一種硒化銻微米單晶顆粒的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電材料與器件技術領域,更具體地,涉及一種砸化銻微米單晶顆粒的制備方法。
【背景技術】
[0002]太陽能電池一直以來都是一個研究熱點,當前的化合物薄膜電池主要有碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵砸(CIGS)太陽能電池,這兩種電池因所含部分元素有劇毒且也有部分元素資源稀缺,價格昂貴,難以大范圍的應用;而近些年興起的銅鋅錫硫(CZTS)基太陽能電池利用儲量大、價格低廉的Zn和Sn代替CIGS中的In,并取得了 12.7%的光電轉換效率記錄,但CZTS和CIGS—樣同為多元體系,熱力學穩定區間小,組分和晶格缺陷的控制過于復雜,導致材料中雜質和缺陷過多,效率的進一步提升困難。相比于上述幾種材料,砸化銻(Sb2Se3)是一種二元單相化合物,由于其原料儲量大、毒性低、價格便宜,能帶寬度合適(?1.15eV),吸光系數大OlO5Cnf1),晶體生長溫度低,非常適合制作新型低成本低毒的太陽能電池。
[0003]目前,國內國際都已經有關于Sb2Se3材料在太陽能電池方面的應用,Sb2Se3的制備主要有溶液熱注法、溶劑熱法、水熱法、電沉積法、熱噴涂法等工藝,且以制備納米管、納米線、和納米薄膜為主,而Sb2Se3的大顆粒單晶制備仍然是個技術難題;在制備太陽能電池時,單晶電池的性能又比薄膜電池的性能更好,但是,傳統的單晶生長技術(氣相傳輸技術、熔融技術)很難生長出符合太陽能電池吸收層性能要求的大尺寸單晶。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是克服現有制備大尺寸Sb2Se3顆粒所存在的上述缺陷,提供一種Sb2Se3微米單晶顆粒的制備方法。
[0005]本發明的第二個目的是提供上述制備方法得到的Sb2Se3微米單晶顆粒。
[0006]本發明的第三個目的是提供含有上述Sb2Se3單晶顆粒的太陽能電池。
[0007]本發明的第四個目的是提供上述Sb2Se3單晶顆粒在制備太陽能電池方面的應用。
[0008]本發明的目的是通過以下技術方案予以實現的:
1.一種砸化銻微米單晶顆粒的制備方法,包括以下步驟:
51.將反應原料單質鋪、單質砸按一定比例混合,加入助恪劑,研磨混合均勾配制成前驅體;
52.將前驅體裝入石英反應容器中,抽真空或通入惰性氣體后并密封石英反應容器;
53.將密封后的石英反應容器在600?7500C下保持48?120h,對石英反應容器快速降溫至室溫,取出石英反應容器中的樣品,洗滌、干燥后即得砸化銻單晶顆粒;其中,SI所述單質銻和單質砸摩爾比為I: 1.5?3。
[0009]本發明將單質銻(Sb)、單質砸(Se)按照設計好的比例混合,并加入助熔劑,充分研磨混合制成前驅體,在高溫熔融狀態下結晶生成Sb2Se3單晶顆粒;在熔鹽中晶體顆粒是在平衡態下生長的,當顆粒形狀和大小達到要求時,對反應容器進行快速降溫,抑制降溫過程中晶體的非平衡態生長,從而控制了單晶顆粒的形貌;單晶顆粒的成分可以通過前驅體中元素的摩爾比在一定范圍內有效的調配,單晶顆粒的大小可以利用結晶溫度和時間來調控。
[0010]針對不同的元素,不同的結構組成,其需要控制的參數,如元素比例,結晶溫度,結晶時間,發明人需要在這個過程中不斷摸索,從而制得符合要求的單晶顆粒。
[0011]由于利用形貌規則、組分均勻的單晶顆粒制備太陽能電池能可使每個單晶顆粒形成一個電池單元,有效降低吸收層缺陷和界面雜質對器件性能的影響,而且單晶顆粒形成域面能有效提尚入射光的利用率,具有先進的光學特性,理論上可以大幅度提升Sb2Se3電池的轉換效率,因此,單晶顆粒具有比薄膜材料更優異的性能而得到了人們廣泛的關注。現有技術利用熔鹽法制備單晶顆粒的形貌不可控,組分不均勻,且形成單晶顆粒的時間太長,不利于工業生產,本發明創造性的將反應原料和助熔劑進行研磨,通過真空密封、高溫熔融結晶獲得形貌可控,組分可控的單晶顆粒。
[0012]實際上,制備符合太陽能電池吸收層的單晶顆粒非常困難,僅僅是控制元素組成、原料配比或是僅僅控制單晶的生長工藝,都有可能導致單晶顆粒制備失敗;要結合實際要制備的單晶顆粒的元素組成、原料配比以及單晶的生長工藝,才能最終得到合格的單晶顆粒。本發明以熔鹽法為原型,通過將反應原料和助熔劑按照一定的比例研磨均勻抽真空密封,將其在一定的溫度下反應一定時間,當反應生成理想的尺寸大小形貌,通過快速降溫抑制晶體的進一步生長,及時的降溫以及合適的溫度能有效制備出理想尺寸大小的微米單晶顆粒。
[0013]當反應完畢后,需要對石英反應容器進行降溫,首先降溫至450°C,這段時間內晶體生長過程仍然處在平衡態生長,有利于減少晶體的表面缺陷,再進行快速降溫,是為了抑制晶體的非平衡態生長,并有效防止其他雜質相的產生。
[0014]另外,助熔劑種類及用量對單晶顆粒制備具有一定的影響,合適的熔鹽種類及熔鹽體系中合適的助熔劑用量有助于熔鹽體系晶體的生長,優選地,SI所述助熔劑為K1、CsCl、Cs I中的一種或多種。
[0015]優選地,所述助熔劑與反應原料的混合摩爾比為I?10:1。
[0016]優選地,S2所述抽真空后石英反應容器中的真空度為10?12Pa。
[0017]本發明還提供任意一種方法得到的砸化銻微米單晶顆粒。
[0018]同時提供含有所述單晶顆粒的太陽能電池。
[0019]還提供了所述單晶顆粒在制備太陽能電池方面的應用。
[0020]與現有技術相比,本發明具有以下有益效果:
本發明提供了一種砸化銻微米單晶顆粒的制備方法,即按照設計的配方混合反應原料,然后加入助熔劑充分研磨混合制備前驅體,將前驅體粉末真空封裝在石英反應容器中,在設定的溫度下熔融再結晶生成Sb2Se3單晶顆粒;所制備單晶顆粒的大小可以利用再結晶的溫度和時間來調控,顆粒的成分可以通過前驅體中各元素的摩爾比在一定范圍內有效的調配,所制備得到的單晶顆粒成分均勻、形狀規則、大小可控,性能優于傳統方法制備得到的單晶顆粒,具體優點如下:
(I)高溫熔融結晶可以得到組分均勻的單晶顆粒,而快速降溫抑制降溫過程中單晶的非平衡態生長,從而控制了單晶顆粒的形貌和組分。
[0021](2)不同的熔鹽組合和配比可以在單晶生長過程中通過晶粒的相互摩擦和晶粒與熔鹽的相互摩擦,有效消除晶粒表面的晶面棱角,從而控制晶粒表面的形態,得到表面較為光潔的單晶顆粒。
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