CuSbS₂納米顆粒的水熱合成法制備

支國偉　史翠花　楊露　劉季錦花

摘 要：隨著社會的發(fā)展，能源問題愈發(fā)嚴峻，CuSbS2作為一種具有高吸光系數(shù)、理想光學帶隙和性質(zhì)穩(wěn)定的光電材料，在薄膜太陽能電池和光催化方面有廣闊的應用前景。本論文采用水熱合成法制備CuSbS2納米顆粒，研究不同反應時間對CuSbS2性能的影響。研究結(jié)果表明，當反應時間為32h時所得到的納米顆粒為正交晶系硫銅銻礦結(jié)構(gòu)CuSbS2，為四方棒狀結(jié)構(gòu)，其帶隙為1.37eV。

關(guān)鍵詞：水熱合成法;CuSbS2納米顆粒;反應時間

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.121

1 引言

二十一世紀以來，隨著商品經(jīng)濟社會的發(fā)展，能源問題日益凸顯，可再生且分布廣泛的太陽能成為新能源使用的首選。通過太陽能電池和光催化劑可以良好的利用太陽能。其中，CuSbS2納米顆粒其帶隙約為1.5eV，同時在可見光范圍內(nèi)光吸收系數(shù)較大（>104cm-1）[1]，在太陽能電池和光催化劑中有良好的應用，成為了近年來研究的新寵。

目前，CuSbS2薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達到了3.1%[2]。Pal M等人通過加入乙二胺溶劑與水進行混合作為反應介質(zhì)，所得到的CuSbS2晶體形貌為四方狀結(jié)構(gòu)且穩(wěn)定，是正交晶相，幾乎無雜相。在120℃溶液（V乙二胺：V水=4：1）內(nèi)反應12h所制得的CuSbS2晶體結(jié)晶性最好，理論光電轉(zhuǎn)換效率23%。本文采用水熱合成法制備CuSbS2納米顆粒。

2 實驗

2.1 CuSbS2納米顆粒的制備

以硝酸銅、氯化銻、硫脲分別作為銅源、銻源以及硫源，配制前驅(qū)體溶液。置于水熱反應釜中，在鼓風干燥箱中加熱至180℃，反應20-32h，制備出納米顆粒。

2.2 性能及表征

使用X-射線衍射儀（XRD）分析樣品的物相結(jié)構(gòu)。采用掃描電鏡（SEM）分析所制備薄膜的表面形貌。使用紫外-可見分光光度計（UV-vis）測試納米顆粒的光學性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相結(jié)構(gòu)

圖1為不同反應溫度的CuSbS2納米顆粒的XRD圖譜。從圖1中可以看出，在反應時間為20h～32h均有CuSbS2納米顆粒的衍射峰，在2θ=28.43°、28.73°、34.30°出現(xiàn)CuSbS2的衍射峰，對應于正交晶系硫銅銻礦結(jié)構(gòu)CuSbS2（JCPDS44-1417）的（111）、（410）、（501）晶面，同時存在大量的Sb2S3雜相，但是，隨著反應時間的增加，Sb2S3雜相衍射峰減弱，雜相減少。

3.2 微觀形貌

圖2是不同反應時間CuSbS2的SEM照片。從圖2（a）可以看出反應時間為20h時，納米顆粒為長片狀顆粒，同時表面有許多小顆粒。當反應時間為24h時，出現(xiàn)了一個長四方棒狀顆粒，表面也有較多的小顆粒。當反應時間為28h時，出現(xiàn)了不規(guī)則狀的顆粒和少量的小四方棒狀顆粒以及小顆粒物質(zhì)附在顆粒表面。當反應時間為32h時，出現(xiàn)了四方棒狀顆粒，但是表面有許多的小顆粒狀物質(zhì)。

3.3 光學性能分析

圖3（a）是CuSbS2納米顆粒的吸收光譜。反應時間為20h的CuSbS2納米顆粒在波長為900nm出吸光度上升，隨著反應時間的增加，CuSbS2納米顆粒在波長為900nm處吸光度迅速下降。圖3（b）是CuSbS2納米顆粒的光學帶隙圖，可以算出反應時間為20h、24h、28h、32h的光學帶隙分別為1.31eV、1.33eV、1.34eV、1.37eV，這與文獻中報道的1.5eV相差很大，說明存在雜相。帶隙的變大，也說明了隨著反應時間的增加，CuSbS2納米顆粒中的雜相減少。

4 結(jié)論

通過水熱合成法制備正交晶系硫銅銻礦結(jié)構(gòu)CuSbS2納米顆粒，隨著反應時間的增加，顆粒中的雜相減少，形貌隨反應時間而有了很大變化。其中反應時間為32h的CuSbS2納米顆粒雜相最少，光學帶隙為1.37eV。

參考文獻：

[1]舒博.CuSbS2晶制備及其光電性能研究[D].上海：上海師范大學，2016.

[2]Choi Y C，Yeom E J，Ahn T K，et al.CuSbS2-sensitized inorganic-organic heterojunction solar cells fabricated using a metal-thiourea complex solution[J].Angewandte Chemie，2015，127（13）：4077-4081.

[3]Pal M，Luna Y T，González R S，et al.Phase controlled synthesis of CuSbS2 nanostructures： Effect of reaction conditions on phase purity and morphology[J].Materials & Design，2017，136（15）：165-173.

基金項目：感謝江蘇省大學生創(chuàng)新訓練重點項目（201813573014Z）支持本論文的研究。

作者簡介：支國偉（1998-），男，山西大同人，本科在讀，主要從事薄膜太陽能電池的研究。