[发明专利]三乙烯四胺辅助多元醇基溶液合成铜铟铝硒纳米晶的方法

说明书

技术领域

本发明是关于纳米材料的，特别涉及一种三乙烯四胺辅助多元醇基溶液合成铜铟铝硒纳米晶的方法。

背景技术

作为薄膜光伏电池的代表性光吸收半导体材料，铜铟硒CuInSe₂（CISe）化合物具有可见光吸收系数高，制造成本以及能量偿还时间低于晶体硅太阳电池，电池稳定性能好，几乎没有任何衰减，弱光性能好及光电转换效率高等优点。但由于CISe的禁带宽度大约为1.04eV，而与太阳能光谱最匹配的禁带宽度在1.4eV左右，因此为了达到最合适的禁带宽度，提高转换效率和与其它层的匹配等，需要对CISe进行掺杂。用Al取代CISe中的In，形成铜铟铝硒CuIn_1-xAl_xSe₂（CIASe）四元化合物半导体，其禁带宽度可在1.04eV～2.67eV内连续可调。CIASe有如下几方面的优点：首先，用储量丰富、价格便宜的Al取代价格较贵的In，能够降低生产成本；其次，由于CIASe比CuIn_1-xGa_xSe₂(CIGS)在相同禁带宽度时，晶格常数的改变更小，所需掺杂浓度更小，这对于减少晶格缺陷和晶界的杂相，增加结晶性和薄膜的致密性都有益处，能够获得更好的转化效率。其中，W.N.Shafanan,S.Marsillac,P.D.Paulson等人通过共蒸发法制备出了转换效率达到16.9%的CIASe太阳电池（参见W.N.Shafanan,et.al.Photovoltaic Specialists Conference,Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE,2002,1060-8371）。

制备CIASe薄膜太阳电池的方法主要可分为物理法和化学法两种，其中物理法主要有：蒸发法、溅射法等；化学法主要有电沉积法、化学气相沉积、连续离子层吸附反应法等。由于物理法制备CIASe薄膜存在工艺复杂、成本高昂、需要高度的真空环境、大面积沉积时不均匀及化学计量较难控制等缺点，限制了其大规模产业化的发展。常规化学法又存在着薄膜质量较差、化学组分难控、杂相难除以及需要进行有毒的后期硒化热处理等缺点，同样不利于其产业化的发展。最近几年，已经发展了一种胶体墨水技术制备化合物薄膜太阳能电池光吸收层，它应用溶液合成法制备的纳米晶，将其分散于溶剂制成纳米晶胶体墨水，进行墨水涂覆制膜，然后热处理制备光吸收层。显然，这种工艺开发了一条新的、可行的技术途径去应用非真空溶液工艺制备光吸收层，可能引起电池制造成本的降低。适于胶体墨水技术应用的纳米晶制备是一种基本技术需求，为此，开发一种成本低廉、工艺简便的绿色合成方法制备CIASe纳米晶材料以及推广其应用有着重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有技术的耗时、耗能、成本高、操作复杂、不利于大规模生产、化学组分不易控制等缺点，首次采用多元醇基溶液化学合成法，以三乙烯四胺为反应辅助剂，提供一种工艺安全、利于产物纯度与化学计量控制、绿色无毒、成本低的制备CIASe纳米晶的方法。本发明以低碳链多元醇溶剂作为反应介质，其性质稳定，沸点较高，三乙烯四胺为反应辅助剂，在热注入法中可实现合成工艺简单，操作方便，合成产物物相稳定单一。

本发明的一种三乙烯四胺辅助多元醇基溶液合成铜铟铝硒纳米晶的方法，具有如下步骤：

（1）配制前驱体溶液

称取0.25mmol二水合氯化铜即0.0426g二水合氯化铜，及四水合氯化铟和六水合氯化铝，溶解于10ml三乙二醇中，其中Cu/(In+Al)摩尔比为1，In/Al摩尔比为7～10:0～3，90℃搅拌30min溶解，得到稳定的阳离子前驱体溶液；

在三口圆底烧瓶中加入40ml三乙二醇，添加0.5mmol硒粉即0.0395g硒粉，再添加0.1g聚乙烯吡咯烷酮简称PVP，通入氮气，磁力搅拌5min，得到阴离子源反应基液；

（2）回流反应合成CIASe纳米晶

将三口瓶置于热式反应回流装置中，向三口瓶内通入氮气，缓慢加热阴离子源反应基液，至250～270℃时快速注入三乙烯四胺简称TETA，TETA添加量为2ml～3ml，随后注入阳离子前驱体溶液，触发反应进行；继续加热使回流温度保持在注入温度下反应回流20min，即得到含有CIASe纳米晶的合成反应溶液；将此溶液进行高速离心分离出纳米晶，再用4-6倍体积的乙醇溶剂稀释、超声清洗、离心提取，如此反复4～6个循环完成纯化，得到CIASe纳米晶。