[发明专利]铜锌锡硫光电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光电材料技术领域的制备方法，具体涉及一种铜锌锡硫光电材料的制备方法。

背景技术

铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄，英文缩写为CZTS)具有锌黄锡矿结构，其禁带宽度与半导体太阳电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近，并且具有较大的吸收系数(可达10⁴cm^-1)。另外，该材料是利用在地壳上蕴含量较高的锌和锡元素代替了铜铟镓硒(Cu₂InGaSe₂，英文缩写为CIGS)中的铟元素，还不含有毒成分而对环境友好，已成为替代铜铟镓硒太阳电池吸收层的最佳候选材料，被国际上称为下一代最有前途的廉价太阳电池材料之一，有可能成为未来光伏电池的主流产品。

经对现有技术的文献检索发现，R.Nitsche等在《Journal of CrystalGrowth》(晶体生长)1967年第1卷第1期第52～53页发表“Crystal growth ofquaternary 1₂246₄ chalcogenides by iodine vapor transport”(碘气相运输法制备单晶体Cu₂ZnSnS₄)以来，专业人员已经开发出原子束溅射、磁控溅射、激光溅射、热蒸发真空镀膜等Cu₂ZnSnS₄制备方法，但这些方法存在着设备昂贵、不易于大面积沉积以及需使用剧毒的硫化氢气体等缺点。因此，提出一种可大量制备，成本低廉，环境友好，无毒的Cu₂ZnSnS₄制备方法，对于本技术领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种铜锌锡硫光电材料的制备方法。本发明的方法绿色无污染，设备要求简单，适合工业化大规模生产。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

①将铜粉，锌粉和锡粉分别用硫酸或盐酸处理；

②减压过滤，真空干燥；

③之后与硫粉混合，在惰性气体保护下球磨；

④将球磨好的物料静压得到块体；

⑤在惰性气体保护下烧结，得到铜锌锡硫光电材料。

所述铜粉，锌粉和锡粉的纯度均为4N～6N。

所述硫酸或盐酸处理为，用质量分数为1～5％的硫酸或盐酸搅拌处理5～60分钟。

所述真空干燥为，真空下30～80℃干燥6～24小时。

铜粉、锌粉、锡粉与硫粉的摩尔比为：(2～2.2)∶(1～1.2)∶(1～1.2)∶(4～4.2)。

加入玛瑙球的质量为球磨物料的5～100倍。

所述球磨为，50～300rpm处理6～96小时。

所述静压为，10～60MPa的压力等静压5～60分钟。

所述烧结为，300℃～1500℃烧结1～12小时。

本发明通过选择铜、锌、锡、硫四种单体合适的化学配比，高能机械球磨混料，等静压成型，而后惰性气体保护下高温烧结，快速得到大量Cu₂ZnSnS₄光电材料。本发明的原理在于惰性气体保护状态及高温状态下，单体物质从外界获得极大能量，原子外层电子极为活泼，原子间趋向于往能量最低稳态发展，而铜、锌、锡、硫四种单体经过预先球磨充分混合，故高温烧结后可得到Cu₂ZnSnS₄光电材料。

本发明的方法避免了溅射法存在的设备昂贵、不易于大面积沉积以及需使用剧毒的硫化氢气体等缺点，具有绿色无污染，设备要求简单，适合工业化大规模生产的优点。

附图说明

图1为实施例1制备的Cu₂ZnSnS₄光电材料的X射线衍射图谱；

图2为实施例2制备的Cu₂ZnSnS₄光电材料的X射线衍射图谱；

图3为实施例4制备的Cu₂ZnSnS₄光电材料的X射线衍射图谱；

图4为实施例4制备的Cu₂ZnSnS₄光电材料的X射线衍射图谱；

图5为实施例5制备的Cu₂ZnSnS₄光电材料的X射线衍射图谱。

具体实施方式