[发明专利]一种基于水性纳米墨水制备铜锌锡硫薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种基于水性纳米墨水制备铜锌锡硫薄膜的方法，其包括如下步骤：(1)衬底的清洗；(2)前驱体溶液的制备；(3)Cu₂ZnSnS₄纳米墨水的制备；(4)Cu2ZnSnS4预制薄膜的制备，在惰性气氛下烘干并退火处理，制备结晶性较好的Cu₂ZnSnS₄薄膜。本发明所提供的微波法一步制备水性Cu₂ZnSnS₄纳米墨水具有低成本，环保，工艺简单且稳定性好的优点，并可以解决制备纳米颗粒后再制备纳米墨水易团聚的问题。本发明通过涂覆法将纳米墨水制备成薄膜，无需在硫化气氛退火，只需在惰性气氛退火处理即可得到高质量的Cu₂ZnSnS₄薄膜。

技术领域

本发明涉及涉及光电功能材料领域，具体地说，涉及一种基于水性纳米墨水制备铜锌锡硫薄膜的方法。

背景技术

随着时代的进步，经济社会的高速发展，现代社会对于能源的需求越来越高。目前使用的传统化石能源造成了严重的环境污染且化石能源日益匮乏，这些因素迫使人们寻找可再生清洁能源。太阳能取之不尽用之不竭，是人类最理想的可替代能源。通过光伏发电技术将太阳能转换为电能，可以更好地位人类服务。

太阳太阳电池是光伏发电的核心部件，经过多年的发展，太阳电池的研究已取得了许多丰硕成果。然而，目前太阳电池依然面临造价成本高的问题。因此，寻找一种低成本且环保的太阳电池材料和其制备方法迫在眉睫。目前，太阳电池材料Cu(Ga,In)(S,Se)₂(CIGS)薄膜太阳电池受到广泛关注，其最高转化效率已经达到22.3％(PhotovoltaicSpecialista Conference,2016:1287-1291)。但是，由于其中掺杂的In和Ga为稀缺元素，价格高昂，且Se是有毒的，易造成污染等问题，极大限制了其应用。Cu₂ZnSnS₄(CZTS)作为CIGS的同类材料，其带隙约为1.48eV，十分接近理想太阳电池吸收层的带隙1.5eV，且具有高的吸收系数(10⁴cm^-1)。同时，Cu₂ZnSnS₄太阳电池理论效率可高达32.4％，并且Cu、Zn、Sn、S元素在地壳中含量都较高，无毒害。因此CZTS是一种非常理想的太阳电池材料。用一部分Cd取代Cu₂ZnSnS₄中的S的Cu₂(Zn,Cd)SnS₄(CZCTS)电池效率可达到9.24％(Advanced EnergyMaterials,2015,5)。综上所述，这种新型Cu₂ZnSnS₄(CZTS)太阳电池有广阔的应用前景和巨大的商业利用价值。

目前，墨水法制备Cu₂ZnSnS₄薄膜可以大大降低制备成本，解决磁控溅射法和热蒸发法的高成本问题。目前，采用常规的纳米墨水法制备薄膜，首先制备出Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒，然后将其配制成墨水的方法，再采用旋涂法将其制成薄膜，最后在硫化气氛下退火处理制备出Cu₂ZnSnS₄薄膜。但这种方法存在几个问题，首先制备出的水性纳米颗粒通过清洗后再分散容易团聚，在清洗过程中将纳米颗粒表面附着的表面活性剂去除从而无法达到良好分散的效果。因此，直接采用这种纳米墨水制备出的薄膜存在大量的裂纹。另外，需要硫化退火，在退火过程中易产生硫化氢气体，污染环境。而采用油性体系制备的纳米颗粒具有较好的分散性，但是所使用的溶剂大多不环保。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于水性纳米墨水制备铜锌锡硫薄膜的方法，该方法无需真空设备，降低生产成本，制备周期短，适合工业化大规模生产，制备Cu₂ZnSnS₄纳米墨水分散性好，工艺稳定性好，易操作，而且制备的Cu₂ZnSnS₄薄膜的均匀性和致密性大大提高。