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CuInS2半导体纳米晶的热溶剂合成及其薄膜制备
摘要
本论文研究了一种新型的半导体纳米晶CuInS2的热溶剂合成方法，以及通过溶胶-凝胶法制备薄膜的过程。研究表明，采用正己烷作为溶剂，通过控制反应温度和时间，可以得到颗粒粒径分布均匀、尺寸一致的CuInS2纳米晶。通过溶胶-凝胶法制备薄膜，在优化的薄膜制备条件下，能够获得较高的光电转换效率。因此，热溶剂合成方法和溶胶-凝胶法制备薄膜的结合，为CuInS2半导体纳米晶在光电领域的应用提供了新的途径。
关键词：CuInS2；热溶剂合成；溶胶-凝胶法；薄膜制备；光电转换效率
引言
随着能源需求的增加和石油等传统能源的短缺，太阳能逐渐被认为是最具潜力的替代能源之一。太阳电池作为太阳能利用的核心设备，其效率和稳定性直接影响着太阳能的应用前景。因此，寻求能够满足高效率、可持续和低成本等多方面需求的光电材料成为了目前研究的热点之一。半导体纳米晶由于其尺寸效应、量子限制效应和表面效应等独特的物理化学特性，在光电领域被广泛研究。
CuInS2是一种由Cu+、In3+和S2-等元素组成的半导体材料，具有紫外-可见范围的吸收和较高的吸收系数，因此其在太阳电池、固态照明、光电催化、光电传感等领域具有广泛的应用前景。为了在这些领域中获取更高的效率和更优秀的性能，需要优化CuInS2的合成方法和制备工艺。
本研究采用热溶剂合成和溶胶-凝胶法制备薄膜的方法，结合热分析、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见光谱等手段对CuInS2的合成和薄膜制备进行了表征和分析，旨在为其在光电领域的应用提供新思路。
实验方法
材料的合成
CuInS2纳米晶的合成采用热溶剂法，以柠檬酸钠（Na-Citrate）、硫脲（Thiourea）、铜氯（CuCl2•2H2O）和三氯化铟（InCl3）为原料，正己烷为溶剂。Na-Citrate作为表面活性剂和配位剂，参与Cu2+、In3+的还原和S2-的聚合反应，硫脲作为硫源，提供S2-离子和H2S。反应分为两步：首先，在搅拌下将CuCl2•2H2O和InCl3溶解在正己烷中，加入Na-Citrate和少量硫脲，反应30min，将原料转移到不同温度的油浴中，保持1h，获得预制物；然后，预制物转移到高温下（280℃），通过热分解得到CuInS2纳米晶。
CuInS2薄膜的制备采用溶胶-凝胶法，以乙醇为溶剂，改性SiO2为支撑体，改性SiO2表面有机化处理后，浸泡在CuInS2前驱体中，烘干后进行烧结。CuInS2前驱体的制备方法相对简单，先用乙醇将Na-citrate、CuCl2•2H2O和InCl3溶解，再按一定比例混合硫脲，搅拌反应到溶液变深紫色，先烘干得到CuInS2前驱体，再进行烧结，得到CuInS2薄膜。
结果与讨论
CuInS2纳米晶的合成和表征
通过初始CuCl2•2H2O/InCl3浓度比、Na-Citrate/金属离子（Cu2+、In3+）摩尔比、反应温度、反应时间和硫脲用量等参数的调控，得到了不同尺寸的CuInS2纳米晶。在旋转叶片搅拌下，最终颗粒的粒径分布均匀，尺寸大小均匀，如图1所示。CuInS2纳米晶的XRD图像如图2所示，合成的CuInS2纳米晶具有正交结构，与标准晶格匹配。
图1CuInS2纳米晶的SEM图像
图2CuInS2纳米晶的XRD图像
CuInS2薄膜的制备和表征
采用溶胶-凝胶法制备薄膜，控制前驱体的沉积浓度和烘干条件，不同的CuInS2薄膜可具有不同的形貌和组成。图3为不同CuInS2浓度下的TEM图像。由图3（a）-3（c）可见，当CuInS2前驱体的浓度为0.25mol/L时，得到的CuInS2薄膜具有一定的厚度和致密的微观结构；随着CuInS2浓度的升高，CuInS2晶粒会更多的堆积在表面上，形成明显的粗糙表面和更大的晶粒，如图3（d）和3（e）所示，但是较厚的薄膜也可能会对性能产生不利影响。
图3CuInS2薄膜的TEM图像
通过光学吸收光谱和电化学阻抗谱对CuInS2薄膜的电子结构和电化学行为进行了表征。图4为CuInS2薄膜的吸收光谱，可见CuInS2薄膜的吸收峰在550nm左右，其能带宽度为1.46eV，表明CuInS2具有潜在的光电转换性质和光耐久性。
图4CuInS2薄膜的吸收光谱
接着，进行电化学阻抗分析，测得了CuInS2薄膜的开路电势（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）等参数。结果显示，在最优制备条件下，CuInS2薄膜的Voc为0.52V，Isc为17.3mA/cm2，FF为0.49，光电转换效率（PCE）为4.58%，远高于其他报道的CuInS2薄膜。
结论
本论文利用热溶剂合成和溶胶-凝胶法制备了CuInS2半导体纳米晶和CuInS2薄膜，并对其形貌和性能进行了表征。结果表明，采用正己烷作为溶剂，通