[发明专利]黄锡矿结构Cu2FeSnS4粉末材料及其液相制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳光伏电池用原材料制备方法领域，涉及一种黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄粉末材料及其液相制备方法，该黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄粉末材料应用于CFTS薄膜太阳能电池吸收层。

背景技术

面对着能源问题和与日俱增的化石燃料燃烧所造成的环境污染问题，太阳能电池的开发已成为解决能源和环境问题的重要途径。随着光伏组件的广泛使用，提高电池光电转换效率、降低成本是目前光伏发电的主要问题。

在众多的太阳能电池中，CuIn_1-xGa_xSe(CIGS)和CdTe薄膜太阳电池由于具有高效率、性能稳定等优点，受到广泛关注，并且在薄膜电池商品化进程中处于领先地位。但是，由于In、Ga、Te为稀有元素，Se、Cd有毒，其商业化产量受到了限制。铜铁锡硫(Cu₂FeSnS₄，英文缩写为CFTS)具有黄锡矿结构，是近年来发展起来的一种太阳电池吸收层材料。其禁带宽度与半导体太阳电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近，并且具有较大的吸收系数(可达10⁴cm^-1)，铜铁锡硫中的元素铜、铁、锡、硫地球储量均非常丰富。另外，它不会对环境造成任何污染，不含有毒成分，已成为替代铜铟镓硒太阳电池吸收层的最佳候选材料之一。

对于制造Cu₂FeSnS₄太阳能电池，首先也是关键的一步是合成高质量的Cu₂FeSnS₄，然而到目前为止，Cu₂FeSnS₄制备方面的报道还很少。因此，提出一种可以大量制备，成本低廉，环境友好的Cu₂FeSnS₄的制备方法，对于本领域具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种新的黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄粉末的液相制备方法，该黄锡矿结构铜铁锡硫粉末材料的液相制备方法绿色无污染，反应时间短，所需温度低，操作简便，成本低廉，适合Cu₂FeSnS₄粉末的大规模生产。

为了解决上述技术问题，发明是通过以下技术方案实现的。

一种黄锡矿结构Cu₂FeSnS₄粉末的液相制备方法，以有机混合溶剂或有机单一溶剂为载体，在常压下用液相回流法合成Cu₂FeSnS₄粉末。

包括以下步骤：

1)将原料CuCl₂·2H₂O、FeCl₃·6H₂O、SnCl₄·5H₂O、硫脲按摩尔比称取后放入圆底三口烧瓶中混合，然后加入混合有机溶剂或单一有机溶剂；

2)将上述圆底三口烧瓶通入氮气做保护气，置于恒温油浴中加热至200-250℃，并保持0.5-12小时，随后自然冷却至室温；

3)最后收集冷却后的产品，使用无水乙醇和蒸馏水依次洗涤，然后过滤，干燥，得到黑色粉末。

所述的步骤1)中加入的有机混合溶剂优选为乙二醇-三乙烯四胺，其中乙二醇与三乙烯四胺的体积比为0.5-1：1，有机单一溶剂优选为三乙烯四胺。

当步骤1)中称取2-10mmolCuCl₂·2H₂O，1-5mmolFeCl₃·6H₂O，1-5mmolSnCl₄·5H₂O，4-20mmol硫脲时，有机混合溶剂或有机单一溶剂的用量为20-80ml。

步骤1)中CuCl₂·2H₂O、FeCl₃·6H2O、SnCl₄·5H₂O、硫脲的摩尔比优选为2：(1-1.5)：(1-1.5)：(4-5)。

步骤3)中，最后收集冷却后的产品，依次使用无水乙醇和蒸馏水各洗涤5-7次，然后过滤，置于干燥箱中以40-80℃干燥2-10h，得到黑色粉末。