[发明专利]一种制备中空太阳能吸收材料CuInS2的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料制备领域，尤其是涉及一种通过模板法制备中空太阳能吸收材料CuInS₂的方法。

背景技术

太阳能作为一种人类取之不尽、用之不竭的可再生和清洁能源，日益得到重视。而基于光伏效应的太阳能电池的研制和开发是近年来发展最快、最具活力的研究领域之一。太阳能电池主要是以半导体材料为基础，利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而实现的，因此在光伏系统中捕获和转化太阳能的光吸收转化材料研制是关键的技术问题之一。尽管具有高的太阳能电池转换效率的硅系太阳能电池在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但其居高不下成本及相应的繁琐的电池工艺影响了其进一步的广泛应用。因此，开发新型的光伏太阳能电池材料和工艺已引起各国学者的广泛关注。尽管CdSe等II-VI族半导体材料的光伏效应得到广泛的研究，但由于Cd、Hg和Pb等重金属元素对环境不友好，欧洲等明确禁止将它们应用于电子元器件，其应用也受到限制。而与II-VI族半导体材料相似，CuInS₂也是一类直接带隙半导体材料且具有可调控的光电性能。因该类材料吸收光谱与太阳光谱匹配性高、具有高的吸收效率(α＝5×10⁵cm^-1)、无光致衰退效应和较低的制备成本等特点而成为目前极具潜力的新型太阳能电池材料。

光催化是除了通过太阳能电池的光电转化外另一种重要的利用太阳能的途径。光催化主要包括光催化合成(如，光解水制氢、光催化CO₂制甲醇等)、光降解两大类。而光吸收范围和比表面积的大小是影响光催化效果的重要因素。CuInS₂类材料由于吸收光谱与太阳光谱匹配性高、吸收效率高十分适合做为光催化体系中光吸收材料。

中空和多孔结构材料如微孔分子筛、介孔二氧化硅、富勒烯C60及其他的无机中空纳米结构材料已经吸引了各国学者很大的关注，这是由于其比表面积大、中空和多孔的特性及本身所具有的物理和化学性质，使其在催化、药物运输、轻质填料、光子晶体、生物标记及隔音材料等领域有着广泛的潜在应用。模板方法目前已经被广泛应用于微孔、介孔和中空材料的合成，这些模板包括表面活性剂液晶材料、聚合物微球、无机微球等。使用模板法可以使中空或多孔结构从模板所具有的结构直接进行复制。另外，模板如有机胺、PS或PMMA高分子微球及无机的氧化硅和碳微球等都可以方便地利用物理和化学方法从杂化材料中去除。尽管中空的材料目前已被大量的制备，然而，与单质和二元化合物相比，采用模板牺牲法合成三元硫化物的研究尚未见报道。在采用模板牺牲法制备Cu₇S₄十八面体中空半导体材料、中空Cu_2-xSe晶体二元硫属化合物和溶剂热制备CuInS₂的基础上，成功的合成了中空的CuInS₂纳米材料。该材料可广泛应用于太阳能电池和光催化系统作为光吸收材料。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以氧化亚铜为自牺牲模板的模板牺牲合成法。该方法工艺简单，生产成本低，所得的中空的CuInS₂纳米材料能进一步满足工业需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备中空太阳能吸收材料CuInS₂的方法，该方法以铟源、硫源为前驱物，以具有特定形貌的氧化亚铜为自牺牲模板为铜源，通过选择合适的溶剂和表面活性剂、控制一定的反应温度和反应时间即可制备出CuInS₂中空纳米材料，具体包括以下步骤：

(1)将铟盐、硫源和助剂加入到聚四氟乙烯反应釜中，然后加入溶剂，配成铟盐浓度为0.01-0.5M的溶液，搅拌或超声溶解；

(2)称取与铟盐相等摩尔量的氧化亚铜模板加入到上述溶液中，搅拌或超声均匀，制成反应前驱液；

(3)将反应釜密封，控制温度140-200℃，反应时间1-24小时；反应结束后，反应釜自然冷却到室温，将产物过滤或离心分离，用无水乙醇洗涤数次，真空抽干，即获得CuInS₂中空材料。

步骤(1)中所述的铟盐、硫源和助剂的摩尔比为1∶(4-16)∶(0.5-3)。

步骤(1)中所述的铟盐为氯化铟、硝酸铟或硫酸铟。

步骤(1)中所述的硫源为硫脲、二硫化碳或硫代乙酰胺的可以释放出硫离子的化合物或单质。

步骤(1)中所述的助剂为可溶性高分子，包括聚乙烯吡咯烷酮或市售的P123。