[发明专利]一种水相法制备CuGaSe2纳米晶的方法

说明书

技术领域

本发明属于光伏材料技术领域，具体涉及一种水相法制备CuGaSe₂纳米晶的方法。

背景技术

随着社会的进步，能源问题已经成为人类生存和发展所面临的重大问题。将太阳能转换为电能的光伏技术是未来解决能源问题的重要手段。降低器件成本，提高器件效率是从事太阳电池材料与器件研究者所追求的主要目标。

铜基硫化物是一类重要的半导体化合物，这些化合物广泛的应用于太阳电池、晶体管、光探测器及热敏器件等领域。铜基硫化物薄膜作为太阳能电池吸收层，主要包括二元的Cu₂S，三元的CuInS₂，CuGaSe₂，CuInSe₂和四元化合物Cu₂ZnSnS₄等。新近发现可将这些铜基硫化物制备成纳米晶油墨，纳米晶油墨太阳电池材料成本低、制作工艺简单，可以通过打印简单的工艺制备铜基硫化物薄膜，有效的降低了薄膜吸收层的制作成本和对昂贵大型真空设备的依赖，为低价高效的太阳电池器件提供了广阔的前景。目前已有很多关于Cu₂S，CdTe，PbSe，CuInS₂，CuInSe₂和Cu(In,Ga)Se₂等纳米晶器件的报道。在众多半导体纳米晶中，黄铜矿结构半导体纳米晶是性能优异的光伏器件材料。CuGaSe₂是一种黄铜矿结构的铜基硫化物材料，它具有与太阳光谱非常匹配的直接带隙和对可见光的高吸收系数，成为最有潜力的新型薄膜太阳电池材料，CuGaSe₂薄膜材料作为太阳电池吸收层已经被广泛研究。此外，CuGaSe₂中Cu、Ga和Se元素没有毒性，不会对环境造成危害。

目前合成CuGaSe₂纳米晶的主要方法是通过热注入和溶剂热等液相方法，在这些方法中通常用到长碳链的有机溶剂，如油胺、油酸、十八烯等，而且Se源通常需要在较高温度才能够溶解，在这些溶剂中进行纳米晶合成通常需要200-280℃的反应温度，目前很少有实验通过在水溶液体系中，即100℃以下的温度制备出CuGaSe₂纳米晶。因此，如何获得低温溶解的Se前驱体，并且在低温(100℃以下)合成CuGaSe₂纳米晶是一项具有实际意义的工作。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种水相法制备CuGaSe₂纳米晶的方法。本发明方法操作简单，反应温度低，元素化学计量比控制精确，所用前驱体材料成本低廉、无毒性。

本发明的方法是：将铜盐前驱体、镓盐前驱体、硒代硫酸钠和去离子水、加入到三口烧瓶中，在惰性气氛中搅拌所有前驱体溶解；然后将温度升高反应，反应完成停止加热使反应物冷却；最后向冷却后的反应产物中加入甲醇使纳米粒子沉降，离心收集纳米晶。本发明技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种水相法制备CuGaSe₂纳米晶的方法，具体步骤如下：

首先将0.1-10mmol铜盐前驱体、0.1-10mmol镓盐前驱体、0.5-20mmol硒代硫酸钠和5-20mL的去离子水加入到三口烧瓶中，在惰性气氛中搅拌；然后将反应温度升高至70-90℃反应10-60min，反应结束后，自然冷却；最后向冷却后的反应液中加入甲醇，使纳米粒子沉降，再离心收集纳米晶。

本发明中，所述铜盐前驱体选自氯化铜、乙酰丙酮酸铜、醋酸铜、硝酸铜或硫酸铜中任意一种。

本发明中，所述镓盐前驱体选自硝酸镓、三氯化镓、乙酰丙酮镓或氧化镓中任意一种。

本发明中，离心收集时，转速为3000-14000转/min，离心时间为1-10分钟。

本发明的有益效果在于：实验操作简单，反应前驱体廉价，反应温度较低，得到的纳米晶粒径均一。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的CuGaSe₂纳米晶的X射线衍射图谱。

图2为本发明实施例1制备CuGaSe₂纳米晶的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1制备CuGaSe₂纳米晶的晶体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1