用过程中所造成的环境污染问题，研制新型节能环保的能源装置已成为解决能源问题和环境问题的重要途径，其中太阳能电池因其具有应用范围广、清洁无污染的优点成为了备受关注的研究对象。随着光伏组件的广泛使用，如何获得高效、绿色、低廉的太阳能吸收材料是目前光伏发电的研究热点。其中，染料敏化太阳能电池由于其较高的光电转换效率、简单且廉价的制备过程受到了人们的广泛关注。在染料敏化太阳能电池结构中，电极对整个电池的光电性能及生产成本都具有重要的影响。在过去的很长一段时间里，各国科学家都针对染料敏化太阳电池的电极材料进行了大量的研究和探索，并证明了碳材料与导电高分子材料作为染料敏化太阳能电池对电极材料的可行性。

目前，无机化合物对电极由于原材料来源广、可塑性好和制备工艺简单等优点，成为了人们的重点关注对象。铜锌锡硫类材料 (CZTS)在光伏领域被人们作为薄膜太阳能电池中的P型吸收材料得到了广泛的研究：Teodor. K等人利用一种基于联氣溶液的混合颗粒-溶液沉积技术，首先利用Se或S在联氨的作用下与金属或金属盐反应生成含有中间相颗粒的溶液,然后按照一定的比例将溶液混合并旋涂成膜，最后通过高温退火得到了高质量的CZTSSe层。基于这种高质量CZTSSe层制备的太阳能电池获得了9.66%的高转换效率。尽管这种方法十分的新颖,但是联氨这种剧毒且易爆材料的使用限制了这种方法的进一步推广。

不久前，有研究表明CZTS(Se)对碘离子具有较高的催化还原性能，因此被认为很有希望成为传统染料敏化太阳能电池中贵金属铂对电极的替代材料。Xin等人首先报道了将CZTS薄膜作为高效催化对电极应用到染料敏化太阳电池中。他们利用高温溶剂法以油胺作为溶剂，以氩气作为保护气体，使用铜、锌和锡的有机盐在225℃温度下合成了CZTS纳米晶。将洗净收集的CZTS纳米晶分散在甲苯中并使用旋涂和滴涂、退火的方法在FTO玻璃上制备了CZTS对电极。通过组装电池测试发现，CZTS对电极在染料敏化太阳电池结构中对I^3-离子具有很高的催化还原作用，电池获得了7.3%的整体电池光电转换效率，这一结果甚至高于以铂为对电极制备的参比染料敏化太阳电池的转换效率。尽管这种方法制备的对电极取得了不错的效果，但是这种制备CZTS纳米晶的方法所使用的原料昂贵、工艺复杂，不利于大规模的生产和应用。

参考文献：

[1] D. Mitzi, O. Gunawan, T. K. Todorov, K. Wang and S. Guha. The path towards a high-performance solution-processed kesterite solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2011, 95(6): 1421-1436；

[2] H. Xin, J. K. Katahara, I. L. Braly and H. W. Hillhouse. 8% Efficient Cu₂ZnSn(S,Se)₄ Solar Cells from Redox Equilibrated Simple Precursors in DMSO. Adv. Energy Mater. 2014, 1301823。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，提供一种制备工艺简单、周期短、颗粒结晶性好且光电转换效率高的CZTS (Cu₂ZnSnS₄)对电极的溶剂热原位制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的CZTS对电极的溶剂热原位制备方法，包括以下步骤：

1)、分别取铜盐、锌盐、锡盐及硫源倒入无水乙醇，超声搅拌得到澄清反应前驱液；所述铜盐、锌盐、锡盐、硫源之比为2:1:1:4-8，所述铜盐与无水乙醇之比为1:1250；

2)、将清洗好的导电玻璃置于0.05mol/L的四氯化钛溶液中，进行保温处理，随后取出清洗、烘干；

3)、将步骤2)处理好的导电玻璃置于反应釜中，导电面朝上，倒入步骤1)得到的反应前驱液，密封后置于烘箱中，在100～220℃温度下保温12～48h进行溶剂热反应，冷却至室温后取出；