[发明专利]离子交换法合成铜铟硒纳米片的方法

说明书

技术领域

本发明属于光电纳米材料合成技术领域，涉及铜铟硒（CuInSe₂）纳米材料的制备方法，尤其涉及一种离子交换法合成铜铟硒纳米片的方法。

背景技术

石油、煤作为重要的化石能源，是不可再生资源。随着煤和石油等化石燃料的不断枯竭，大力开发新能源和可再生能源是人类可持续发展的必由之路。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，属于清洁能源，不会产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具有前景的研究领域。为了使太阳光得到更加有效的利用，人们研制和开发了太阳能电池。半个世纪之前，贝尔实验室研究人员Chapin 等人用单晶硅制造出了第一块太阳能电池。此电池作为能量的转换媒介，能量转换效率达到了6%。由于单晶硅的成本比较高，为了能使太阳能电池得到普及，人们不断探索寻找一种稳定、高转化率、低成本的物质来替代单晶硅。从实验室取得的成果分析，减少载流子损失和减少光透射损耗可以在一定程度上大大地提高光电转化效率。例如，砷化镓(GaAs)太阳能电池的转化率达到了24%，采用堆叠结构制备的双节太阳能电池 AlGaAs/GaAs 和 GaInP2/GaAs的转化率分别达到了27.6%和29.5%。

光电太阳能电池的发展从简单的IV族材料单晶硅到III-V化合物（GaAs），再到II-VI化合物(CdTe)，之后再到复杂的I-III-VI₂化合物（CuInSe₂）。铜铟硒（CuInSe₂）简称CIS，CIS材料对太阳光有较大的吸收系数，较低的能带间隙(1.05eV)，并且有较好的辐射稳定性，适于用作太阳光光电转换，被广泛应用于薄膜太阳能电池上；另外，CIS薄膜太阳能电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

目前，CIS电池薄膜的制备方法主要有真空蒸镀法、硒化法、电沉积法、化学蒸汽沉积法等，真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒；硒化法是使用H₂Se叠层膜硒化，但该法难以得到均匀的CIS，所以要制备出形貌可控的CIS纳米材料具有一定的挑战性。迄今为止，水热合成CIS纳米材料的报道不是很多：Xian课题组用铜盐、铟盐和硒单质为原料在乙二胺溶液中合成了CIS纳米颗粒和纳米棒，Guo 和 Koo 课题组用油胺为溶剂分别合成了纳米环和纳米颗粒。由于物质的形貌决定物质的性质，所以寻找一种温和的方法制备出不同形貌的铜铟硒纳米材料是很有必要的。

发明内容

本发明提供了一种离子交换法合成铜铟硒（CuInSe₂）二维纳米片。

一种离子交换法合成铜铟硒纳米片的方法，首先以溴化铟和亚硒酸钠为反应物，以二乙烯三胺(DETA)，水合肼和去离子水为溶剂，在内衬为聚四氟乙烯的反应釜内合成In₂Se₃(DETA)_0.5前驱物，然后以制得的前驱物和铜盐为反应物，以乙二醇为溶剂，在反应釜内经溶剂热反应得到铜铟硒（CuInSe₂）纳米片。

本发明中所述的In₂Se₃(DETA)_0.5前驱物制备步骤包括：将溴化铟和亚硒酸钠置于反应釜中，将二乙烯三胺、水合肼和去离子水混合，搅拌均匀后加入所述反应釜内充分溶解，反应液体积为所述反应釜的60%，将所述反应釜置于180℃反应3d，冷却至室温，用无水乙醇洗涤，离心真空干燥得到In₂Se₃(DETA)_0.5前驱物。

本发明中所述的溴化铟和亚硒酸钠的摩尔比为2：3，所述的二乙烯三胺、水合肼和去离子水的体积比为5：2：12，所述的真空干燥温度为60℃。

本发明所述的溶剂热反应包括：将上述制得的In₂Se₃(DETA)_0.5前驱物和铜盐置于反应釜中，加入乙二醇做溶剂搅拌均匀，反应液体积为反应釜体积的60~80%，于160~180℃反应4~8h，冷却至室温，用去离子水和无水乙醇洗涤，离心真空干燥得到铜铟硒纳米片。