[发明专利]一种光电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，具体涉及一种铜锌锡硫或铜锌锡硒光电材料的制备方法。

背景技术

随着化石燃料的枯竭及其使用过程中所造成的环境污染问题日益严重，新型能源装置的研究和应用成为解决这些问题的重要途径，其中太阳能电池是备受关注的研究对象。随着太阳能电池商业化的发展，如何提高光电转化效率、降低电池成本是目前光伏发电的研究重点。

在众多的太阳能电池材料中，铜铟镓硒(CIGS)由于具有高的光电转化效率(大于20%)和良好的稳定性(Applied Physics Letters 2009, 95, 052106)，而受到各国的重视。但铟、镓元素的稀少导致价格昂贵，大大限制了其广泛应用。铜锌锡硫(CZTS)和铜锌锡硒(CZTSe)太阳能电池是近年来迅速发展的一种太阳能电池(Adv. Energy Mater. 2013, 3, 34–38)。该类半导体材料的禁带宽度(1.0-1.5eV)与太阳光谱很匹配，且具有较大的光吸收系数(大于10^-4cm^-1)，所含铜、锌、锡等元素在地球中的储量非常丰富。同时，它不含有毒成分，环境友好，不会造成环境污染，已经成为替代铜铟镓硒吸光层的最佳候选材料。这种电池的理论效率高达32.2%，目前电池效率已经超过12%，因此非常有应用潜力。

目前，制备铜锌锡硫和铜锌锡硒光电材料的物理方法包括磁控溅射、热蒸发、原子束溅射等。公开号为CN101452969A的中国发明专利公开了一种使用磁控溅射或热蒸发来制备铜锌锡硫半导体薄膜的方法。然而，对高真空环境的要求和昂贵的沉积设备大大增加了电池的制作成本，沉积在腔体的物质也造成了原料的浪费。同时，在制备大面积薄膜材料时也很难保证薄膜厚度和化学组分的均一性，导致器件性能下降。

化学溶液方法可以克服物理方法的缺点。美国IBM公司的研究小组通过肼为溶剂，将硫化铜、硒化锡、硒化锌等混合溶解先制备肼基浆料，再制备铜锌锡硫硒太阳能电池，效率超过10% (Energy Environ. Sci., 2012, 5, 7060–7065)。但制备所需的肼为剧毒物质，反应活性高且具有潜在爆炸性。因此很难大规模应用。公开号为CN101659394A的中国发明专利公开了一种以油胺为溶剂，溶解各种金属盐，得到铜锌锡硫纳米颗粒的方法，但是步骤繁琐，耗工耗时，产率低。公开号为CN102585588A的中国发明专利申请公开了一种采用薄膜分散原位沉积技术合成铜锌锡的硫化物作为铜锌锡硫的前驱体；进一步烧结得到铜锌锡硫块体；再进行球磨分散得到分散性好、稳定性高的铜锌锡硫墨水。该方法步骤复杂，耗工耗时，并且使用的有机溶剂会造成环境污染。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种光电材料的制备方法，用于制备铜锌锡硫或铜锌锡硒，以简化操作、提高产率，并实现绿色反应。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种光电材料的制备方法，包括下列步骤：

1) 将铜盐、锌盐、锡盐按照1∶(0.3～1)∶(0.3～2)的摩尔比均匀溶解于离子液体中，25～100℃下搅拌0.5～5小时，配置成卤素金属酸盐离子液体前驱体溶液；

2) 将步骤1)制得的前驱体溶液置于坩埚或基底上，放入反应容器中，在保护气体下，300～600℃下，热处理0.5～3小时，得中间产物；

3) 将步骤2)制得的中间产物在硫气氛或硒气氛的反应容器中，300～600℃下反应0.5～10小时，洗涤干燥后即得铜锌锡硫或铜锌锡硒光电材料的粉体或薄膜。

上述技术方案中，所述硫气氛可以用硫粉或硫化氢形成；所述硒气氛可以用硒粉或硒化氢形成。

优选的技术方案，步骤1)中，铜盐、锌盐、锡盐的摩尔比为1∶(0.5～0.8)∶(0.5～1.5)，反应温度为60～100℃。

优选的技术方案，步骤2)中，反应温度为350～450℃，反应时间为0.5～1小时；步骤3)中，反应温度为350～450℃，反应时间为0.5～2小时。

上述技术方案中，所述铜盐为氯化铜、溴化铜、碘化铜中的一种；所述锌盐为氯化锌、溴化锌、碘化锌中的一种；所述锡盐为氯化亚锡、氯化锡中的一种。