本發(fā)明屬于光伏材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法。
背景技術(shù)：
光伏材料又稱太陽電池材料，是指能將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的材料。只有半導(dǎo)體材料具有這種功能?？勺鎏栯姵夭牧系牟牧嫌袉尉Ч?、多晶硅、非晶硅、gaas、gaalas、inp、cds、cdte等。用于空間的有單晶硅、gaas、inp。用于地面已批量生產(chǎn)的有單晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚處于開發(fā)階段。目前致力于降低材料成本和提高轉(zhuǎn)換效率，使太陽電池的電力價格與火力發(fā)電的電力價格競爭，從而為更廣泛更大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。然而，該類材料仍然需要提高光電轉(zhuǎn)化效率，其中，摻雜是目前研究的重點方向。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，本發(fā)明制備的摻雜cdte納米光伏材料采用溶液摻雜的方式穩(wěn)定的將氯離子與鎘離子摻雜至薄膜內(nèi)，摻雜效果均勻，性能穩(wěn)定。
本發(fā)明的技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，其步驟如下：
步驟1，將碲粉放入無水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超聲攪拌形成分散均勻的懸濁醇液；
步驟2，將氯化鎘加入水中，攪拌溶解后緩慢滴加懸濁醇液，直至完全攪拌均勻，減壓蒸餾至乙醇完全排除，得到懸濁水溶液；
步驟3，將懸濁水溶液放入反應(yīng)釜中，然后通入氨氣進(jìn)行循環(huán)曝氣反應(yīng)2-5h，自然冷卻，得到配位懸濁液；
步驟4，將配位懸濁液進(jìn)行氯氣曝氣反應(yīng)3-5h，然后恒壓回流反應(yīng)5-8h，冷卻過濾后得到沉淀物；
步驟5，將沉淀物放入氯化鎘甲醇液中，攪拌均勻后噴灑至基材表面，然后進(jìn)行退火處理3h，冷卻后得到摻雜cdte納米光伏材料。
所述步驟1中的碲粉濃度為20-30mg/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是碲粉摩爾量的5-8%，所述超聲攪拌的頻率為5-10khz，所述超聲攪拌時間為10-30min；該步驟將碲粉溶解至無水乙醇中，并輔以聚乙烯吡咯烷酮作為分散劑，將碲粉均勻分布至溶液中，形成穩(wěn)定的懸濁醇液。
所述步驟2中的氯化鎘加入量是碲粉摩爾量的1.1-1.2倍，所述水的加入量是無水乙醇的0.3-0.5，所述緩慢滴加的速度是4-8ml/min；該步驟采用緩慢滴加的方式將碲粉醇液加入至無水乙醇中，利用乙醇與水的互溶性，保證聚乙烯吡咯烷酮包裹的碲粉分散至水中，形成穩(wěn)定的水相懸濁溶液。
所述步驟2中的減壓蒸餾的溫度為80-90℃，所述減壓蒸餾的壓力為大氣壓的50-60%，所述減壓蒸餾時間為2-3h，所述減壓蒸餾的體積是原體積的40-50%，該步驟在減壓蒸餾的條件下，將無水乙醇完全蒸發(fā)，轉(zhuǎn)化為水溶液，同時保證了碲粉的分散效果。
所述步驟3中的氨氣加入量是碲粉摩爾的1.5-1.7倍，所述曝氣流速為10-15ml/min，所述曝氣反應(yīng)溫度為60-70℃；該步驟將鎘離子與銨離子形成配位反應(yīng)，起到固定鎘離子的作用。
