[发明专利]片状Cu2ZnSnS4薄膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种片状C₂ZnSnS₄薄膜的制备方法，该方法是将1‑4mmol二水合氯化亚锡、1.5‑8mmol硫代乙酰胺加入到200ml去离子水的瓶子中，调节溶液pH=0.2‑1.0，将洗干净FTO垂直紧靠杯壁放入溶液中，将溶液放入到恒温磁力搅拌器中，在80‑90℃反应0.5‑2小时，将FTO取出，得到SnS纳米片薄膜，洗净、烘干；之后将0.8‑1.2mmol五水合硫酸铜、0.025‑0.04mmol氯化锌、4‑6mmol硫脲和生长好的SnS和15ml去离子水放入到反应釜中，在180℃反应10‑12h，反应物冷却，洗净、烘干；通过氮气退火得到Cu₂ZnSnS₄片状薄膜。本发明制备方法绿色环保且操作简单，所用前躯体材料成本低廉，制备的薄膜呈片状颗粒，且分布均匀，有利于提高其光电特性。

技术领域

本发明涉及一种片状Cu₂ZnSnS₄薄膜的制备方法，还涉及到一种相关材料的形貌控制的方法。

背景技术

能源不仅是国家经济发展的命脉，也是人类社会发展的动力。随着现代化工业的飞速发展和人类生活水平的大幅提高，以石油、煤炭、天然气为主的不可再生的化石燃料将在本世纪耗尽。同时，消耗化石能源排放大量温室气体，对环境造成了很大的负担，威胁到人类的生存环境。由于环境保护和可持续发展观念愈益受到人们的重视，发展新能源代替即将耗尽的化石能源成为决定人类未来命运的重要课题。

在众多的新能源中，太阳能储量大，分布广，持久稳定，发电干净，不污染环境，是理想的清洁能源。太阳能作为一种无污染并且取之不尽的能源，每年向地球辐射的能量大约为 5.4×10²⁴J，是人类每年消耗总能量的几万倍，如何有效利用太阳能就成为解决能源危机和环境污染的焦点。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的主要途径，其转换方法有很多，有光热电间接转换和光电直接转换，前者主要有太阳能热水器等，后者主要指太阳能电池。

时至今日，太阳能电池的发展经历了三个阶段并分为三大类：第一代太阳能电池、第二代太阳能点才吃和第三代太阳能电池。第一代太阳能电池主要以硅片为基础，其技术已经发展成熟，稳定性好，转换效率可达23％；第二代非晶硅太阳能电池主要基于薄膜技术，虽然转换效率略低于第一代晶体硅太阳能电池，但是由于其生产工艺简单而为大大降低生产成本，曾经一度被认为是替代晶体硅电池用于大规模民用发电的最佳材料，但是后来由于非晶硅电池的光致衰退现象而被放弃；第三代太阳能电池以薄膜化、转换效率高、原料丰富且无毒为目标，目前开发的薄膜太阳能电池的材料主要有非晶硅、微晶硅、化合物半导体II-IV族硫化镉CdS、碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CuInSe₂)、铜基硫族四元化合物半导体铜铟硒化物(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)及铜锡硫(CTS)等。其中硅基薄膜太阳能电池由于研究已久，效率不高且已接近理论效率值，因此研究空间不大。硫化镉CdS、碲化镉(CdTe)、铜铟硒(CuInSe₂)由于具有毒性或者含有稀有金属而限制了这类材料的大规模开发和利用。铜基硫族四元化合物半导体太阳能电池是目前最受热捧的研究领域。其中Cu₂ZnSnS₄作为原材料储量丰富，拥有与太阳光谱相匹配的直接带隙(1.5eV)，同时还具有相对较大的吸收系数(可见光区的吸收系数不小于10⁴cm^-1)，与其性质相Cu₂ZnSnS(Se)₄作为吸收层的太阳能电池转换效率已经达到11.1％，而其理论效率高达32％，它是极具潜力的新型薄膜光伏电池吸收层材料。本发明采用水浴和水热法相结合的方法在FTO导电玻璃衬底上制备Cu₂ZnSnS₄片状薄膜，不需要昂贵的真空设备，也不需要较高的反应温度即可得到化学计量比可控的Cu₂ZnSnS₄，原材料的利用率非常高，这对于研发大面积Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳电池降低其制备成本提供了一条崭新的思路。

发明内容