TWI386364B - Preparation of copper indium gallium - selenium nanoparticles - Google Patents

Description

銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法

本發明係有關一種銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法，尤其是使用鋯珠的濕式珠磨法。

奈米微粒一般係指小於100nm的微小顆粒，具有不同於一般尺寸之原材料的特殊物理化學特性，比如特殊的光學性質、熱學性質、磁學性質以及力學性質。

當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色，因而表現出特殊的光學性質。比如，原銀白色的鉑在奈米尺寸下會變成黑色的鉑黑，原為金黃色的金屬鉻在奈米尺寸下會變成黑色的鉻黑。事實上，所有的金屬在奈米微顆粒狀態都呈現為黑色，且尺寸越小，顏色越黑。因此，奈米微粒具有較低的反射率以及較高的吸光率。

在全球風行的節能減碳的綠能環保意識下，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池由於沒有如矽晶太陽電池過度依賴矽晶圓而發生原材料短缺的問題，同時沒有如染料敏化太陽能電池需要光敏化染料的高成本材料問題，此外，銅銦鎵硒太陽能電池的光電轉換效率可達20~30%，且軟性塑膠基板的光電轉換率也已達14%，所以是目前相當具有發展潛力的太陽能電池。

銅銦鎵硒太陽能電池一般包括當作P型層的吸收層以及當作n型層的硫化鋅層，其中吸收層為銅銦鎵二硒層，而吸收層的吸光效率直接影響銅銦鎵硒太陽能電池的光電轉換效率。

近年來已不斷有許多銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法被提出，用以製造高吸光率的吸收層，包括物理製備方法與化學製備方法，其中物理製備方法包括氣相冷凝法、機械球磨法、物理粉碎法、熱分解法、超臨界流體法，而化學製備方法包括化學氣相沈積法、溶膠凝膠法、微乳液法、聚合物接枝法、化學沈澱法、水熱合成法、電弧電漿法、聲化學方法。機械球磨法由於具較有佳的經濟效益，因此非常具有發展潛力，尤其是濕式球磨法，利用液體當作研磨球與被研磨材料之間的媒介物，用以提高研磨效率。

習用技術的缺點是，濕式球磨法屬於高能量、高精密性的奈米研磨裝置，受限於初始顆粒尺寸與個別研磨物特性的限制，無法一次精確控制銅銦鎵硒奈米顆粒的粒徑大小範圍與均勻性，也會消耗較多的能源。因此，需要一種具多階段研磨處理的方法，先對個別的材料進行個別研磨以產生特定尺寸的個別研磨物，並保持個別研磨物既有的物理特性與表面狀態，再將不同的個別研磨物進行混合與均質，接著利用二階段研磨逐步減少研磨球的大小，以縮小銅銦鎵硒奈米顆粒的粒徑大小至所需範圍，以解決上述習用技術的缺點。

本發明之主要目的在提供一種銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法，主要係利用濕式砂磨法，包括個別研磨處理、混合均質處理、初級研磨處理以及進階研磨處理，其中個別研磨處理將含有銅、銦、鎵及/或硒的個別顆粒或化合物顆粒研磨成500至600奈米的個別研磨物，混合均質處理將所有個別研磨物混合成混合均質物，初級研磨處理將混合均質物研磨成100至200奈米的初級研磨物，進階研磨處理將初級研磨物研磨成50奈米以下的進階研磨物，當作用以製作銅銦鎵硒太陽能電池的吸收層的銅銦鎵硒奈米顆粒。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

本發明的銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法主要利用濕式研磨法，以形成銅銦鎵硒奈米顆粒。參閱第一圖，本發明銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法的流程圖。如第一圖所示，本發明的銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法係由步驟S10開始，在步驟S10中進行個別研磨處理，利用研磨機，使用第一研磨媒介以及第一研磨溶劑，分別對複數個被研磨物進行研磨，研磨時間為4至6小時，形成複數個個別研磨物，其中第一研磨媒介可為鋯珠，當作研磨球，尤其是鋯珠為直徑1.0至2.0mm的球體，第一研磨溶劑可為水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一，而被研磨物包括含有銅、銦、鎵或/及硒的個別顆粒或化合物，比如硒化銅、硒化銦或硒化鎵。第一研磨媒介、第一研磨溶劑以及個被研磨物被安置在研磨機內，第一研磨媒介的容量為50至95%，個別研磨物的容量為5至80%。

研磨機的驅動裝置，一般為旋轉方式，帶動第一研磨媒介發生碰撞、旋轉或相對運動，產生高能量密度的碰撞力、磨擦力與剪切力，藉以將第一研磨媒介之間且包含於第一研磨溶劑的被研磨物研磨成顆粒大小為500至600奈米(nm)的較小顆粒。

接著進入步驟S20，進行混合均質處理。混合均質處理係利用均質機並使用混合均質溶劑包含黏結劑與介面活性劑，將上述的所有個別研磨物進行混合與均質，混合均質時間1至4小時，以形成混合均質物。均質機可為三維混合機，混合均質溶劑可為水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一。

