[发明专利]一种水热合成制备太阳能吸收层材料Cu2ZnSnS4的方法

说明书

技术领域

本发明属于Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池制备领域，特别涉及一种水热合成制备太阳能吸收层材料Cu₂ZnSnS₄的方法。

背景技术

社会的巨大进步，对能源需求的大幅度提高，导致了煤、石油、天然气等能源急剧枯竭，且环境污染也日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生的新能源。作为地球无限可再生的无污染能源——太阳能的应用日益引起人们的关注。目前，高效、廉价、稳定的太阳能电池成为了科学工作者研究的热点。

当前太阳能电池主要分为：硅系(单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜)太阳能电池、化合物半导体(Cu₂ZnSnS₄CuInSe₂、Cu(In，Ga)Se₂、CdTe、GaAs和InP)薄膜太阳能电池、有机太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池等。其中，Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池由于光电转换效率较高、制作成本较低，没有性能衰减等优良特性，受到人们的广泛关注。

Cu₂ZnSnS₄作为吸收层材料，是Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池的关键部分。目前制备Cu₂ZnSnS₄的吸收层材料的方法主要有磁控溅射、脉冲激光沉积、喷雾热解法、电化学沉积法、溶解-旋涂法、高温液相合成纳米晶墨水等方法。其中磁控溅射、脉冲激光沉积、喷雾热解法对设备要求较高，价格昂贵；利用电化学沉积合成的薄膜材料，成分比较难控制；溶解-旋涂法通常会用到有毒的有机溶剂；高温液相合成多是利用注射合成，对于规模化生产比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水热合成制备太阳能吸收层材料Cu2ZnSnS4的方法，本发明的制备方法对设备要求低，操作比较简单，成分比较容易控制，而且可以规模化生产，为制备高效廉价的太阳能电池提供了良好的应用前景。

本发明的一种水热合成制备太阳能吸收层材料Cu₂ZnSnS₄的方法，包括：

(1)称取摩尔比为2∶1∶1的Cu²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺的盐放入圆底烧瓶中，然后加入乙二醇，配成0.01-0.5M的溶液A(该浓度指溶液中Cu²⁺盐、Zn²⁺盐及Sn²⁺盐总物质的量与乙二醇的体积之比)，室温，搅拌溶解，其中溶液A的浓度为Cu²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺总物质的量与乙二醇体积的比值；

(2)称取Cu²⁺、Zn²⁺、Sn²⁺物质的量之和1-5倍的Na₂S固体，加入乙二醇，同样配成0.01-0.5M的溶液B，超声溶解；

(3)搅拌条件下，将A与B按体积比1∶1混合，转移至高压反应釜中，反应时间为1-48小时，温度为100-240℃，离心分离，即得到Cu₂ZnSnS₄纳米球。

所述步骤(1)中Cu²⁺为其相应的盐(如CuCl₂·2H₂O)；

所述步骤(1)中Zn²⁺为其相应的盐(如ZnSO₄.7H₂O)；

所述步骤(1)中Sn²⁺为其相应的盐(如SnCl₂.2H₂O)；

所述步骤(1)中溶液A的浓度为0.1-0.2M；

所述步骤(2)中溶液B的浓度为0.2-0.5M。

本发明发展了一种水热的方法制备Cu₂ZnSnS₄作为吸收层材料，水热合成法对设备要求比较低，操作比较简单，容易规模化，所使用的各种溶剂均对环境友好，无高毒性物质产生。

有益效果