单分散Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的热注入合成：可调节组分和光学性能外文翻译资料

 2022-03-11 10:03

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

单分散Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的热注入合成：可调节组分和光学性能

Keng-Liang Ou,Jian-Cin Fan, Jem-Kun Chen,Chih-Ching Huang, Liang-Yih Chen,Jinn-Hsuan Ho and Jia-Yaw Chang

在本研究中，我们通过“热注入”方法成功合成了具有可调节带隙的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体。我们在油胺中溶解金属硬脂酸盐作为阴离子前体，在给定的反应温度下注入到1-十八碳烯（ODE）的热溶液中。ODE是一种低成本，低危害和在空气中稳定存在的液体，此处用来当作溶剂。油胺作为激活前体的试剂和纳米晶体的封端剂。我们可以在0至1的x范围内调整S/Se的反应物比例从而改变该Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的组成。我们得出晶格参数（a和c），随着Se含量的增加，呈线性减少的结论。这一趋势与维加德定律一致，这证明我们形成均匀的Cu2ZnSn（Sx Se1-x）4纳米晶体。通过拉曼光谱观察到的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶的A1对称模式随着x（S含量）降低而降低，并且当x = 0时完全消失。Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶的吸收光谱表明，纳米晶可以通过降低S含量在1.0-1.5 eV范围内调整带隙。弯曲参数相对小的值表明合成的Cu2 ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体具有良好的可混合性。

1.介绍

为未来几代的太阳能电池寻找新材料是发展经济上可持续的清洁能源技术的基础。铜基以及铜一族的三元和四元半导体，由于它们的高吸收率系数，最佳带隙能量，良好的光稳定性和表现出高光伏效率而特别有前景。黄铜矿型如Cu（In，Ga）S2和Cu（In，Ga）Se2等半导体具有对光伏应用有益且很高的特性，但是因为In和Ga的资源短缺，他们的成本效益高，大规模生产无法实现。最近，硫族化合物Cu2ZnSnX4（X=S或Se）在高效照明中吸引了很多关注，因为它们的吸收系数很高（gt;10-4cm-1）和直接带隙（对于Cu2ZnSnSe4，Eg=1.0eV.对于Cu2ZnSnS4，Eg=1.50eV）。另外，它们的部分组成元素表现出低毒性，天然丰富，并且是相对便宜的。Cu2ZnSnX4的晶体结构（X=S或Se）与黄铜矿结构相似，说明它的晶胞可以通过用锌原子取代一半铟原子， 另一半为锡原子从黄铜矿结构中获得。在制备Cu2ZnSnX4（X=S或Se）基太阳能电池上的应用已经有重大进展报道，使用各种方法提高其效率，包括各种真空和非真空工艺。特别是非真空的处理方法和解决方案，因为它们既简单又低成本，以实现设备生产的可能性。最大限度地提高电源转换效率，带隙控制采光材料能匹配太阳能照射的范围，以确保有效的采光，这种太阳能电池至关重要。例如，一个单结太阳能电池需要1.3eV的带隙而双结架构可能需要1.9和1.0eV的最佳带隙（分别用于两种类型的捕光材料）。 通常，胶体半导体纳米晶体通过尺寸依赖量子限制效应来调节单个纳米晶体的光学性质。与纯四元体系（Cu2ZnSnS4或Cu2ZnSnSe4）的尺寸依赖特性形成对比，Cu2ZnSn（SxSe1-x）4五元纳米材料通过改变其组分化学计量比以及它们的内部结构使在恒定的尺寸下调整这些材料的带隙成为可能。带隙调节似乎有利于获得良好光伏性能。例如，Cu2ZnSn（SxSe1-x）4可以用非真空和肼基沉积工艺实现10.1％的功率转换效率。已经报道了一些成功用于制备 Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4纳米晶体的方法，包括“热注入”方法和“加热”方法，溶剂热法，和连续流处理。据我们所知，具有精细控制组成和尺寸分布的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体已经进行，但是很少有高质量的成果。这个可能是由于与二元和三元纳米晶体相比，很难确定它们的反应前体，我们认为应该与其他体系兼容前体。而且，增长的必要条件是一个组成部分不应妨碍其他反应物的组成部分。通常，S和Se前体之间的不同反应性使其难以生成具有均匀结构的所需纳米晶体。Riha等人最近有篇报道，他们使用可调组分配位溶剂三正辛基膦氧化物合成了 Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体。但是，众所周知，膦溶剂是危险的，不稳定的， 而且很贵。 为了环境，越来越多的研究人员正在整合绿色化学原理到自己的合成方法中，绿色化学原理不仅指最终产品更绿色，而且也是在制造中尽量减少有害原材料的数量。在此，我们报告了一种简便，绿色且便宜的合成五元Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体方法。我们的方法涉及将混合金属硬脂酸盐前体注入含有油胺和阴离子源的溶剂（ODE），这是低成本，低风险，以及更为稳定的。该 Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的组成可以通过调节x在在0到1之间的S/Se比值进行反应物比例调节。所制备的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体在晶格参数和带隙方面具有良好性能。

  1. 实验部分

2.1 物料 硬脂酸锌（90％）购自JT Baker。 ODE（90％） 购自SigmaAldrich。硬脂酸铜（99％）购自Chem Service。硬脂酸锡（98％）和油胺 （80-90％）购自AcrosOrganics。硫脲（99％） 和硒（99％）购自Alfa-Aesar。所有有机溶剂购自EM Sciences。所有的化学物质不经进一步纯化直接使用。