所述步驟4中的氯氣的通入量是碲粉的1.8-2.2倍，所述氯氣曝氣反應(yīng)的溫度為60-100℃，所述曝氣流速為5-8ml/min，所述恒壓回流反應(yīng)的壓力為大氣壓，所述溫度為100-110℃，所述回流采用水冷卻；該步驟通過氯氣循環(huán)曝氣反應(yīng)的方式將碲粉反應(yīng)，形成穩(wěn)定的離子狀態(tài)，并在配位的鎘離子反應(yīng)形成碲化鎘，并在水中形成沉淀，該步驟中采用恒壓回流的方式能夠?qū)⒙然瘹涞纫讚]發(fā)雜質(zhì)去除，得到較為穩(wěn)定的碲化鎘，并在聚乙烯吡咯烷酮的作用形成良好的分散效果；該步驟中采用較多的氯氣作為還原劑，并以曝氣作為反應(yīng)方式，大大提高了碲粉的反應(yīng)速度與反應(yīng)深度，確保碲粉的完全反應(yīng)。
所述氯氣曝氣反應(yīng)采用梯度反應(yīng)，即60-65℃持續(xù)反應(yīng)0.5-1h，80-90℃反應(yīng)0.5h，100℃反應(yīng)至結(jié)束，采用梯度反應(yīng)的方式能夠?qū)㈨诜鄯磻?yīng)過程進(jìn)行細(xì)致化，通過60-65℃條件下的曝氣反應(yīng)將碲粉轉(zhuǎn)化為碲離子，在80-90℃條件下，曝氣反應(yīng)促進(jìn)內(nèi)部溶液的混合效果，大大提高了碲化鎘的反應(yīng)產(chǎn)生，最后的100℃條件下對碲化鎘產(chǎn)物形成曝氣分散，起到良好的分散效果，同時促使聚乙烯吡咯烷酮的分散效果有效的作用至顆粒表面。
所述步驟5中氯化鎘甲醇溶液的濃度為10-15mg/l，所述攪拌速度為1500-2000r/min，該步驟以氯化鎘甲醛溶液作為摻雜溶液，形成有效的分散至沉淀表面，形成較為穩(wěn)定的懸濁狀態(tài)。
所述步驟5中的噴灑量為2-4mg/cm2，所述退火溫度為400-450℃，所述退火反應(yīng)采用氮氣保護(hù)退火反應(yīng)，所述退火反應(yīng)采用梯度退火法，即在200-250℃條件下反應(yīng)1-2h，然后持續(xù)在350℃反應(yīng)，直至反應(yīng)結(jié)束前在400-450℃條件下反應(yīng)0.5h。該步驟以噴灑作為涂覆方式能夠有效的把溶液中的金屬離子及摻雜離子留在基材表面，在梯度退火條件下，先將聚乙烯吡咯烷酮等雜質(zhì)完全氧化，然后在氮氣條件下的高溫退火下，將氯離子和鎘離子摻雜至碲化鎘內(nèi)，形成穩(wěn)定的摻雜效果，有效的提高了其光電轉(zhuǎn)化效率。
本發(fā)明以碲粉作為原料配制懸濁醇液，并與氯化鎘的水溶液滴加混合，減壓蒸餾后形成懸濁水溶液；然后對懸濁水溶液進(jìn)行氨氣抱起反應(yīng)和曝氣反應(yīng)，在恒壓回流反應(yīng)條件下得到碲化鎘沉淀，最后將碲化鎘分散至氯化鎘甲醇液中，噴灑在基材上進(jìn)行退火反應(yīng)后得到摻雜cdte納米光伏材料。
綜上所述，本發(fā)明具有如下有益效果：
本發(fā)明制備方法簡單可行，實踐性和通用性強。本發(fā)明制備的摻雜cdte納米光伏材料采用溶液摻雜的方式穩(wěn)定的將氯離子與鎘離子摻雜至薄膜內(nèi)，摻雜效果均勻，性能穩(wěn)定。本發(fā)明制備的光伏材料有效的提高了光電傳導(dǎo)效率，有效的提高了內(nèi)部的傳導(dǎo)速率。本發(fā)明提供的制備方法簡單快速，同時其光電轉(zhuǎn)化率能夠達(dá)到商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。
具體實施方式
實施例1
一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，其步驟如下：
步驟1，將碲粉放入無水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超聲攪拌形成分散均勻的懸濁醇液；
步驟2，將氯化鎘加入水中，攪拌溶解后緩慢滴加懸濁醇液，直至完全攪拌均勻，減壓蒸餾至乙醇完全排除，得到懸濁水溶液；
步驟3，將懸濁水溶液放入反應(yīng)釜中，然后通入氨氣進(jìn)行循環(huán)曝氣反應(yīng)2h，自然冷卻，得到配位懸濁液；
步驟4，將配位懸濁液進(jìn)行氯氣曝氣反應(yīng)3h，然后恒壓回流反應(yīng)5h，冷卻過濾后得到沉淀物；
