[发明专利]一种铜锌锡硒纳米晶及其合成方法

说明书

本发明公开了一种铜锌锡硒纳米晶及其合成方法，以二氧化硒为硒源，以乙酰丙酮铜为铜源，乙酰丙酮锌水合物为锌源，以二氯乙酰丙酮锡为锡源，以油胺为配体和溶剂，将油胺和二氧化硒反应形成阴离子前驱体溶液，将乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌水合物、二氯乙酰丙酮锡与油胺反应，形成金属阳离子前驱体溶液，将阴离子前驱体溶液加入金属阳离子前驱体溶液反应，得到Cu₂ZnSnSe₄纳米晶。在特定的反应温度和反应时间下，本发明首次制得形貌为规则圆饼状的Cu₂ZnSnSe₄纳米晶，尺寸50～100nm，分散性良好。本发明方法与热注入法相比，工艺更为简单，并且成本低廉。

技术领域

本发明属于光伏材料领域，具体涉及一种铜锌锡硒(Cu₂ZnSnSe₄)纳米晶及其合成方法。

背景技术

随着社会经济的发展，能源危机与环境污染问题越来越严重，社会各界对能源的可持续性发展日益重视，尤其清洁的、可再生能源引起了各国政府的关注和青睐。太阳能作为一种新型能源，具有取之不尽、用之不竭、就地取材和环境友好等特点，太阳能电池是目前太阳能利用的重要途径之一，也是人们研究的热点之一。目前的太阳能电池的光电转换效率较低，与理论值相差较远，生产成本较高。因此，制备高效率、低成本的太阳能电池是解决能源问题迫在眉睫的任务。目前太阳能电池中，无机化合物薄膜太阳能电池具有成本较低、元素含量丰富等优点，因此无机化合物薄膜太阳能电池成为人们关注的焦点。无机化合物纳米材料的合成是制备无机化合物薄膜太阳能电池的首要任务。

铜锌锡硒(Cu₂ZnSnSe₄，简称CZTSe)具有锌黄锡矿和纤锌矿两种结构，属于四方晶系，是一种P型直接带隙半导体材料，其禁带宽度在0.8-1.6eV之间，光吸收系数＞10⁴cm^-1，组成元素Zn、Sn含量丰富，价格低廉。由于它具有近似最佳的禁带宽度、高的光吸收率、较强的抗辐射能力以及长期稳定性等特点，有利于大规模生产，符合理想的太阳能电池材料的特性。

目前，CZTSe纳米材料的制备主要有物理方法和化学方法。物理方法主要有磁控溅射法，共蒸发法，脉冲激光沉积等。使用物理方法制备的CZTSe成本较高，工艺复杂，仪器较难操作，很难控制组分和形貌，很难排除其它二元或者三元杂相而得到纯相CZTSe纳米材料。通常来说，化学方法相对物理方法而言可以有效地避免其它杂相的生成，有利于不同形貌和尺寸的纳米晶的控制合成，方法易操作。目前，运用到的化学方法主要有热注入法、溶剂热法等。

例如，Wei等人在题为“Hot-injection synthesis and characterization ofquaternary Cu₂ZnSnSe₄ nanocrystals”的论文(nanocrystals[J].Mater Lett,2010,64:1424-1426)中公开了一种热注入法制备CZTSe纳米晶的方法，将6mmol二氧化硒和15ml的油胺在氮气氛围下150℃混合反应1小时，3mmol Cu(OAc)₂、1.5mmol ZnCl₂、1.5mmol SnCl₂·2H₂O和15ml的油胺在氮气氛围下混合，加热到100℃时，迅速注入到硒溶液中，升温至240℃，剧烈搅拌下反应2小时，经后处理得到尺寸大约为17±2nm的颗粒状多晶CZTSe纳米晶(SEM如图1A所示)。