太陽能薄膜材料銅鋅錫硫粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]太陽能薄膜材料銅鋅錫硫粉體的制備方法，屬于太陽能光伏電池材料。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能光伏電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。一直以來，太陽能光伏器件是使用昂貴的硅(Si)作為吸光半導(dǎo)體材料進行制作，器件價格非常昂貴。為了讓太陽能光伏電池能被廣泛接受，就必須做到價格低廉，經(jīng)濟實用。所以世界各國都在開發(fā)新型太陽能電池，使用價格低廉的薄膜及吸光半導(dǎo)體材料，比如銅-銦-鎵-砸薄膜，簡稱為CIGS ;以及銅-鋅-錫-硫薄膜，簡稱為CZTS (Cu2ZnSnS4)。CIGS在薄膜太陽能電池中已開始進行大量生產(chǎn)，但是其中的銦和砸有毒性，而且是稀有資源，價格昂貴。造成CIGS在商業(yè)應(yīng)用推廣中障礙重重。目前最有前景的可替代物是由銅鋅錫硫元素構(gòu)成的四元化合物，它是用鋅元素和錫元素代替了銅銦鎵砸中的銦元素和鎵元素，它具有約1.5eV的直接能帶隙和大于104cm-l的吸光系數(shù)。并且，CZTS不包括任何稀有金屬元素，價格低廉，原料也十分容易獲得，制備工藝流程環(huán)保，應(yīng)用前景十分廣闊。CZTS薄膜太陽電池由背電極Mo，吸收層CZTS，緩沖層CdS，窗口層1-ZnO和ZAO以及頂電極組成。
[0003]目前，CZTS薄膜所需銅鋅錫硫粉體材料制備的主要方法有磁控濺射法、脈沖激光沉積法、沉積金屬前驅(qū)體再經(jīng)硫化和溶劑熱法。這些方法工藝復(fù)雜，各元素成分難以精確控制，而且制備工藝中往往需使用有毒的硫化氫氣體，制備成本高。因此，研發(fā)新的可規(guī)模化生產(chǎn)，工藝簡單，成本低廉又環(huán)保的銅鋅錫硫粉末材料制備方法是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對光伏太陽能薄膜電池而制備的銅鋅錫硫粉體材料，提供一種新的制備方法。原料為銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺，它們的依次摩爾比例為2:1:1:4-5，將它們充分混合后，放入無水乙醇進行超聲波攪拌，再進行造粒烘干，在氬氣保護下，在溫度為350 0C?1100 °C之間進行分階段燒結(jié)反應(yīng)。將反應(yīng)完成后的產(chǎn)品冷卻后進行粉碎球磨，得到所需銅鋅錫硫粉體材料。具體制備工藝如下:
A:配料
原料為銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺，它們的依次摩爾比例為2:1:1:4-5，
B:前處理
銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺分別進行過篩除雜。
[0005]C:混料
銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺，在空氣氣氛下或惰性氣體氣氛下機械攪拌30?100分鐘，進行充分混合。
[0006]D:造粒
在充分混合好的混合物中加入由聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇配制的助劑溶液，該助劑溶液的濃度在1%_6%之間，用超聲波進行充分?jǐn)嚢?0?60分鐘，送入造粒機中進行造粒。
[0007]E:烘干
將造好粒的混合物放入烘干機中在氬氣保護下進行烘干，溫度在60 0C?100 X之間。
[0008]F:反應(yīng)爐反應(yīng)
裝舟，進爐，進行氬氣保護，在氬氣保護下加熱至350 0C?1100 °(:之間進行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度分低中高三個溫度區(qū)，低溫區(qū)350?480°C，中溫區(qū)500?880°C，高溫區(qū)900?1100°C，反應(yīng)后保溫3?10小時。
[0009]G:磨料
將冷卻后的反應(yīng)物進行粉碎磨料，直到粒徑小于100微米。
[0010]H:振動篩分級
將磨料好的產(chǎn)品按粒徑大小進行振動篩分得到不同粒級的銅鋅錫硫粉體材料。
[0011]本發(fā)明方法不僅工藝流程簡單，低碳環(huán)保，設(shè)備要求低，產(chǎn)品成本低，制備十分方便容易，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，可規(guī)?；a(chǎn)，解決了一般硫化法制備的CZTS太陽能薄膜中，S的分布不均勻，存在梯度，即靠近鉬(Mo)層處S含量低的問題，同時使產(chǎn)品粒度更均勻，性能更穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率更高。所生產(chǎn)的銅鋅錫硫粉體材料完全可以滿足光伏太陽能薄膜電池的需要，同時也可以制備成各種規(guī)格的靶材和塊材。產(chǎn)品特別適合于大規(guī)模工業(yè)自動化生產(chǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
將銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺按摩爾比2: I: I: 4.2充分混合均勻，加入濃度為1%的聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇配制的助劑溶液，超聲波攪拌，造粒，在氬氣保護下送入烘干箱中烘干。然后將烘干好的混合物再放入反應(yīng)爐中，通入氬氣，燒結(jié)低溫區(qū)為400 °C，中溫區(qū)500°C，高溫區(qū)1100°C，分別燒結(jié)I小時，2小時和2小時，保溫3小時，等所得樣品冷卻后，取出研磨直到粒徑小于100微米，振動篩分級后得到不同粒級的得到銅鋅錫硫粉體材料。
[0013]實施例2
將銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺按摩爾比2: I: I: 4.5充分混合均勻，加入濃度為3%的聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇配制的助劑溶液，超聲波攪拌，造粒，在氬氣保護下送入烘干箱中烘干。然后將烘干好的混合物再放入反應(yīng)爐中，通入氬氣，燒結(jié)低溫區(qū)為350 °C，中溫區(qū)850°C，高溫區(qū)1000°C，分別燒結(jié)I小時，2小時和3小時，保溫6小時，等所得樣品冷卻后，取出研磨直到粒徑小于100微米，振動篩分級后得到不同粒級的銅鋅錫硫粉體材料。
[0014]實施例3
將銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺按摩爾比2: I: I: 5充分混合均勻，加入濃度為5%的聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇配制的助劑溶液，超聲波攪拌，造粒，在氬氣保護下送入烘干箱中烘干。然后將烘干好的混合物再放入反應(yīng)爐中，通入氮氣，燒結(jié)低溫區(qū)為450 °C，中溫區(qū)700°C，高溫區(qū)1050°C，分別燒結(jié)I小時，1.5小時和2.5小時后保溫8小時，等所得樣品冷卻后，取出研磨直到粒徑小于100微米，振動篩分級后得到不同粒級的得到銅鋅錫硫粉體材料。
【主權(quán)項】
1.太陽能薄膜材料銅鋅錫硫粉體的制備方法，其特征在于包括以下步驟: A:配料 按銅粉、硫化鋅、氧化錫和硫磺的摩爾比為2:1:1:4-5進行配料； B:前處理 銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺分別進行過篩除雜； C:混料 銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺，在空氣氣氛下或惰性氣體氣氛下機械攪拌30?100分鐘，進行充分混合； D:造粒 在充分混合好的混合物中加入由聚乙烯醇縮丁醛和無水乙醇配制的助劑溶液，該助劑溶液的濃度在1%_6%之間，用超聲波進行充分?jǐn)嚢?0?60分鐘，送入造粒機中進行造粒； E:烘干 將造好粒的混合物放入烘干機中在氬氣保護下進行烘干，溫度在60 0C?100 °(:之間； F:反應(yīng)爐反應(yīng) 將烘干好的物料裝舟，送進反應(yīng)爐，在氬氣保護下加熱至350 0C?1100 °(:之間進行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)分低中高三個溫度區(qū)，低溫區(qū)350?480°C，中溫區(qū)500?880°C，高溫區(qū)900?1100°C，反應(yīng)后保溫3?10小時； G:磨料 將冷卻后的反應(yīng)物進行粉碎磨料，直到粒徑小于100微米； H:振動篩分級 將磨料好的產(chǎn)品按粒徑大小進行振動篩分得到不同粒級的銅鋅錫硫粉體材料。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能薄膜材料銅鋅錫硫粉體的制備方法，其特征在于:C步驟所述的惰性氣體氣氛為氬氣。
【專利摘要】一種制備太陽能薄膜用銅鋅錫硫粉體的方法，本發(fā)明的原料為銅粉、硫化鋅、氧化錫、硫磺，它們的依次摩爾比例為2:1:1:4.5-5，將它們用濕法分別進行前處理后混合一起再進行超聲波攪拌，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟪闉V干燥后得到混合均勻的混合粉末，在氬氣保護下，在溫度為230 oC～950 oC之間將該混合粉末進行高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)。將反應(yīng)完成后的產(chǎn)品冷卻后進行粉碎球磨，得到所需銅鋅錫硫粉體材料。本發(fā)明不僅工藝流程簡單，低碳環(huán)保，設(shè)備要求低，產(chǎn)品成本低，制備十分方便容易，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，可規(guī)?；a(chǎn)，解決了一般硫化法制備的CZTS太陽能薄膜中，S的分布不均勻，存在梯度，即靠近鉬（Mo）層處S含量低的問題。
【IPC分類】H01L31-18
【公開號】CN104538499
【申請?zhí)枴緾N201410841417
【發(fā)明人】任改梅, 李春芳, 戴長欣, 吳爾京, 沈季芳, 戴嘉超
【申請人】湖南省華京粉體材料有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月30日