專利名稱：銅鋅錫硫光伏材料、及其制備方法和制備裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及化工領域，具體涉及銅鋅錫硫光伏材料、及其制備方法和制備裝置。
背景技術：
能源危機、環境污染已成為人類急需面對和解決的重大問題。許多國家，特別是一些發達國家，都把開發和利用綠色能源作為國策，給予大力支持和鼓勵。太陽能不僅是取之不盡、用之不竭的天然能源，而且能量密度大(在赤道附近太陽能密度約為I千瓦/平方米)，便于人類采用；另外，太陽能還是潔凈能源，在太陽能電池發電過程中不會產生任何污染。因此，太陽能是人類重點開發的新能源，太陽能電池是利用太陽能發電的有效設備，所以也就成了各國大力研究開發的對象。近年來太陽能電池產業得到了快速發展。銅鋅錫硫材料是指由銅(Cu)、鋅(Zn)、錫(Sn)、硫(S)四種元素或Cu、Zn、Sn、S、Se五種元素合成的化合物，它們的分子式分別為CuZnxSrvxS2、CuZnxSrvxSSe、CuZnS2，和·CuSnS2,通常簡稱(寫)為CZTS、CZTSS、CZS。CZTS、CZTSS和CZS屬于化合物型半導體材料，具有光電轉換功能，且轉換效率高。主要用作薄膜太陽能電池(第二代太陽能電池)的吸收層材料，因此也被稱為光伏材料。單晶硅和多晶硅太陽能電池是第一代太陽能電池，它們的市場占有率大于90% ；薄膜電池是第二代太陽能電池，它們的占有率小于10%，其中硅薄膜電池又占有絕對多數的比例。單晶硅、多晶硅太陽能電池需要消耗大量的高純硅材料，而生產高純硅需要消耗大量的能源并造成環境污染。理論上計算，生產I公斤高純硅，要產生I. 57公斤的二氧化碳，實際生產時產生的二氧化碳要比這個數大得多。生產高純硅消耗的能量約等于硅電池2 3年的發電量。薄膜太陽能電池消耗的光伏材料少得多,制造成本低,有著廣闊的發展前景。但是，硅薄膜太陽能電池轉換效率太低Γ7%)，發展前景有限。碲化鎘(CdTe)薄膜電池具有較高的轉換效率和較低的生產成本，受到較多的關注，目前已進入批量生產階段，但因含有劇毒的鎘(Cd)，廢舊電池將會造成嚴重的環境污染，發展前景不容樂觀。因資源有限，碲原料價格一直上漲。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是薄膜電池中最有發展潛力的電池。它不僅無毒，對環境沒有污染，而且具有更高的轉換效率(實驗室結果已達到20. 5%)，但是因為銦、鎵、硒原料價格比較高，制作成本高。而銅鋅錫硫CuZnxSrvxS2原料價格比銦鎵硒原料價格低10倍左右，因此，受到世界各國的高度重視，并投入大量人力和財力進行研究開發。但是CuZnS2和CuZnxSrvxS2化合物直接制取非常困難。目前主要采取“硫化”的方法制取CuZnS2和CuZnxSrvxS2化合物薄膜。“硫化”法的具體做法是先把Cu-Zn-Sn熔煉成合金,并制作成可以用于濺射的靶材，然后通過濺射工藝，在鑰(Mo)層上面形成Cu-Zn-Sn薄膜，再將S加熱蒸發成氣體，使S原子沉積在Cu-Zn-Sn層上，并通過原子擴散與Cu-Zn-Sn進行反應生成CuZnxSrvxS2化合物，此過程稱為“硫化”。
硫化法制備CuZnxSrvxS2化合物薄膜的缺點是I、生產周期長，生產效率低硫化過程一般不少于12小時；2、耗能多S的沸點是444. 6°C, S化的溫度高于444. 6V ；3、消耗S多只有部分S蒸汽能夠與Cu-Zn-Sn層接觸；4、S的蒸汽有劇毒，容易造成安全事故氣態的S遇水(包括空氣中的水)即形成氣態H2S (是一種毒氣)；另外，氣態S對其他金屬具有很強的腐蝕性，容易泄露出S蒸氣；5、硫化法制備的CuZnxSrvxS2化合物薄膜中，S的分布不均勻，存在梯度靠近鑰(Mo)層處S含量低。由于硫化法制造CZTS薄膜電池成本太高，所以目前CZTS電池發展緩慢。