步驟5，將沉淀物放入氯化鎘甲醇液中，攪拌均勻后噴灑至基材表面，然后進(jìn)行退火處理3h，冷卻后得到摻雜cdte納米光伏材料。
所述步驟1中的碲粉濃度為20mg/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是碲粉摩爾量的5%，所述超聲攪拌的頻率為5khz，所述超聲攪拌時間為10min。
所述步驟2中的氯化鎘加入量是碲粉摩爾量的1.1倍，所述水的加入量是無水乙醇的0.3，所述緩慢滴加的速度是4ml/min。
所述步驟2中的減壓蒸餾的溫度為80℃，所述減壓蒸餾的壓力為大氣壓的50%，所述減壓蒸餾時間為2h，所述減壓蒸餾的體積是原體積的40%。
所述步驟3中的氨氣加入量是碲粉摩爾的1.5倍，所述曝氣流速為10ml/min，所述曝氣反應(yīng)溫度為60℃。
所述步驟4中的氯氣的通入量是碲粉的1.8倍，所述氯氣曝氣反應(yīng)的溫度為60℃，所述曝氣流速為5ml/min，所述恒壓回流反應(yīng)的壓力為大氣壓，所述溫度為100℃，所述回流采用水冷卻。
所述步驟5中氯化鎘甲醇溶液的濃度為10mg/l，所述攪拌速度為1500r/min。
所述步驟5中的噴灑量為2mg/cm2，所述退火溫度為400℃，所述退火反應(yīng)采用氮氣保護(hù)退火反應(yīng)，所述退火反應(yīng)采用梯度退火法，即在200℃條件下反應(yīng)1h，然后持續(xù)在350℃反應(yīng)，直至反應(yīng)結(jié)束前在400℃條件下反應(yīng)0.5h。
選擇一塊fto玻璃，將其清洗干凈并進(jìn)一步干燥，其后向該fto玻璃上使用絲網(wǎng)印刷法印刷一層tio2薄膜層，于500℃下加熱25min后得到負(fù)載于fto玻璃上的致密層，該致密層厚度為50nm，其后將由實施例1制得的光伏材料溶解旋涂于致密層上，并于80℃下加熱10分鐘使該光伏材料形成30nm的涂層貼于致密層上形成吸光層，再將對電極漿料通過絲網(wǎng)印刷法印制于該吸光層上，流平后置于80℃烘箱中干燥10min即得到太陽能電池，
進(jìn)行電池性能測試，實驗過程中采用在100mw/cm2太陽能模擬器(newport)am1.5g光照下進(jìn)行，測得光電轉(zhuǎn)化率為20.11%。在溫度20攝氏度、濕度為45%的環(huán)境中保持20天后，測試其轉(zhuǎn)化效率為18.8%。
實施例2
一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，其步驟如下：
步驟1，將碲粉放入無水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超聲攪拌形成分散均勻的懸濁醇液；
步驟2，將氯化鎘加入水中，攪拌溶解后緩慢滴加懸濁醇液，直至完全攪拌均勻，減壓蒸餾至乙醇完全排除，得到懸濁水溶液；
步驟3，將懸濁水溶液放入反應(yīng)釜中，然后通入氨氣進(jìn)行循環(huán)曝氣反應(yīng)5h，自然冷卻，得到配位懸濁液；
步驟4，將配位懸濁液進(jìn)行氯氣曝氣反應(yīng)5h，然后恒壓回流反應(yīng)8h，冷卻過濾后得到沉淀物；
步驟5，將沉淀物放入氯化鎘甲醇液中，攪拌均勻后噴灑至基材表面，然后進(jìn)行退火處理3h，冷卻后得到摻雜cdte納米光伏材料。
所述步驟1中的碲粉濃度為30mg/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是碲粉摩爾量的8%，所述超聲攪拌的頻率為10khz，所述超聲攪拌時間為30min。
所述步驟2中的氯化鎘加入量是碲粉摩爾量的1.2倍，所述水的加入量是無水乙醇的0.5，所述緩慢滴加的速度是8ml/min。
所述步驟2中的減壓蒸餾的溫度為90℃，所述減壓蒸餾的壓力為大氣壓的60%，所述減壓蒸餾時間為3h，所述減壓蒸餾的體積是原體積的50%。
所述步驟3中的氨氣加入量是碲粉摩爾的1.7倍，所述曝氣流速為15ml/min，所述曝氣反應(yīng)溫度為70℃。
