CuSbS₂纳米颗粒的水热合成法制备

支国伟　史翠花　杨露　刘季锦花

摘 要：随着社会的发展，能源问题愈发严峻，CuSbS2作为一种具有高吸光系数、理想光学带隙和性质稳定的光电材料，在薄膜太阳能电池和光催化方面有广阔的应用前景。本论文采用水热合成法制备CuSbS2纳米颗粒，研究不同反应时间对CuSbS2性能的影响。研究结果表明，当反应时间为32h时所得到的纳米颗粒为正交晶系硫铜锑矿结构CuSbS2，为四方棒状结构，其带隙为1.37eV。

关键词：水热合成法;CuSbS2纳米颗粒;反应时间

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

1 引言

二十一世纪以来，随着商品经济社会的发展，能源问题日益凸显，可再生且分布广泛的太阳能成为新能源使用的首选。通过太阳能电池和光催化剂可以良好的利用太阳能。其中，CuSbS2纳米颗粒其带隙约为1.5eV，同时在可见光范围内光吸收系数较大（>104cm-1）[1]，在太阳能电池和光催化剂中有良好的应用，成为了近年来研究的新宠。

目前，CuSbS2薄膜太阳电池的光电转换效率已达到了3.1%[2]。Pal M等人通过加入乙二胺溶剂与水进行混合作为反应介质，所得到的CuSbS2晶体形貌为四方状结构且稳定，是正交晶相，几乎无杂相。在120℃溶液（V乙二胺：V水=4：1）内反应12h所制得的CuSbS2晶体结晶性最好，理论光电转换效率23%。本文采用水热合成法制备CuSbS2纳米颗粒。

2 实验

2.1 CuSbS2纳米颗粒的制备

以硝酸铜、氯化锑、硫脲分别作为铜源、锑源以及硫源，配制前驱体溶液。置于水热反应釜中，在鼓风干燥箱中加热至180℃，反应20-32h，制备出纳米颗粒。

2.2 性能及表征

使用X-射线衍射仪（XRD）分析样品的物相结构。采用扫描电镜（SEM）分析所制备薄膜的表面形貌。使用紫外-可见分光光度计（UV-vis）测试纳米颗粒的光学性能。

3 结果与讨论

3.1 物相结构

图1为不同反应温度的CuSbS2纳米颗粒的XRD图谱。从图1中可以看出，在反应时间为20h～32h均有CuSbS2纳米颗粒的衍射峰，在2θ=28.43°、28.73°、34.30°出现CuSbS2的衍射峰，对应于正交晶系硫铜锑矿结构CuSbS2（JCPDS44-1417）的（111）、（410）、（501）晶面，同时存在大量的Sb2S3杂相，但是，随着反应时间的增加，Sb2S3杂相衍射峰减弱，杂相减少。

3.2 微观形貌

图2是不同反应时间CuSbS2的SEM照片。从图2（a）可以看出反应时间为20h时，纳米颗粒为长片状颗粒，同时表面有许多小颗粒。当反应时间为24h时，出现了一个长四方棒状颗粒，表面也有较多的小颗粒。当反应时间为28h时，出现了不规则状的颗粒和少量的小四方棒狀颗粒以及小颗粒物质附在颗粒表面。当反应时间为32h时，出现了四方棒状颗粒，但是表面有许多的小颗粒状物质。

3.3 光学性能分析

图3（a）是CuSbS2纳米颗粒的吸收光谱。反应时间为20h的CuSbS2纳米颗粒在波长为900nm出吸光度上升，随着反应时间的增加，CuSbS2纳米颗粒在波长为900nm处吸光度迅速下降。图3（b）是CuSbS2纳米颗粒的光学带隙图，可以算出反应时间为20h、24h、28h、32h的光学带隙分别为1.31eV、1.33eV、1.34eV、1.37eV，这与文献中报道的1.5eV相差很大，说明存在杂相。带隙的变大，也说明了随着反应时间的增加，CuSbS2纳米颗粒中的杂相减少。

4 结论

通过水热合成法制备正交晶系硫铜锑矿结构CuSbS2纳米颗粒，随着反应时间的增加，颗粒中的杂相减少，形貌随反应时间而有了很大变化。其中反应时间为32h的CuSbS2纳米颗粒杂相最少，光学带隙为1.37eV。

参考文献：

[1]舒博.CuSbS2晶制备及其光电性能研究[D].上海：上海师范大学，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.

基金项目：感谢江苏省大学生创新训练重点项目（201813573014Z）支持本论文的研究。

作者简介：支国伟（1998-），男，山西大同人，本科在读，主要从事薄膜太阳能电池的研究。