生產CZTS薄膜電池理想的方法是一步濺射法，就是將已經制備好的CZTS材料(靶)通過一次濺射即可制得成份均勻的CZTS薄膜。由于一步濺射法不需要硫化過程，所以與硫化法相比具有明顯的優勢I、大大縮短了生產周期，減少了生產設備；2、避免了生產過程中的環境污染和潛在的危險；3、提高了電池質量；4、降低了生產成本。目前，多晶硅電池的制造成本約為O.9美元/瓦，消耗能源回收期為2 3年；硒化法制造的CIGS電池(尚未能批量生產)成本估計在I. 2美元/瓦以上，能源回收期為I. 5年左右；一步濺射法制造的CZTS電池成本估計小于O. 7美元/瓦，能源回收期不到I年，而實現一步濺射法生產CZTS薄膜電池的前提條件是必須具有已經制備好的CZTS材料。銅(Cu)、鋅(Zn) Ji(Sn)At(S)四種元素的熔點、沸點相差太大，其熔點和沸點分別為表I四種元素的熔點和沸點
權利要求
1.一種銅鋅錫硫光伏材料，其特征在于，其原料包括按重量份數計，18份 35份的銅、5份 30份的鋅、5份 30份的錫、25份 45份的硫。
2.如權利要求I所述的銅鋅錫硫光伏材料，其特征在于，其原料包括，按重量份數計，22份 32份的銅、8份 27份的鋅、8份 27份的錫、28份 41份的硫。
3.—種權利要求I或2所述銅鋅錫硫光伏材料的制備方法，其特征在于，包括 A.按原料所占的重量份數，分別稱取銅、鋅、錫、硫； B.將稱取的銅、鋅、錫、硫混合封裝，抽真空； C.對處于真空環境下的銅、鋅、錫、硫進行加熱； D.降溫，得到所述銅鋅錫硫光伏材料。
4.如權利要求3所述銅鋅錫硫光伏材料的制備方法，其特征在于，步驟B中，真空度為I X IO-1Pa^l X IO^3Pa0
5.如權利要求3所述銅鋅錫硫光伏材料的制備方法，其特征在于，步驟C中，加熱溫度為35(T600°C，加熱時間為2 4小時； 和/或， 步驟D中，降溫至50°C以下。
6.如權利要求3-5任一項所述銅鋅錫硫光伏材料的制備方法，其特征在于，在步驟C中，發生的化學反應包括Sn+2S — SnS2 ；Zn+S — ZnS ；2Cu+S — Cu2S ；Cu2S+ZnS+SnS2 — 2Cu (Zn, Sn) S2。
7.一種使用權利要求3-6任一項所述銅鋅錫硫光伏材料的制備方法的制備裝置，其特征在于，包括 封裝容器、真空容器、加熱裝置； 所述封裝容器放于所述真空容器內； 所述真空容器放于所述加熱裝置內。
8.如權利要求7所述的制備裝置，其特征在于，所述封裝容器包括高純度石英坩堝、高純度三氧化二鋁坩堝、高純度高密度石墨坩堝中的任意一種，所述高純度的純度為彡 99. 99%o
9.如權利要求7或8所述的制備裝置，其特征在于，所述真空容器包括由厚度為2飛毫米的鋼板制作而成的真空容器。
10.如權利要求7所述的制備裝置，其特征在于， 所述真空容器和所述加熱裝置集成于一個真空加熱裝置，所述真空加熱裝置優選為井式真空電爐。
全文摘要
本發明涉及化工領域，具體涉及銅鋅錫硫光伏材料、及其制備方法和制備裝置，本光伏材料的原料為按重量份數計，18份~35份的銅、5份~30份的鋅、5份~30份的錫、25份~45份的硫，制備方法包括A.按原料所占的重量份數，分別稱取銅、鋅、錫、硫；B.將稱取的銅、鋅、錫、硫混合封裝，抽真空；C.對處于真空環境下的銅、鋅、錫、硫進行加熱；D.降溫，得到所述銅鋅錫硫光伏材料；制備裝置包括封裝容器、真空容器、加熱裝置；所述封裝容器放于所述真空容器內；所述真空容器放于所述加熱裝置內。本發明能夠通過熔煉法制備銅鋅錫硫光伏材料。
文檔編號H01L31/032GK102730751SQ20121019396
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月13日 優先權日2012年6月13日
發明者丘立安, 李宗雨 申請人:成都先鋒材料有限公司