阳离子交换法合成Cu2ZnSnS4及其在光电转换方面的应用

• 作 者: 王一休
• 机 构: 中国科学技术大学
• 出 处: 中国科学技术大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: Cu2ZnSnS4材料 阳离子交换法 太阳能电池 光电转换

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭的广泛应用。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速接近枯竭。基于此，很多科学家主张减少对化石燃料的依赖，增加对能源替代问题方面的研究。目前主要的替代能源有:太阳能、热能、风能和生物能等多种新能源，而太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源。因此，科学界投入了大量的精力研究光电能量转换的材料。近年来涌现的半导体的多元硫化物如铜铟镓硒(CIGS)具有较高的转换效率，但是，制备铜铟镓硒太阳能电池依赖于地球稀缺元素镓和铟，所以制备的薄膜吸收层性价比低，难以得到广泛应用。然而，四元化合物Cu2ZnSnS4将有希望成为CuIn1-xGaxSe2薄膜材料的替代品，因为Cu2ZnSnS4具有原材料丰富、无毒、带隙在1.5ev（和太阳光谱较匹配）、吸收系数较高等特点。最近对Cu2ZnSnS4的物相，成分，合成等方面的报道也层出不穷。其中，湿化学合成法具有反应物和反应过程可控的特点，为我们合成高纯度、成分均匀、物相可控且分散性好的Cu2ZnSnS4纳米晶提供了很好的契机。同时，合成的胶体纳米晶“墨水”印刷成膜法可以有效地降低制作器件的成本。　　据近年文献报道，Cu2ZnSnS4材料有两种典型结构:闪锌矿衍生和纤锌矿衍生。众所周知，化学形成能占纳米颗粒总能量的大部分。所以，纳米颗粒偏向于形成热力学稳定的物相。传统油相法合成的Cu2ZnSnS4多为四方晶系的闪锌矿物相。同时，通过合适的动力学控制能合成其亚稳相。我们利用阳离子交换法合成这两种不同的物相。合成过程中，我们分别用纯物相的三元化合物CuZnS作为模板，然后再引入锌元素与反应模板的阳离子发生交换反应，最终得到对应物相的四元化合物Cu2ZnSnS4。产物的结果和成分分别用XRD、TEM、HRTEM来表征。　　同时我们利用类似的合成方法也能合成出其他的四元化合物，并且反应产物的物相和成分都可控。最后，我们通过调节反应产物Cu2ZnSnS4的成分来改善太阳能电池器件的性能，得到在富锌贫铜的情况下，器件的转换效率能达到2.89％。