本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的銅銦硫三元半導(dǎo)體納米晶材料。

背景技術(shù)：

進(jìn)入19世紀(jì)之后，人類社會飛速發(fā)展，對于能源的需求日益加大，以傳統(tǒng)能源的煤、石油為社會的發(fā)展提供著強勁動力。然而煤、石油作為不可再生能源，帶來的問題也日益突出，其中的環(huán)境污染問題最為嚴(yán)重。如何解決社會發(fā)展過程中能源需求和環(huán)境污染這一矛盾，成為目前經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的首要難題。因此調(diào)整能源布局，開發(fā)和利用清潔可再生能源成為各個國家目前追求的目標(biāo)。

在可再生能源中，主要包括以下幾種：水能，風(fēng)能，潮汐能，生物質(zhì)能源，太陽能；除太陽能之外，以上幾種能源對于環(huán)境，設(shè)備以及地域條件有不同程度要求；太陽能，作為最具有可持續(xù)利用的能源，可以在世界各個地方得以應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，雖然太陽產(chǎn)生的能量大部分以輻射的形式損失掉，但是其輻射到地球大氣層的能量仍然高達(dá)173000tw，只要完全吸收20分鐘太陽能，地球一年需要的能量即可以得到滿足。所以在可再生能源中，太陽能得到了廣泛的關(guān)注。作為可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的裝置-太陽能電池，近年更是成為了科研界和工業(yè)界的寵兒，受到了極大的關(guān)注。

太陽能電池主要分為以下幾類：無機太陽能電池，有機太陽能電池，染料敏化太陽能電池，高分子太陽能電池，和鈣鈦礦太陽能電池。以上幾種太陽能電池各有優(yōu)勢，目前已經(jīng)商業(yè)化的太陽能電池主要是無機太陽能電池。硅基太陽能電池作為第一代，已經(jīng)成功商業(yè)化，在各地正在被廣泛的使用；第二代太陽能電池碲化鎘薄膜太陽能電池，目前也已經(jīng)部分商業(yè)化，并在小范圍使用；帶三代太陽能電池即銅基薄膜太陽能電池目前實驗室最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.7%，大面積組件的效率也可以達(dá)到10%以上。銅基材料作為太陽能電池的吸光層具有很多優(yōu)點。首先，具有合適的禁帶寬度~1.5ev；其次，銅基吸光層半導(dǎo)體材料是直接帶隙半導(dǎo)體，吸光系數(shù)高達(dá)104~105cm^-1；第三，該類型半導(dǎo)體材料穩(wěn)定性好，無光衰減；最后制備電池需要的材料少，節(jié)約成本。但銅基薄膜太陽能電池尚未得到廣泛應(yīng)用，研究也屬于起步階段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種具有較好性能的新型半導(dǎo)體材料。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體納米晶，該半導(dǎo)體納米晶為銅銦硫三元半導(dǎo)體納米晶，其中銅、銦、硫三種元素的摩爾比為0.7-1:0.8-1:1.8-2.2；半導(dǎo)體納米晶相態(tài)單一，晶型結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，陰離子硫處于晶胞中心的位置，銦、銅金屬陽離子分布在頂角位置。

上述半導(dǎo)體納米晶中銅、銦、硫三種元素的摩爾比優(yōu)選為0.78-0.88:0.86-0.95:1.82-1.99，最佳為0.88:0.95:1.99。

本發(fā)明還提供了上述半導(dǎo)體納米晶的制備方法，包括以下步驟：將銅金屬鹽、銦金屬鹽和油胺裝入三口燒瓶之中，對三口燒瓶進(jìn)行除水除氧；然后通入氬氣或者氮氣進(jìn)行保護(hù)，使用加熱套對三口燒瓶進(jìn)行升溫加熱，升溫到220℃-280℃，得到金屬前體溶液；將溶解于油胺中的二硫化碳和正丁胺熱注射到金屬鹽的前體溶液之中，反應(yīng)30-240分鐘，之后用醇類溶劑沉降納米晶，離心分離，得到納米晶產(chǎn)物；然后將納米晶產(chǎn)物分散于非極性溶劑中，加入正己胺和巰基丙酸，超聲后，再次使用醇類溶劑沉降，離心分離，得到的產(chǎn)物即為所述半導(dǎo)體納米晶；所述銅金屬鹽采用硝酸銅、氯化亞銅或醋酸銅；所述銦金屬鹽采用硝酸銦、氯化銦或醋酸銦；所述溶劑選自油胺、油酸、十二-十六胺、十二烷基硫醇-十六烷基硫醇、十八烯、或者兩種以上的混合溶劑；所述醇類溶劑選用甲醇、乙醇、甲醇和丙醇的混合醇、甲醇和乙醇的混合醇、甲醇和丁醇的混合醇、乙醇和丙醇的混合醇、或乙醇和丁醇的混合醇；所述非極性溶劑采用甲苯或氯仿。

