Cu3SbS3和Cu3BiS3纳米材料的溶剂热制备与表征

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21世纪,人类社会面临的两大危机是能源和环境。为了能够实现长期稳定的可持续发展,开发环保、安全、廉价、可再生的新能源刻不容缓。太阳能无疑是最具潜力的新能源之一,因此,国内外学者对太阳能电池的研究从未停止过。CIS/CIGS系半导体材料一度被认为是除硅材料以外最佳的太阳能电池材料,但由于其成本高昂、制备技术复杂,一直未能实现产业化。Cu(Sb/Bi)S体系与CIS/CIGS系材料有着相似的结构和光电性能,成本却大大降低,也更为环保,近年来得到广泛关注。作为Cu(Sb/Bi)S体系的重要成员,Cu3SbS3和Cu3BiS3纳米材料制备和有关禁带宽度的研究还鲜有报道。本论文针对Cu3SbS3和Cu3BiS3纳米材料的制备开展研究工作,以CuCl2, SbCl3, Bi(NO3)3-5H2O和硫代乙醇酸为主要原料,利用简便的溶剂热法成功地得到了Cu3SbS3和Cu3BiS3纳米结构,并研究了各实验条件对产物结构、形貌和光学吸收带隙的影响。对Cu3SbS3纳米结构来说,随着反应时间由8h延长到24h,产物由Cu3SbS3和Cu2S两个物相转化为单一的Cu3SbS3物相,结晶性逐渐提高,颗粒由圆球形转化为规则菱形,粒径先增大后减小,禁带宽度在0.75到1.2eV之间呈先增大后减小的变化趋势。温度低于120℃时,主要得到二元物相,且结晶性较差,形貌杂乱无章;温度达到120℃及以上时,得到纯净的Cu3SbS3单一相,结晶性大大改善,呈规则的球形或菱形,产物禁带宽度也达到最佳太阳能吸收带隙值。产物对原料配比的小范围改变不太敏感。硫源和填充度的改变将直接导致产物的物相变化。Cu3BiS3纳米结构随实验条件改变所产生的变化与Cu3SbS3类似。随着反应时间的延长,产物由Cu2S转化为Cu3BiS3,形貌由球形逐渐转化为棒状,带隙无太大差异。随着反应温度的升高,产物由非晶态逐渐结晶出Bi2S3和Cu3BiS3,而后Cu3BiS3;慢慢转化为主要物相。这个过程中,带隙先减小后增大到1.1eV。随着Cu/Bi摩尔比的增大,产物由二元硫化物转化为三元的Cu3BiS3物相,当Cu/Bi摩尔比增大到5:1时,产物又转化为二元硫化物。
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