2.2 Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶的合成

阳离子前体的注射溶液：硬脂酸铜（0.2mmol），硬脂酸锡（0.1mmol）和硬脂酸锌（0.1mmol）在2mL油胺溶液中混合1小时。将硫脲（1mmol）和油胺（0.45mmol）混合在具有希莱克线的50mL三颈烧瓶中，添加5mL ODE。不同的硫脲与硒摩尔比（1：0至0：1），保持总摩尔量为1mmol。用于制备Cu 2ZnSn（SXSE1-X）4纳米晶体的x值有1，0.7，0.5，0.3和0。将混合物脱气，真空，用氩气吹扫三次，并加热至250℃持续1小时。随后将所得溶液加热至270℃。在此温度下，阳离子前体的溶液在磁力搅拌下快速注入反应容器中，并且溶液的颜色立即改变为黄色至深棕色，表明成核，随后生长的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米结构产生。1小时后，将混合物冷却至室温，通过加入5mL氯仿使纳米颗粒沉淀，然后以6000转/分离心5分钟。弃去沉淀物并萃取未反应物，向上清液中加入5mL甲醇，材料沉积在溶液的底部。这个过程重复两次。随后，加入乙醇，然后将提取的溶液和混合物离心（6000rpm）20分钟。在此之后，上清液除去。剩下的有机溶剂沉淀分散在其中。

2.3 器材

低倍透射电子显微镜（TEM）：图像记录在Hitachi H7100电子显微镜上，在100千伏下运行。高分辨率的TEM图像纳米晶体通过Tecnai G2 F20显微镜（荷兰飞利浦）飞利浦场发射TEM进行检测 。 使用SPM- 9600扫描探针显微镜（岛津公司）原子显微镜（AFM）在室温下观察。紫外可见吸收光谱测量与 JASCO V-670光谱仪。 X射线衍射（XRD） 使用Rigaku 18 kW旋转进行测量。阳极源X射线衍射仪与CuKa1线（l=11.54AA）。动态激光散射（DLS）测量 使用Malvern Nano-ZS 90进行。拉曼光谱纳米晶体使用微拉曼系统（Uni- RAM系统）和一个二极管激光器，激发波长为300nm 532nm; 微拉曼系统和二极管激光器 由Protrustech Corp. Ltd.整合。X射线光电子特性 - troscopy（XPS）通过使用VG ESCA科学进行 theta探头光谱仪在恒定分析仪能量模式下使用 28eV的通过能量和Al Ka（1486.6eV）辐射 激发源。

  1. 结果与讨论 在我们的合成方法中，Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体是通过改进的“热注射”方案合成，我们在该方案中，在给定的反应温度下将溶解在油胺中的金属硬脂酸盐注入ODE中的阴离子前体热溶液中。在五元系统中，反应涉及五个要素。因此，试剂的反应活性应该考虑五个相关元素。如果反应活动的阴离子和阳离子前体彼此不同，额定核将生成并成长为异质结构或甚至两种化合物。因此，硫脲和元素硒被用作阴离子源并选择金属硬脂酸盐作为阳离子来源。ODE是一种低成本，低风险，在室温下稳定的液体，并在约320℃沸腾，是用作我们溶解硫脲和硒元素的溶剂。油胺被选为激活纳米颗粒的前体和封端剂两种试剂。在典型的反应中，溶液的颜色会改变，混合后立即由浅黄色变为深棕色。金属硬脂酸盐于270℃注入，成核并随后生长Cu2ZnSn（Sx Se1-x）4纳米结构。

图1 a为x = 0，c为x = 1的Cu2ZnSn（S1-xSex）4纳

米晶的代表性TEM图像。右下角插图为高分辨率TEM图像。

b，d为二维和三维地形图的渲染，上半部分为纳米晶的AFM图像，

下半部分为在x = 1和0处的纳米颗粒的高度。

图2 Cu2ZnSn（S1-xSex）4纳米晶体的代表性TEM图像，a为x = 0.7，

b为x = 0.5，c为x = 0.3。插图显示高分辨率TEM图像。

图3 a为锌黄铁矿型（空间群I4）Cu2ZnSnS4的晶体结构

，b为亚锡酸盐型（空间群I42m）Cu2ZnSnSe4的晶体结构。

图4 a为x=1，0.7，0.5,0.3，0时的Cu2ZnSn（S1-xSex）4纳米晶体

的X射线衍射图，b为晶格参数a，c为晶格参数c的Cu2ZnSn（SxSe1-x）

4纳米晶体作为x的函数。

图5 Cu2ZnSn（SxSe1 x）4中x = 1，0.7，0.5，0.3

和0的纳米晶体室温拉曼光谱。

图6 a为x = 1，0.7,0.5,0.3和0的纳米晶体光谱的外推以识别带

的边缘，b为Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的光学带隙作为x的函数。

图7 x = 0.7的Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的XPS谱图。

图8 a为Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体x=1的流体力学直径，b

为Cu2ZnSn（SxSe1-x）4纳米晶体的水力直径的分散情况。

进行TEM以监测Cu2ZnSn

全文共9224字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[16686]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章