CN101077525A - 表面活性剂辅助的高能球磨法制备纳米铜铟硒太阳能电池材料 - Google Patents

表面活性剂辅助的高能球磨法制备纳米铜铟硒太阳能电池材料 Download PDF

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郭国聪
陈文通
刘雪辉
黄锦顺
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Abstract

表面活性剂辅助的高能球磨法制备纳米铜铟硒太阳能电池材料，涉及一种制备纳米铜铟硒(CIS)太阳能电池材料的新方法。采用将铜、铟和硒三种单质为原料，采用高能球磨法制备，包括微米级CIS纯相的制备和纳米级CIS材料的制备两个过程，在纳米级CIS材料的制备过程中加入吡啶类表面活性剂。得到结构稳定，组份单一，颗粒均匀的纳米铜铟硒(CIS)太阳能电池材料。

Description

表面活性剂辅助的高能球磨法制备纳米铜铟硒太阳能电池材料
技术领域：
本发明涉及一种制备纳米铜铟硒(CIS)太阳能电池材料的新方法。
背景技术：
铜铟硒(CIS)材料是极具潜力的太阳能电池新材料之一，特别是材料达到纳米尺寸以后传统的能带会变成离散的、类分子能态，材料的带隙增加，激子的传导路径分离，这些性质都有助于提高材料的光电转化效率。现在文献中报道CIS材料的制法有很多，如溶剂热、热注射(TOPO)法、高温热解前驱体法、后硒化法、溅射、蒸镀、叠层法(SEL)、分子束外延、化学沉积、电沉积法以及传统的固相、液相合成法，但其中CIS纳米材料的制备方法相对较少，所以在本专利中我们将介绍的一种CIS纳米材料制备的新方法——表面活性剂辅助的高能球磨法。“高能球磨法”制备CIS材料在文献中也有报道，但是该研究结果只能获得尺寸在微米级、形状无规则的CIS材料，无法得到颗粒均匀，形状规则的纳米级CIS材料。表面活性剂在改善纳米微粒表面性能、控制纳米微粒大小、形状方面有着广泛的应用，吡啶作为一种传统的表面活性剂，常用于溶剂热制备纳米材料，钱一泰等曾用氯化铜、氯化铟、硒粉、吡啶，在反应釜中成功合成了纳米铜铟硒材料。现在我们将其引入到高能球磨中，结合表面活性剂和高能球磨两者的优点，使那些无法用直接球磨得到纳米级的材料，成功纳米化。
发明内容：
本发明的目的是提供一种新的纳米材料合成方法，即表面活性剂辅助的高能球磨法，并且采用这种方法能够得到结构稳定，组份单一，颗粒均匀的黄铜矿型纳米CIS材料。
本发明采用将铜、铟和硒三种单质为原料，采用高能球磨法制备，包括微米级CIS纯相的制备和纳米级CIS材料的制备两个过程，在纳米级CIS材料的制备过程中加入表面活性剂。
表面活性剂优选为吡啶类表面活性剂，比如吡啶；2，2联吡啶；4，4联吡啶等。
表面活性剂优选为吡啶。
这种工艺方法的优点是：设备及工艺简单，操作方便，成本低廉；原材料简单，对环境污染小；通过改变加入的Cu/In比例，可以有效控制材料的导电类型，而且通过改变工艺条件和表面活性剂的种类可有效控制纳米颗粒的形貌和大小。
具体实施方式：
1)微米级CIS材料的制备
制备纯相时，球磨机转速为300-600rpm，时间为0.5-15小时，最佳为600rpm，2小时。
将获得的不含有其它杂质的CIS纯相，通过X射线粉末衍射(XRD)分析可以看出，2θ在26.7°、44.2°、52.4°时有很强的衍射峰，与CIS单晶结构的XRD模拟图比较，表明所得物相是黄铜矿型CIS。
用球磨的方法制备CIS物相与球磨机的转速有很大的关系。转速太低，无法在短时间内形成CIS纯相，转速太高，普通球磨机无法达到，对仪器要求较高。除转速以外，时间对物相的影响也较大。时间太短，主要形成的是CuxSe的二元物相；时间太长，铟在球磨过程中逐渐被氧化，CIS物相易被分解，最终出现CuSe2、In2O3等物相。
2)纳米CIS材料的制备
在纳米材料的制备过程中，球磨机转速为600rpm，时间为40小时。
在制备好的纯微米级CIS物相中加入吡啶作为表面活性剂，再进行球磨，通过控制球磨速度和时间可以获得组份单一、颗粒均匀的CIS纳米材料。通过电镜可以看出，在吡啶作表面活性剂的辅助作用下，随着球磨时间的增长，CIS的形貌由无规则的扁片层状，到片状与颗粒状混合，最后达到形状规则、大小均一的颗粒状，颗粒的直径大小为60-70nm。
在物相方面，通过X射线粉末衍射可以看出，球磨40小时时的物相峰与标准的CIS单晶XRD拟合图匹配较好，只是少许铟的氧化物的出现，促进了29.2°、32.7°、35.9°、56.2°等处峰的微弱增强，但并不影响总体CIS物相，说明表面活性剂可有效地对CIS物相起保护作用。
单纯的干磨无法使CIS物相达到纳米化，因为在玛瑙球的相互强力挤压下，材料很容易粘合，最终形成粗糙的多层片状结构。表面活性剂在球磨过程中不仅起到保证物相稳定，不易被氧化的作用，同时可以有效阻止材料之间的粘合以及纳米颗粒的团聚，从而起到稳定纳米颗粒的作用。
关于制备机理，我们认为当加入表面活性剂之后，CIS分散在其中，球磨时，玛瑙罐与球、球与球以及球与表面活性剂之间相互挤压摩擦，使CIS进一步细小化，形状规则化，产生的细小物质同时被表面活性剂所包裹，阻止团聚或粘合发生，这样的过程持续进行着，最终，使微米级的CIS转化为纳米级CIS材料。

Claims (4)

1.表面活性剂辅助的高能球磨法制备纳米铜铟硒太阳能电池材料，采用将铜、铟和硒三种单质为原料，采用高能球磨法制备，包括微米级CIS纯相的制备和纳米级CIS材料的制备两个过程，其特征在于：在纳米级CIS材料的制备过程中加入表面活性剂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的表面活性剂为吡啶类表面活性剂。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的吡啶类表面活性剂为吡啶或2，2联吡啶或4，4联吡啶。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的吡啶类表面活性剂为吡啶。
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