Способ получения монозеренных кестеритных порошков



Способ получения монозеренных кестеритных порошков
Способ получения монозеренных кестеритных порошков
Способ получения монозеренных кестеритных порошков
Способ получения монозеренных кестеритных порошков
Способ получения монозеренных кестеритных порошков
C01G1/12 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)
B22F2201/20 - Порошковая металлургия; производство изделий из металлических порошков; изготовление металлических порошков (способы или устройства для гранулирования материалов вообще B01J 2/00; производство керамических масс уплотнением или спеканием C04B, например C04B 35/64; получение металлов C22; восстановление или разложение металлических составов вообще C22B; получение сплавов порошковой металлургией C22C; электролитическое получение металлических порошков C25C 5/00)

Владельцы патента RU 2695208:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской Академии наук (ИПХФ РАН) (RU)

Изобретение может быть использовано при создании тонкопленочных солнечных батарей. Для получения монозеренных кестеритных порошков используют прекурсорные смеси, состоящие из Cu2Se, CuSe, ZnS и SnSe2. Указанные халькогениды берут в требуемых количествах, растирают с CsI в агатовой ступке и запаивают в кварцевых ампулах в вакууме при мольном соотношении синтезируемого кестерита к CsI более чем 1:5. Ампулы выдерживают при 740-750°С в течение 100 ч, после чего вскрывают. Содержимое ампул промывают деионизированной водой для удаления CsI и высушивают под вакуумом. Выделяют монозеренную фракцию с использованием сит. Изобретение позволяет получить монозеренные кестеритные порошки состава Cu1,5Zn1,1Sn0,9Se2,9S1,1 для создания высокоэффективных экологически чистых солнечных батарей. 5 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии создания тонкопленочных экологически чистых солнечных батарей. Изобретение может найти применение при создании солнечных батарей для строительной фотовольтаики (BIPV). Более конкретно изобретение относится к созданию монозеренных монокристаллических порошков с общей формулой Cu2-δZn2-xSnxSe4, имеющих структуру кестерита, применяемых в качестве поглощающих слоев в таких устройствах.

В последнее время приобретают популярность тонкопленочные солнечные батареи на основе CdTe, CuInxGa1-xSe2 (CIGS) или Cu2-δZn2-xSnx(S1-ySey)4 (CZTS,Se). Преимущество данных материалов состоит в том, что для эффективного поглощения солнечного света достаточно пленки толщиной всего несколько микрон, тогда как при использовании кристаллического кремния необходим слой около 200 мкм. При этом CZTS имеет ряд преимуществ перед другими соединениями. Основное из них состоит в том, что в его состав не входят редко встречающиеся элементы. При этом данный материал мало токсичен и сравнительно экологически чист, что делает солнечные батареи на его основе потенциально дешевыми. При этом особый интерес представляет новая отрасль - т.н. «порошковая» фотовольтаика, подразумевающая применения монозеренных порошков CZTS для создания гибких солнечных батарей. Слои на основе монозеренных порошков сочетают в себе высокие фотоэлектрические параметры монокристаллов и преимущества поликристаллических материалов и их технологий, например, низкая стоимость и простые методы синтеза, также возможность создания устройств на гибких подложках и эффективный расход материала. Данная технология предполагает разделение синтеза материалов от сборки модулей. Солнечные батареи больших размеров на их основе могут изготавливаться при комнатной температуре в непрерывном, так называемом «roll-to-roll» процессе. Однородный состав порошков дает дополнительное преимущество: простое масштабирование.

Впервые солнечные элементы на основе монозеренных порошков были созданы компанией Hoffman's Electronics в 1957 г. [Paradise, М.Е. (1957) Large area solar energy converter and method for making the same. US Patent 2,904,613, August 26]. В качестве материала использовался кремний. Однако такие устройства не нашли широкого применения. Солнечные элементы на основе четверных соединений меди - сравнительно новая технология. Их разработка, по-видимому, впервые началась в Таллиннском университете технологии в 1996 году [Ito K. «Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells» West Sussex, U.K.: John Wiley & Sons, Ltd. 2015. 435 p]. Схема такого солнечного элемента приведена на фиг. 1. (На Фиг. 1. 1 - прозрачная подложка, 2 - нижний прозрачный контакт, 3 - буферный слой (CdS), 4 - монозерна CZTS, 5 - верхний контакт, 6 - верхняя полимерная пленка). Для их коммерческого внедрения была создана совместная австрийско-эстонская фирма CrystalSol [www.crystalsol.com]. По данным [A. Luque, S. Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. A John Wiley and Sons, Ltd., Publication. 2011. 1128 p.] для создания солнечных батарей используются кестеритные монозеренные порошки состава Cu1.85ZnSnS4. Для их синтеза используются сульфиды CuS, SnS и ZnS, в качестве флюса - KI или CdCl2.

Отличительной особенностью предложенной нами методики является использование прекурсорных смесей иного состава - Cu2Se, CuSe, ZnS и SnSe2 и строго контролируемых количеств флюса CsI для синтеза кестеритных порошков составов отличных от Cu1.85ZnSnS4.