其中銅金屬鹽、銦金屬鹽和二硫化碳中銅、銦、硫的摩爾比為0.7-1:0.8-1:1.8-2.2；金屬前體溶液中油胺與銅金屬鹽、銦金屬鹽的加入比例為20ml：0.7-1mol：0.8-1mol；溶解于油胺中的二硫化碳和正丁胺的加入比例為：油胺：二硫化碳：正丁胺=2ml：0.9-1.1mol：1ml。

優(yōu)選的，銅金屬鹽、銦金屬鹽和二硫化碳中銅、銦、硫的摩爾比為0.8-0.9:0.9-1:1.9-2；金屬前體溶液中油胺與銅金屬鹽、銦金屬鹽的加入比例為20ml：0.8-0.9mol：0.9-1mol；溶解于油胺中的二硫化碳和正丁胺的加入比例為：油胺：二硫化碳：正丁胺=2ml：0.95-1mol：1ml。

最佳的，銅金屬鹽、銦金屬鹽和二硫化碳中銅、銦、硫的摩爾比為0.9:1:2；金屬前體溶液中油胺與銅金屬鹽、銦金屬鹽的加入比例為20ml：0.9mol：1mol；溶解于油胺中的二硫化碳和正丁胺的加入比例為：油胺：二硫化碳：正丁胺=2ml：1mol：1ml。

本發(fā)明還提供了上述半導(dǎo)體納米晶在制備薄膜太陽能電池中的應(yīng)用。

該薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)依次為玻璃基底層、導(dǎo)電玻璃層、硫化鎘層、所述半導(dǎo)體納米晶層、鋁層。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：本發(fā)明通過將金屬陽離子（銅離子、銦離子）被有機溶劑油胺包裹，至反應(yīng)活性達(dá)到平衡時，再注入硫源，反應(yīng)從而得到相態(tài)均一的銅銦硫纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)的三元半導(dǎo)體合金材料，具備合適的盡帶寬度1.49ev。采用該材料構(gòu)筑ito/cds(硫化鎘)/cuins2（銅銦硫）/al(鋁)薄膜太陽能電池，電池的開路電壓voc=0.409v,短路電流為isc=0.5ma/cm^-2，能很好地用于薄膜太陽能電池。本發(fā)明半導(dǎo)體納米晶的制備方法簡單，操作便捷，適合一定規(guī)模和工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備得到的半導(dǎo)體納米晶的xrd圖譜；

圖2為本發(fā)明實施例2制備得到的半導(dǎo)體納米晶的紫外-可見吸收光譜；

圖3為本發(fā)明實施例2制備得到的半導(dǎo)體納米晶的禁帶寬度；

圖4為本發(fā)明實施例3制備得到的半導(dǎo)體納米晶的光電性質(zhì)曲線；

圖5為本發(fā)明實施例3中太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1

稱取0.9摩爾硝酸銅，1摩爾硝酸銦以及20毫升油胺放入三口燒瓶之中，對三口燒瓶進(jìn)行無水無氧處理，之后通入氬氣或者氮氣，隨后加熱三口燒瓶到220℃-280℃，之后通入氬氣，熱注射溶解于2毫升油胺中的二硫化碳（1摩爾）和正丁胺（1毫升）的混合物，反應(yīng)60分鐘，使用40毫升甲醇沉降納米粒子，離心分離，得到納米晶產(chǎn)物。之后將納米晶分散于2ml甲苯中，加入1.32毫升正己胺和0.86毫升巰基丙酸，超聲15min，之后再次使用40ml甲醇沉降，離心分離，得到的產(chǎn)物為相態(tài)單一的纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)銅銦硫半導(dǎo)體納米晶。

