[发明专利]一种六方纤锌矿结构铜锌锡硫纳米晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种六方纤锌矿结构铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄，英文缩写为CZTS)纳米晶的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄，英文缩写为CZTS)是一种具有广泛应用前景的光伏半导体材料，具有直接带隙(1.5eV)、吸光系数高、成本低廉、环境友好等特点，以CZTS为吸收层的薄膜太阳能电池的光电转化效率已达到12.6％。目前CZTS的制备多采用真空技术，需要使用昂贵的高真空设备，成本高、投资大。因此，低成本的非真空制备CZTS光伏材料的技术(如溶液法制备)更受人们的青睐。但是现有制备CZTS的溶液法大多使用有机溶剂，产物不易提纯，影响电池性能，并增加生产成本。且目前CZTS太阳能电池的研究主要集中在四方锌黄锡矿的CZTS，而六方纤锌矿结构CZTS的制备、半导体特性与光伏性能研究罕见报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种六方纤锌矿结构CZTS纳米晶的制备方法，旨在解决现有方法所得CZTS纳米晶产物多为四方锌黄锡矿结构的问题，同时也避免在制备过程中使用有机溶剂，造成环境污染与资源浪费。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明六方纤锌矿结构CZTS纳米晶的制备方法，其特点在于按如下步骤进行：

a、将含铜离子0.75mmol的铜源纳米颗粒分散在10mL去离子水中，形成铜源纳米颗粒分散液A；

b、将5mL浓度为0.075M的锡源水溶液滴加到10mL浓度为0.3M的硫源水溶液中，形成溶液B；

c、将步骤a获得的铜源纳米颗粒分散液A加入步骤b获得的溶液B中，并加入5mL浓度为0.075M的锌源水溶液，调节pH值为7-8，搅拌均匀，获得混合溶液；

d、将所述混合溶液加入反应釜中，在150～190℃条件下反应24h；将反应釜冷却至室温后，离心获得沉淀物，即为目标产物六方纤锌矿结构CZTS纳米晶。

其中：步骤a中所述铜源纳米颗粒为Cu₂O、CuO或Cu(OH)₂的纳米颗粒；步骤b中所述硫源为Na₂S；步骤b中所述锡源为SnCl₄、Sn(NO₃)₄或Sn(SO₄)₂；步骤c中所述锌源为Zn(NO₃)₂、ZnCl₂或ZnSO₄。

本发明的制备方法，采用铜源纳米颗粒制备六方纤锌矿结构CZTS纳米晶，改变步骤b中硫源的量会影响产物的纯度；改变步骤c中的pH值会影响产物的晶相；改变步骤d中的反应时间会影响产物的形貌。

本发明的六方纤锌矿结构CZTS纳米晶可用作新型太阳能电池的吸光层材料。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明提供了一种六方纤锌矿结构CZTS纳米晶的制备方法，反应条件温和、无需高温处理，成本低廉，不需要昂贵的真空设备、不使用有机溶剂，环境友好、易于推广；且所得产物为六方纤锌矿结构；

2、本发明在制备过程中通过控制反应时间可获得不同形貌的产物，通过改变反应溶液的pH值可获得不同晶相的产物；

3、本发明的制备方法所获得的产物为纳米晶，尺寸小，容易制成薄膜作为太阳能电池吸光层。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的CZTS纳米晶的高分辨透射电子显微镜图(HRTEM)，由图可以看出，本实施例所得纳米晶为5-10nm的不规则颗粒，晶体结构为六方纤锌矿结构。

图2为本发明实施例1所制备的CZTS纳米晶的X射线衍射图(XRD)，由图所示，本实施例所得纳米晶颗粒为六方纤锌矿结构。

图3为本发明实施例1所制备的CZTS纳米晶的拉曼光谱图(Raman Spectrum)，可以看出特征峰在328cm^-1，表明产物是纯相CZTS。

图4为本发明实施例1所制备的CZTS纳米晶的能量散射X射线能谱图(EDX)，可以看出Cu：Zn：Sn：S的比例约为2：1：1：4。

图5为本发明实施例1所制备的CZTS纳米晶旋涂成薄膜之后测得的光电导响应图，其中虚线为无光条件下的I-V曲线，实线为有光条件下的I-V曲线。