Cu3SbS3和Cu3BiS3纳米材料的溶剂热制备与表征

摘要

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24 h，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1.2 eV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CusBiS3，而后CusBiS3慢慢转化为主要物相。这个过程中，带隙先减小后增大到1.1 eV。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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池

1．1．1 硅基太阳能电池

1．1．2 化合物太阳能电池

1．2 Cu(Sb／Bi)S系太阳能电池材料

1．2．1 Cu(Sb／Bi)S系太阳能电池材料简介

1．2．2 Cu(Sb／Bi)S系太阳能电池材料研究现状

1．3 Cu(Sb／Bi)S系材料制备方法

1．3．1 真空蒸镀法

1．3．2 溅射法

1．3．3 前驱体硫化法

1．4 水热／溶剂热技术

1．4．1 水热／溶剂热概述

1．4．2 水热／溶剂热法优点

1．4．3 水热／溶剂热反应影响因素

1．5 禁带宽度

1．5．1 禁带宽度概述

1．5．2 禁带宽度的调控

1．6 本课题研究背景和内容

1．6．1 研究背景

1．6．2 研究内容

第二章 Cu3SbS3纳米材料的溶剂热合成

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器设备

2．2．2 实验步骤

2．2．3 实验流程图

2．2．4 分析测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应时间

2．3．2 反应温度

2．3．3 原料Cu／Sb摩尔比

2．3．4 硫源的影响

2．3．5 填充度

2．4 本章小结

第三章 Cu3BiS3纳米结构的溶剂热合成

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器设备

3．2．2 实验步骤

3．2．3 产物的分析与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应时间

3．3．2 温度

3．3．3 Cu／Bi摩尔比

3．4 Cu3BiS3纳米材料形成机理分析

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