銅銦硫原子比的分析結(jié)果是：銅（cu）：0.88，銦（in）:0.95，硫（s）：1.99。

xrd的測試結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明制備的銅銦硫具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。陰離子硫處于晶胞中心的位置，銅，銦金屬陽離子則是隨機無序的分布在頂角的位置,表明制備的銅鋅硫三元半導(dǎo)體材料為物相均一六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料。對其進(jìn)行紫外-可見吸收光譜和禁帶寬度測試，其紫外可見吸收的起點為823nm，對應(yīng)的禁帶寬度為1.53ev。如圖5所示構(gòu)筑的玻璃/ito/cds(硫化鎘)/cuins2（銅銦硫）/al(鋁)薄膜太陽能電池顯示：短路電流isc=0.7ma/cm^-2,開路電壓voc=0.41v，該結(jié)果顯示制備的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的銅銦硫半導(dǎo)體納米晶可以直接應(yīng)用于薄膜太陽能電池之上。

實施例2

稱取0.9摩爾氯化亞銅，0.9摩爾氯化銦以及20毫升十四胺放入三口燒瓶之中，對三口燒瓶進(jìn)行無水無氧處理，之后通入氬氣或者氮氣，隨后加熱三口燒瓶到220℃-280℃，之后通入氬氣，熱注射溶解于2毫升十四胺中的二硫化碳（0.95摩爾）和正丁胺（1毫升）的混合物，反應(yīng)60分鐘，使用40毫升的甲醇丙醇混合溶劑（體積比1:1）沉降納米粒子，離心分離，得到納米晶產(chǎn)物。之后將納米晶分散于2毫升氯仿中，加入1.32毫升正己胺和0.86毫升巰基丙酸，超聲15min后，再次使用40毫升的甲醇丙醇混合溶劑（體積比1:1）沉降，離心分離，得到的產(chǎn)物為相態(tài)單一的纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)銅銦硫半導(dǎo)體納米晶。

銅銦硫原子比的分析結(jié)果是：銅（cu）：0.87，銦（in）:0.86，硫（s）：1.82。

銅銦硫的紫外-可見吸收光譜和禁帶寬度測試結(jié)果如圖2、圖3所示。結(jié)果表明，銅銦硫的紫外可見吸收的起點是845nm，對應(yīng)的禁帶寬度是1.49ev，這一禁帶寬度是薄膜太陽能電池吸光層材料對應(yīng)的最佳禁帶寬度，顯示了這一材料可以應(yīng)用于薄膜太陽能電池之中。

實施例3

稱取0.8摩爾醋酸銅，1摩爾醋酸銦以及20毫升十八烯放入三口燒瓶之中，對三口燒瓶進(jìn)行無水無氧處理，之后通入氬氣或者氮氣，隨后加熱三口燒瓶到220℃-280℃，之后通入氬氣，熱注射溶解于2毫升十八烯中的二硫化碳（0.95摩爾）和正丁胺（1毫升）的混合物，反應(yīng)60分鐘，使用40毫升的乙醇丁醇混合醇（體積比1:1）沉降納米粒子，離心分離，得到納米晶產(chǎn)物。之后將納米晶分散于2ml甲苯中，加入1.32毫升正己胺和0.86毫升巰基丙酸，超聲一段時間，之后再次使用40毫升的乙醇丁醇混合醇（體積比1:1）沉降，離心分離，得到的產(chǎn)物為相態(tài)單一的纖鋅礦六方結(jié)構(gòu)銅銦硫半導(dǎo)體納米晶。

銅銦硫原子比的分析結(jié)果是：銅（cu）：0.78，銦（in）:0.94，硫（s）：1.83。

銅銦硫的光電性質(zhì)曲線如圖4所示。如圖5所示構(gòu)筑的玻璃/ito/cds(硫化鎘)/cuins2（銅銦硫）/al(鋁)薄膜太陽能電池顯示：短路電流isc=0.51ma/cm^-2，開路電壓voc=0.409v，該結(jié)果顯示制備的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的銅銦硫半導(dǎo)體納米晶可以直接應(yīng)用于薄膜太陽能電池之上。