Наиболее близкой к предложенной являются методики, описанные в [патент WO 2010/006623 А2] и [патент US 20120201741 А1]

Синтез прекурсоров - сульфидов и селенидов CuX, Cu2X, SnX, SnX2, где X=S, Se проводится из элементных Cu, Sn и X в несколько этапов. На первом этапе указанные вещества в требуемых соотношениях отжигаются в вакуумированных (рост=10-2 мм.рт.ст.) графитизированных кварцевых ампулах при T=800°С в течение 24 ч. После этого содержимое ампул растирается в агатовой ступке для гомогенизации. На следующем этапе полученные порошки вновь запаиваются в вакуумированных кварцевых ампулах и отжигались в течение 100 ч. Для Cu2X, SnX и SnX2 температура отжига 800°С, для CuX - 450°С.

Поскольку прямая реакция цинка с серой протекает слишком бурно, для синтеза ZnS через водный раствор ZnSO4 с добавкой CH3COONH4 в течение 5 ч пропускается ток сероводорода, после чего полученный осадок промывается 2% водным раствором СН3СООН, насыщенным сероводородом, фильтруется под вакуумом на воронке со стеклянным фильтром. Затем проводится последовательный отжиг в потоке азота при T=800°С, сероводороде при 600°С и динамическом вакууме.

Синтез селенида цинка осуществляется из сульфида цинка в токе инертного газа при 650°С по следующей схеме:

ZnS+2ZnO+3Se=3ZnSe+SO2

Для синтеза крупнокристаллических монозеренных порошков CZTS требуемые количества бинарных халькогенидом растираются с CsI в агатовых ступках, после чего запаиваются в карбонизированных кварцевых ампулах под вакуумом. Оптимальным является мольное соотношение CZT(S,Se):CsI более чем 1:5. Ампулы выдерживаются при 740-750°С в течение 100 ч, после чего вскрываются. Для удаления CsI содержимое ампул промывается деионизированной водой и высушивается под вакуумом. Для выделения монозеренной фракции проводится процеживание через сита с различным диаметром отверстий.

Заявляемое изобретение иллюстрируется, но никак не ограничивается следующим примером.

Пример 1. Синтез монозеренных порошков состава Cu1.5Zn1.1Sn0.9Se2.9S1.1.

Синтез образцов указанного состава может быть осуществлен по схеме: 0,4Cu2Se+0,7CuSe+1,1ZnS+0,9SnSe2=Cu1.5Zn1.1Sn0.9Se2.9S1.1

Исследование полученных порошков методом РФА (фиг. 2) и рамановской спектроскопии (фиг. 3) показало, что они имеют кестеритную структуру. По данным оптической (фиг. 4А.) и фиг. 4Б.)) и электронной микроскопии (фиг. 4В.)) полученные порошки состоят из монозерен с диаметром частиц 40-95 мкм. При этом преобладает фракция с размером частиц 74-94 мкм (фиг. 5). Исследование образцов методом микроволновой фотопроводимости показало, что времена жизни фотогенерированных носителей тока в них превышает 10 нс, что выше описанного в литературе [I. Repins, С. Beall, N. Vora et al, J. Solar Energy Materials and Solar Cells, 101, 154-159, (2012)].

Способ получения монозеренных кестеритных порошков, отличающийся тем, что порошки получают из прекурсорных смесей, состоящих из Cu2Se, CuSe, ZnS и SnSe2, при этом требуемые количества указанных халькогенидов растирают с CsI в агатовой ступке и запаивают в кварцевых ампулах в вакууме при мольном соотношении синтезируемого кестерита к CsI более чем 1:5, ампулы выдерживают при 740-750°С в течение 100 ч, после чего вскрывают, содержимое ампул промывают деионизированной водой для удаления CsI и высушивают под вакуумом, затем выделяют монозеренную фракцию с использованием сит.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии производства фотоэлектрических преобразователей. Способ формирования пленки перовскитоподобного материала с общей формулой АВХ3 включает нанесение на подложку слоя перовскитоподобного материала заранее заданной толщины, после чего на слой наносят галоген до достижения частичного или полного сжижения данного слоя, после чего полностью удаляют избыточный галоген из слоя АВХ3 с обеспечением постепенной кристаллизации перовскитоподобного материала на подложке с образованием зерен первоскитоподобного материала размера большего, чем в исходном слое.

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения.

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,3-1,06 мкм, которые могут быть использованы в электронно-оптической аппаратуре.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых фотодиодов (ФД), чувствительных к излучению с длинами волн 0,3-1,06 мкм, которые могут быть использованы в электронно-оптической аппаратуре.

Изобретение относится к электронной технике, а именно, касается технологии изготовления гибридных микросхем, и может быть использовано в производстве гибридных фотоэлектрических сборок путем микросварки.

