[发明专利]铜基纳米太阳能电池材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜基纳米太阳能电池材料的制备方法，属于新型能源材料领域，特别涉及采用高温有机溶剂热解法，以金属化合物作为前驱体制备高质量单分散纳米晶的方法。

背景技术

太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，是替代传统不可持续的化石能源的终极能源。太阳能电池是一种基于光伏效应的可再生太阳能发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，是一种环保的发电方式。当前，已经大规模工业化生产单晶硅和多晶硅太阳能电池由于硅吸收系数低，故要求一定的厚度，且在生产和使用过程中会增加材料，成本较高。另外，用于制造硅太阳能电池的硅材料生产硅的过程能耗高，污染严重，而且硅太阳能电池所产出的电能尚不够补偿生产硅的所消耗的电能，因此发展硅太阳能电池，从长远角度考虑不是一种清洁可持续能源补偿方式。

薄膜太阳能电池是一种经济、环保、节能、高效的太阳能电池，具有生产成本低、能耗小、高转化效率等优点。传统的碲化镉薄膜太阳能电池可引起重金属污染的严重环境问题，从而限制了它们的发展。铜基太阳能电池具有地球丰度高、毒性低、高吸收系数和适宜的带隙等优点，可以用于发展低成本的多元化合物类薄膜太阳能电池。多元化合物化学式主要为ABQ₂，主要包括Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ₂（I=Cu,Ag；Ⅲ=In,Al,Ge;Ⅵ=S,Se,Te），其中Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ₂系列半导体化合物的带隙为0.8~3.5eV。本专利主要关注铜基的CuIn(S,Se)₂[CIS(Se)]、CuIn_xGa_1-x(S,Se)₂(0≤x≤1)[CIGS(Se)]、CuFe(S,Se)₂[CFS(Se)]、Cu₂FeSn(S,Se)₄[CFTS(Se)]、Cu₂CoSn(S,Se)₄[CCTS(Se)]、Cu₂ZnSn(S,Se)₄[CZTS(Se)]等纳米材料的制备。

CuIn(S,Se)₂是一种三元Ⅰ-Ⅱ-Ⅵ₂族的化合物半导体，具有黄铜矿(Chalcopyrite)、纤锌矿(Wurtzite)和闪锌矿(Zinc Blende)三种晶体结构，其室温下带隙大约为1.53eV,是陆地上光伏电池最优的禁带宽度值。理论预测的CuInS₂太阳能电池的效率高达26%，然而直到今天，文献报道的CuInS₂薄膜太阳能电池效率仅接近于12%。“绿色化学”的发展要求使用无毒的材料，而硒化物的是具有很高毒性的材料。作为光伏材料，CuInS₂具有吸收系数大、制造成本低和毒性低等优点，因此CuInS₂是非常具有吸引力的材料。

CuIn_xGa_1-x(S,Se)₂(0≤x≤1)[CIGS(Se)]是最具有前景的太阳能薄膜吸收材料，具有高吸收系数、成本低和耐用性强等优点。CIGS(Se)材料还有一个优点，即通过改变镓的掺杂浓度，可以调节CIGS宽度禁度在1.07到1.7eV之间。目前据报道，多晶CuIn_1-xGa_xSe₂的薄膜太阳能电池的效率最高可达18.8%。但是铟和镓元素地球丰度低，价格贵，使得电池制造成本高。

CuFeS₂属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ₂系列的硫族化合物，具有黄铜矿结构。CuFeS₂是自然界中广泛存在的三元硫化物，许多矿产品中包含CuFeS₂，是自然界中炼铜的主要来源。三价的磁性的铁原子替代了Ⅲ的原子，但是d-型导带使得其带隙的急剧下降到0.5~0.6eV。CuFeS₂也是一种反铁磁性的半导体材料，可以用于自旋电子方面的应用。黄铜矿的CuFeS₂具有四方的结构，铁和铜离子与硫形成四个配位键。