溶液化学合成Cu2ZnSnS4纳米晶及其胶体墨水薄膜

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随着传统能源的日益枯竭和环境问题的加剧,对新能源的研究越来越引起人们的重视。其中,太阳能资源以其清洁无污染和取之不尽、用之不竭的优势得到了长足的发展。锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4属于Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4型四元化合物硫族半导体材料,是良好的太阳能电池吸收层材料。它是直接带隙半导体,禁带宽度为1.45-1.50eV,接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度,吸收系数大于104cm-1。此外,Cu2ZnSnS4所含元素均为无毒无污染的常见元素,在地壳含量较为丰富,因此,生产成本大大降低,副产品对环境的污染也较小。本文研究多元醇溶液化学法Cu2ZnSnS4纳米晶的合成及其胶体墨水制备,通过浸渍-提拉法制备薄膜。主要选取Cu(NO32,Zn(NO32,SnCl2为阳离子源,以硫脲和硫代乙酰胺为硫源合成Cu2ZnSnS4纳米晶。通过对反应物配比、注入温度、回流时间、络合剂含量、分散剂含量和注入方式等因素变化对产物影响的研究,调试最佳的合成条件。采用XRD、TEM、SEM、EDS、UV-Vis等测试手段对产物的晶体结构、元素配比、分散性和光学性能等进行了表征。实验结果表明,在四乙二醇体系中,采取将阳离子源注入阴离子源的方式,选取反应物的配比Cu:Zn:Sn:S=2:1.4:1:12,[Cu2+]=0.01mol/L,注入温度为290oC,回流时间为20min,10ml前躯体溶液中柠檬酸的含量为0.2522g,60ml基液中葡萄糖含量0.1g,PVP的含量为0.2g时可以得到基本符合化学计量比、分散性良好的Cu2ZnSnS4纳米晶,测得其禁带宽度为1.50eV左右。浸渍-提拉法制备的Cu2ZnSnS4纳米晶墨水薄膜在400℃热处理20min后,晶体有所长大,致密化程度有所提高。但当温度过高,超过500℃时,Cu2ZnSnS4元素配比失调,可能是高温下产物分解所致。
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