Способ изготовления омических контактов фотоэлектрического преобразователя включает напыление на гетероструктуру A3B5 основы фронтального омического контакта через первую фоторезистивную маску с рисунком фронтального омического контакта и основы тыльного омического контакта, термообработку полученной структуры, формирование фронтального омического контакта через вторую фоторезистивную маску и тыльного омического контакта путем электрохимического осаждения золота в импульсном режиме при частоте импульсного сигнала 30-200 Гц, коэффициенте заполнения 0,2-0,5 сначала при плотности тока 0,002-0,005 мА/мм2 1-2 минуты, а затем при плотности тока 0,02-0,05 мА/мм2 до заданной толщины.

Изобретение относится к солнечной энергетике. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя включает последовательное формирование фоточувствительной полупроводниковой гетероструктуры А3В5 с пассивирующим слоем и контактным слоем GaAs, удаление контактного слоя над фотоприемными участками полупроводниковой гетероструктуры химическим травлением через первую фоторезистивную маску, обработку открытых поверхностей пассивирующего слоя ионно-лучевым травлением, осаждение антиотражающего покрытия, удаление первой фоторезистивной маски и лежащих на ней участков диэлектрического антиотражающего покрытия, формирование тыльного омического контакта и формирование фронтального омического контакта по меньшей мере через одну вторую фоторезистивную маску, содержащую подслой из антиотражающего покрытия.

Группа изобретений относится к технологии устройств твердотельной электроники и может быть использована при разработке фотоприемников видимого и ближнего ИК-диапазона.

Группа изобретений относится к технологии устройств твердотельной электроники и может быть использована при разработке фотоприемников видимого и ближнего ИК-диапазона.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способу получения поликристаллов четверных соединений ALnAgS3 (A=Sr, Eu; Ln=Dy, Но) моноклинной сингонии со структурой типа BaErAgS3, которые перспективны для применения в качестве люминофоров, полупроводников и неметаллических ферромагнетиков, оптических материалов.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа изготовления фильтров для ИК-диапазона. Способ заключается в выращивании из смеси бинарных компонент ZnSe и ZnS кристаллического слитка твердого раствора с перепадом температуры между зонами испарения и кристаллизации.

Изобретение может быть использовано в производстве элементов микроэлектроники, сенсорной техники. Гольмий-марганцевый сульфид с гигантским магнитосопротивлением включает марганец и серу и дополнительно содержит гольмий при следующем соотношении компонентов, мас.%: гольмий 2,5-15, марганец 47,5-35, сера 50.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к получению сульфида галлия (II), являющегося перспективным материалом для полупроводниковой оптоэлектронной техники и инфракрасной оптики.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения, а именно – к технологии получения тонких фоточувствительных пленок селенида свинца, широко используемых в изделиях оптоэлектроники в ИК-диапазоне 1-5 мкм, лазерной и сенсорной технике.

Изобретение относится к технологии получения селенида индия(III), широко используемого в микроэлектронике для получения детекторов ядерного излучения и при создании преобразователей солнечного излучения в качестве основы для такого материала, как диселенид меди(I) и индия CuInSe2.

Изобретение относится к коллоидной химии и нанотехнологии и может быть использовано в производстве люминесцентных материалов, сверхминиатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов, нелинейно-оптических устройств, фоточувствительных и фотогальванических устройств.

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe для изготовления на их основе фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.

Изобретение относится к производству термоэлектрических материалов на основе теллуридов висмута и сурьмы. Способ заключается в предварительной очистке исходных компонентов методом вакуумной дистилляции, синтезе исходных компонентов в вакуумированных ампулах при нагреве до плавления и охлаждении, выращивании кристаллов методом вертикальной зонной перекристаллизации с применением высокочастотного нагрева, при этом выращивание кристаллов осуществляют путем не менее двух проходов со скоростью не более 2,5-3 см/ч, высокочастотный нагрев ведут на частоте 1,76 МГц с градиентом температур 200 К/см, а после выращивания кристаллов осуществляют приготовление порошка с наноструктурой размером не более 200 нм, обеспечивающей анизотропию свойств каждой частицы, брикетирование, спекание, а затем горячую экструзию.

Изобретение относится к технологии получения порошкового материала, содержащего наночастицы полупроводникового соединения, и может быть использовано в оптоэлектронике и медицине.

Изобретение относится к нанотехнологиям полупроводников. .

Изобретение может быть использовано при создании тонкопленочных солнечных батарей. Для получения монозеренных кестеритных порошков используют прекурсорные смеси, состоящие из Cu2Se, CuSe, ZnS и SnSe2. Указанные халькогениды берут в требуемых количествах, растирают с CsI в агатовой ступке и запаивают в кварцевых ампулах в вакууме при мольном соотношении синтезируемого кестерита к CsI более чем 1:5. Ампулы выдерживают при 740-750°С в течение 100 ч, после чего вскрывают. Содержимое ампул промывают деионизированной водой для удаления CsI и высушивают под вакуумом. Выделяют монозеренную фракцию с использованием сит. Изобретение позволяет получить монозеренные кестеритные порошки состава Cu1,5Zn1,1Sn0,9Se2,9S1,1 для создания высокоэффективных экологически чистых солнечных батарей. 5 ил., 1 пр.

Наверх