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：隨著社會的發展，能源問題愈發嚴峻，CuSbS2作為一種具有高吸光系數、理想光學帶隙和性質穩定的光電材料，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構CuSbS2，為四方棒狀結構，其帶隙為1.37eV。

關鍵詞：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，隨著商品經濟社會的發展，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光吸收系數較大（>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，所得到的CuSbS2晶體形貌為四方狀結構且穩定，是正交晶相，幾乎無雜相。在120℃溶液（V乙二胺：V水=4：1）內反應12h所制得的CuSbS2晶體結晶性最好，理論光電轉換效率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）分析樣品的物相結構。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 結果與討論

3.1 物相結構

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CuSbS2的衍射峰，對應于正交晶系硫銅銻礦結構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，出現了不規則狀的顆粒和少量的小四方棒狀顆粒以及小顆粒物質附在顆粒表面。當反應時間為32h時，出現了四方棒狀顆粒，但是表面有許多的小顆粒狀物質。

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 結論

通過水熱合成法制備正交晶系硫銅銻礦結構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。