所述步驟4中的氯氣的通入量是碲粉的2.2倍，所述氯氣曝氣反應(yīng)的溫度為100℃，所述曝氣流速為8ml/min，所述恒壓回流反應(yīng)的壓力為大氣壓，所述溫度為110℃，所述回流采用水冷卻。
所述步驟5中氯化鎘甲醇溶液的濃度為15mg/l，所述攪拌速度為2000r/min。
所述步驟5中的噴灑量為4mg/cm2，所述退火溫度為450℃，所述退火反應(yīng)采用氮氣保護(hù)退火反應(yīng)，所述退火反應(yīng)采用梯度退火法，即在250℃條件下反應(yīng)2h，然后持續(xù)在350℃反應(yīng)，直至反應(yīng)結(jié)束前在450℃條件下反應(yīng)0.5h。
選擇一塊fto玻璃，將其清洗干凈并進(jìn)一步干燥，其后向該fto玻璃上使用絲網(wǎng)印刷法印刷一層tio2薄膜層，于500℃下加熱25min后得到負(fù)載于fto玻璃上的致密層，該致密層厚度為50nm，其后將由實施例2制得的光伏材料旋涂于致密層上，并于80℃下加熱10分鐘使該光伏材料形成30nm的涂層貼于致密層上形成吸光層，再將對電極漿料通過絲網(wǎng)印刷法印制于該吸光層上，流平后置于80℃烘箱中干燥10min即得到太陽能電池，
進(jìn)行電池性能測試，實驗過程中采用在100mw/cm2太陽能模擬器(newport)am1.5g光照下進(jìn)行，測得光電轉(zhuǎn)化率為19.72%。在溫度20攝氏度、濕度為45%的環(huán)境中保持20天后，測試其轉(zhuǎn)化效率為17.32%。
實施例3
一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，其步驟如下：
步驟1，將碲粉放入無水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超聲攪拌形成分散均勻的懸濁醇液；
步驟2，將氯化鎘加入水中，攪拌溶解后緩慢滴加懸濁醇液，直至完全攪拌均勻，減壓蒸餾至乙醇完全排除，得到懸濁水溶液；
步驟3，將懸濁水溶液放入反應(yīng)釜中，然后通入氨氣進(jìn)行循環(huán)曝氣反應(yīng)3h，自然冷卻，得到配位懸濁液；
步驟4，將配位懸濁液進(jìn)行氯氣曝氣反應(yīng)4h，然后恒壓回流反應(yīng)6h，冷卻過濾后得到沉淀物；
步驟5，將沉淀物放入氯化鎘甲醇液中，攪拌均勻后噴灑至基材表面，然后進(jìn)行退火處理3h，冷卻后得到摻雜cdte納米光伏材料。
所述步驟1中的碲粉濃度為25mg/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是碲粉摩爾量的6%，所述超聲攪拌的頻率為7khz，所述超聲攪拌時間為20min。
所述步驟2中的氯化鎘加入量是碲粉摩爾量的1.1倍，所述水的加入量是無水乙醇的0.4，所述緩慢滴加的速度是6ml/min。
所述步驟2中的減壓蒸餾的溫度為85℃，所述減壓蒸餾的壓力為大氣壓的55%，所述減壓蒸餾時間為2h，所述減壓蒸餾的體積是原體積的45%。
所述步驟3中的氨氣加入量是碲粉摩爾的1.6倍，所述曝氣流速為12ml/min，所述曝氣反應(yīng)溫度為65℃。
所述步驟4中的氯氣的通入量是碲粉的2.0倍，所述氯氣曝氣反應(yīng)的溫度為80℃，所述曝氣流速為6ml/min，所述恒壓回流反應(yīng)的壓力為大氣壓，所述溫度為105℃，所述回流采用水冷卻。
所述步驟5中氯化鎘甲醇溶液的濃度為13mg/l，所述攪拌速度為1800r/min。
所述步驟5中的噴灑量為3mg/cm2，所述退火溫度為430℃，所述退火反應(yīng)采用氮氣保護(hù)退火反應(yīng)，所述退火反應(yīng)采用梯度退火法，即在230℃條件下反應(yīng)2h，然后持續(xù)在350℃反應(yīng)，直至反應(yīng)結(jié)束前在430℃條件下反應(yīng)0.5h。
