[发明专利]富铜的铜铟(镓)二硒化物/二硫化物纳米粒子的制备

说明书

一种用于制备铜铟（镓）二硒化物/二硫化物(CIGS)纳米粒子的方法，其利用富铜化学计量法。将富铜CIGS纳米粒子用有机硫族元素配体覆盖，使得纳米粒子适合在有机溶剂中处理。可以将纳米粒子沉积在衬底上并在富硫族元素气氛中热处理以促使过量的铜向硒化铜或硫化铜的转化，所述硒化铜或硫化铜可以充当烧结助熔剂以促进液相烧结并因此促进大晶粒的生长。如此制备的纳米粒子可用于制造基于CIGS的光伏器件。

本申请是申请日为2014年11月23日、国际申请号为PCT/GB2014/053371、中国国家阶段申请号为201480072862.3且发明名称为《富铜的铜铟(镓)二硒化物/二硫化物纳米粒子的制备》的发明申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月15日提交的美国临时申请No.61/904,780的权益。

关于联邦政府发起的研究或开发的声明：不适用。

发明背景

1、发明领域

本发明总体上涉及用于光伏电池的材料。更具体地，涉及制备铟镓二硒化物/二硫化物(CIGS)纳米粒子的方法。本发明还涉及由基于纳米粒子的前体墨形成的基于CIGS的器件。

2、包括在37CFR 1.97和1.98下公开的信息的相关技术的描述

对于商业生命力而言，光伏(PV)电池必须以可与化石燃料竞争的成本发电。为了满足这些成本，PV电池必须包含低成本材料，连同价廉的器件制造工艺和中等到高的太阳光至电力的转化效率。为了使器件-构造方法成功，材料合成和器件制造必须能够在商业上放大规模。

目前的光伏市场依然由基于硅晶片的太阳能电池(第一代太阳能电池)主导。然而，这些太阳能电池的活性层由厚度跨度从微米至几百微米的硅晶片制成，因为硅是相对差的光吸收剂。这些单晶晶片的制备是非常昂贵的，因为该方法包括制造和切片高纯度单晶硅锭，并且也非常浪费。

结晶硅晶片的高成本使得工业界寻求更便宜的材料来制造太阳能电池，为此许多开发工作集中在制备高效薄膜太阳能电池，其中材料成本与硅相比显著降低。

半导体材料如铜铟镓二硒化物和二硫化物(Cu(In，Ga)(S，Se)₂，本文中称作“CIGS”)是强吸光剂并且具有与PV应用的最佳光谱范围匹配良好的带隙。此外，因为这些材料具有强吸收系数，太阳能电池中的活性层只需要几微米的厚度。

铜铟二硒化物(CuInSe₂)由于其独特的结构和电性质是最有希望用于薄膜PV应用的候选者之一。其1.0eV的带隙与太阳光谱匹配良好。CuInSe₂太阳能电池可以通过CuInS₂膜的硒化制造，因为在硒化过程中，Se替代S并且该取代产生体积膨胀，这减小空隙空间并且可再生产地产生高质量的致密CuInSe₂吸收剂层[Q.Guo，G.M.Ford，H.W.Hillhouse和R.Agrawal，Nano Lett.，2009，9，3060]。假设S完全被Se取代，所得的晶格体积膨胀为～14.6％，这是基于黄铜矿(四方晶系)CuInS₂的晶格参数和CuInSe₂的晶格参数计算的。这意味着CuInS₂纳米晶体膜可以通过将该膜在富硒气氛中退火而容易地转化为占优势的硒化物材料。因此，CuInS₂是有希望的用于制备CuInSe₂或CuIn(S，Se)₂吸收剂层的备选前体。

吸收剂材料的理论最佳带隙在1.2-1.4eV范围内。通过将镓掺合到CuIn(S，Se)₂纳米粒子中，可以操纵带隙使得在硒化后以太阳能吸收的最佳带隙形成Cu_xIn_yGa_zS_aSe_b吸收剂层。