接著進入步驟S30，在步驟S30中進行初級研磨處理。初級研磨處理利用上述的研磨機，以及使用第二研磨媒介、第二研磨溶劑加上分散劑，對混合均質物進行研磨，研磨時間為1至12小時，以形成顆粒大小為100至200nm的初級研磨物。第二研磨媒介可為直徑0.4至1.0mm的鋯珠，第二研磨溶劑可為水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一，分散劑區分為高分子分散劑以及非離子型分散劑，可為烷基苯磺酸鹽、硫酸鹽、磺化甘油磷酸酯、氨基酸鹽、磷類脂、牛磺酸鹽、磷酸鹽、烷基硫酸酯、脂肪酸、聚環氧乙烷(PEO)硫醇、山梨酸油、季銨的至少其中之一。第二研磨媒介的容量為50至95%，混合均質物的容量為5至80%。

接著進入步驟S40，在步驟S40中進行進階研磨處理。進階研磨處理係利用上述的研磨機，使用第三研磨媒介、第三研磨溶劑以及上述的分散劑，對初級研磨物進行進一步研磨，研磨時間為1至12小時，以形成顆粒大小為50nm以下的進階研磨物，該進階研磨物即為該銅銦鎵硒奈米顆粒。

第三研磨媒介可為直徑0.05至0.4mm的鋯珠，第三研磨溶劑可為水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一。第三研磨媒介的容量為50至95%，且初級研磨物的容量為5至80%。

上述研磨溶劑中的水可為純水、去離子水或其混合物，醇類可為甲醇、乙醇、乙二醇、正丙醇、異丙醇、丙二醇、丁醇或其混合物，酯類可為乙酯、乙酸乙烯酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸丙酯、乙酸戊酯、二氯乙酸甲酯、丁烯酸甲酯或其混合物，酮類可為丙酮、丁酮、環己酮、2-戊酮、3-戊酮或其混合物。

本發明銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法所產生的銅銦鎵硒奈米顆粒，可用以製作銅銦鎵硒太陽能電池的吸收層，以提高銅銦鎵硒太陽能電池的光電轉換效率，並降低製作成本。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

S10．．．個別研磨處理

S20．．．混合均質處理

S30．．．初級研磨處理

S40．．．進階研磨處理

第一圖為本發明銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法的流程圖。

S10．．．個別研磨處理

S20．．．混合均質處理

S30．．．初級研磨處理

S40．．．進階研磨處理

Claims (12)

1. 一種銅銦鎵硒奈米顆粒製作方法，用以形成銅銦鎵硒奈米顆粒，該方法包括：一個別研磨處理，利用一研磨機，並使用一第一研磨媒介以及一第一研磨溶劑，分別對複數個被研磨物進行研磨，形成複數個個別研磨物，該等被研磨物包括銅、銦、鎵或/及硒的個別顆粒或化合物，化合物包括硒化銅、硒化銦以及硒化鎵，且該等個別研磨物的顆粒大小為500至600奈米(nm)；一混合均質處理，利用一均質機，使用一混合均質溶劑包含黏結劑與介面活性劑，對該等個別研磨物進行混合與均質，以形成一混合均質物；一初級研磨處理，利用該研磨機，並使用一第二研磨媒介、一第二研磨溶劑以及一分散劑，對該混合均質物進行研磨，形成一初級研磨物，該初級研磨物的顆粒大小為100至200nm；以及一進階研磨處理，利用該研磨機，並使用一第三研磨媒介、一第三研磨溶劑以及該分散劑，對該初級研磨物進行研磨，形成一進階研磨物，該進階研磨物的顆粒大小為50nm以下，該進階研磨物為該銅銦鎵硒奈米顆粒。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該個別研磨處理的第一研磨媒介為直徑1.0至2.0mm的鋯珠，且具有50至95%的容量，該個別研磨處理的研磨時間為4至6小時。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該個別研磨處理的第一研磨溶劑包括水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該個別研磨處理的個別研磨物具有5至80%的容量。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該混合均質處理的混合均質溶劑包括水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一，該混合均質處理的混合均質時間1至4小時。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該初級研磨處理的第二研磨媒介為直徑0.4至1.0mm的鋯珠，且具有50至95%的容量，該個別研磨處理的研磨時間為1至12小時。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該初級研磨處理的混合均質物具有5至80%的容量。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該初級研磨處理的第二研磨溶劑包括水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該進階研磨處理的第三研磨媒介為直徑0.1至0.4mm的鋯珠，且具有50至95%的容量，該個別研磨處理的研磨時間為1至12小時。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該進階研磨處理的第三研磨溶劑包括水、醇類、酯類以及酮類的至少其中之一。
11. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該進階研磨處理的初級研磨物具有5至80%的容量。
12. 依據申請專利範圍第1項所述之方法，其中該分散劑區分為高分子分散劑以及非離子型分散劑，係為烷基苯磺酸鹽、硫酸鹽、磺化甘油磷酸酯、氨基酸鹽、磷類脂、牛磺酸鹽、磷酸鹽、烷基硫酸酯、脂肪酸、聚環氧乙烷(PEO)硫醇、山梨酸油、季銨的至少其中之一。