選擇一塊fto玻璃，將其清洗干凈并進(jìn)一步干燥，其后向該fto玻璃上使用絲網(wǎng)印刷法印刷一層tio2薄膜層，于500℃下加熱25min后得到負(fù)載于fto玻璃上的致密層，該致密層厚度為50nm，其后將由實施例3制得的光伏材料溶解旋涂于致密層上，并于80℃下加熱10分鐘使該光伏材料形成30nm的涂層貼于致密層上形成吸光層，再將對電極漿料通過絲網(wǎng)印刷法印制于該吸光層上，流平后置于80℃烘箱中干燥10min即得到太陽能電池，
進(jìn)行電池性能測試，實驗過程中采用在100mw/cm2太陽能模擬器(newport)am1.5g光照下進(jìn)行，測得光電轉(zhuǎn)化率為20.41%。在溫度20攝氏度、濕度為45%的環(huán)境中保持20天后，測試其轉(zhuǎn)化效率為19.12%。
實施例4
一種摻雜cdte納米光伏材料的制備方法，其步驟如下：
步驟1，將碲粉放入無水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超聲攪拌形成分散均勻的懸濁醇液；
步驟2，將氯化鎘加入水中，攪拌溶解后緩慢滴加懸濁醇液，直至完全攪拌均勻，減壓蒸餾至乙醇完全排除，得到懸濁水溶液；
步驟3，將懸濁水溶液放入反應(yīng)釜中，然后通入氨氣進(jìn)行循環(huán)曝氣反應(yīng)4h，自然冷卻，得到配位懸濁液；
步驟4，將配位懸濁液進(jìn)行氯氣曝氣反應(yīng)4h，然后恒壓回流反應(yīng)7h，冷卻過濾后得到沉淀物；
步驟5，將沉淀物放入氯化鎘甲醇液中，攪拌均勻后噴灑至基材表面，然后進(jìn)行退火處理3h，冷卻后得到摻雜cdte納米光伏材料。
所述步驟1中的碲粉濃度為28mg/l，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量是碲粉摩爾量的7%，所述超聲攪拌的頻率為8khz，所述超聲攪拌時間為25min。
所述步驟2中的氯化鎘加入量是碲粉摩爾量的1.2倍，所述水的加入量是無水乙醇的0.4，所述緩慢滴加的速度是7ml/min。
所述步驟2中的減壓蒸餾的溫度為86℃，所述減壓蒸餾的壓力為大氣壓的57%，所述減壓蒸餾時間為3h，所述減壓蒸餾的體積是原體積的45%。
所述步驟3中的氨氣加入量是碲粉摩爾的1.6倍，所述曝氣流速為14ml/min，所述曝氣反應(yīng)溫度為65℃。
所述步驟4中的氯氣的通入量是碲粉的2.1倍，所述曝氣流速為7ml/min，所述恒壓回流反應(yīng)的壓力為大氣壓，所述溫度為108℃，所述回流采用水冷卻。
所述氯氣曝氣反應(yīng)采用梯度反應(yīng)，即63℃持續(xù)反應(yīng)0.7h，85℃反應(yīng)0.5h，100℃反應(yīng)至結(jié)束。
所述步驟5中氯化鎘甲醇溶液的濃度為14mg/l，所述攪拌速度為1700r/min。
所述步驟5中的噴灑量為3mg/cm2，所述退火溫度為440℃，所述退火反應(yīng)采用氮氣保護(hù)退火反應(yīng)，所述退火反應(yīng)采用梯度退火法，即在220℃條件下反應(yīng)2h，然后持續(xù)在350℃反應(yīng)，直至反應(yīng)結(jié)束前在440℃條件下反應(yīng)0.5h。
選擇一塊fto玻璃，將其清洗干凈并進(jìn)一步干燥，其后向該fto玻璃上使用絲網(wǎng)印刷法印刷一層tio2薄膜層，于500℃下加熱25min后得到負(fù)載于fto玻璃上的致密層，該致密層厚度為50nm，其后將由實施例4制得的光伏材料溶解旋涂于致密層上，并于80℃下加熱10分鐘使該光伏材料形成30nm的涂層貼于致密層上形成吸光層，再將對電極漿料通過絲網(wǎng)印刷法印制于該吸光層上，流平后置于80℃烘箱中干燥10min即得到太陽能電池，
進(jìn)行電池性能測試，實驗過程中采用在100mw/cm2太陽能模擬器(newport)am1.5g光照下進(jìn)行，測得光電轉(zhuǎn)化率為22.37%。在溫度20攝氏度、濕度為45%的環(huán)境中保持20天后，測試其轉(zhuǎn)化效率為20.07%。
以上所述僅為本發(fā)明的一實施例，并不限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。