低エネルギーコスト・低資源ロスＣＺＴＳナノ粒子水溶液中合成法の開発

开发一种低能源成本、低资源损失的水溶液中合成CZTS纳米粒子的方法

基本信息

批准号：
15J02962
负责人：
馬渕隆
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J02962/
关键词：
CZTS 多元系硫化物水溶液中合成太陽電池材料ナノ粒子

项目摘要

本研究では、各金属イオンへ最適な錯化剤を配位させ硫化速度を制御することによるCu2ZnSnS4複合硫化物の合成、及び合成したCu2ZnSnS4粒子を用いた塗布型Cu2ZnSnS4太陽電池の作製・評価を目的として研究を行った。前年度までに、Sn2+イオンの水溶液中での硫化反応について解析、最適な条件の探索を行った。その結果、pH5というこれまでにない高pHな条件で斜方晶単相のSnS粒子を水溶液中合成することに成功した。また、Cu2+、Sn2+について、各種錯化剤の配位状態の計算予測、硫化反応時のギブス自由エネルギー変化の値の算出を行い、硫化反応速度が同等となると予測された条件の下で粒子合成を行った。その結果、Cu2SnS3粒子の合成に成功し、水溶液中での多元系硫化物合成手法の開発に成功した。本年度は、上記のCu2SnS3粒子の合成条件にZn2+錯体を加え、Cu2ZnSnS4粒子を合成する手法の開発を試みた。その結果、選択可能な錯化剤の制約からZn2+錯体の硫化反応速度を他の金属種と近接させることは困難であり、CZTS単相の粒子ではなくZnSやCu2SnS3相を含む粒子が合成された。そこで、本粒子を前駆体として用い、Zn、Cu投入量、及び熱処理雰囲気、熱処理温度を最適化することで、水溶液中合成したCZTS前駆体粒子の熱処理によるCZTS粒子合成技術の開発に成功した。更に、合成した粒子を塗布、焼結することでCu2ZnSnS4薄膜を作製し、Eu2+/Eu3+を酸化還元対として用いた光電気化学セルへと応用することで、塗布型Cu2ZnSnS4太陽電池の作製・評価に成功した。

本研究的目的是通过将最佳络合剂与每种金属离子配位并控制硫化速率来合成Cu2ZnSnS4复合硫化物，并使用合成的Cu2ZnSnS4颗粒制造和评估涂层Cu2ZnSnS4太阳能电池。到前一年，我们已经分析了Sn2+离子在水溶液中的硫化反应并寻找最佳条件。结果，他们在前所未有的高pH值5的水溶液中成功合成了斜方单相SnS颗粒。另外，对于Cu2+和Sn2+，我们计算了各种络合剂的配位状态，计算了硫化反应过程中吉布斯自由能的变化值，并在预测硫化反应速率相同的条件下合成了颗粒。。结果，我们成功合成了 Cu2SnS3 颗粒，并开发了一种在水溶液中合成多组分硫化物的方法。今年，我们尝试开发一种在上述Cu2SnS3颗粒的合成条件下添加Zn2+络合物来合成Cu2ZnSnS4颗粒的方法。结果，由于可选络合剂的限制，很难使Zn2+络合物的硫化反应速率与其他金属物种相似，因此合成了含有ZnS和Cu2SnS3相的颗粒而不是单相CZTS颗粒。。因此，通过使用该颗粒作为前体并优化Zn和Cu的输入量、热处理气氛和热处理温度，我们成功地开发了通过对在水溶液中合成的CZTS前体颗粒进行热处理的CZTS颗粒合成技术。此外，我们通过涂覆和烧结合成的颗粒制备了Cu2ZnSnS4薄膜，并将其应用于使用Eu2+/Eu3+作为氧化还原电对的光电化学电池，从而成功地制备和评估了涂覆的Cu2ZnSnS4太阳能电池。