新型亚稳相多元铜基硫簇化合物的液相生长及调控研究

Cupper-based chalcogenide nanomaterials have the advantages of high absorption efficiency, proper band gap, and non-toxic composition. However, the controlled synthesis of metastable wurtzite structure has been an important and difficult project. This proposal is based on the research of cupper-based chalcogenide nanomaterials composed of low-cost and earth-abundant elements Cu2(MII)(MIV)(S,Se)4 (CMTS, MII=Mn, Fe, Co, Ni, Zn; MIV= Ge and Sn). Liquid phase synthesis route will be developed for the investigation of nucleation, growth and formation mechanism. Through the control of nucleation and growth process, the influence of reaction temperature, solvent, and precursor will be investigated for the crystal structure, morphology and crystal size. Based on the research, the formation mechanism of metastable structure of CMTS will be proposed, and the regulation of growth of wurtzite CMTS with high crystals and quantum dots will be investigated. Thin films composed of as-prepared nanocrystals will be obtained for the investigation of the relations between the microstructure and the optical and electrical properties. Finally, the relationship of microstructure-band gap-carrier transportation will be proposed, which will supply new research approach on design of solar cell materials with high absorption and transformation efficiency.

铜基硫簇化合物具有高光吸收系数、合适的禁带宽度、元素组份无毒等优点，其亚稳相材料的可控制备技术及形貌调控规律是该领域亟需解决的关键问题。本项目以廉价地球丰度元素为组成的铜基多元硫(硒)化物Cu2(MII)(MIV)(S,Se)4 (CMTS，MII=Mn,Fe,Co,Ni,Zn; MIV=Ge and Sn)为研究对象，拟采用液相化学合成技术，系统研究CMTS材料的液相生长调控机制及性能。从控制晶体成核及生长过程，系统研究反应温度、溶剂、前驱体种类等对CMTS纳米材料晶体结构、形貌、粒径等的影响因素，揭示亚稳相CMTS纳米材料的生长机理，探讨具有高晶面指数纳米材料以及量子点的调控规律。设计制备纳米晶膜，深入研究CMTS的微结构参数对材料载流子传输性质、光性质及电性质的影响规律，揭示材料“微结构-能带结构-载流子传输”之间的关系，为设计具有高效光吸收和转化的太阳能电池材料提供新的研究思路。

设计电子传输性能优异的半导体纳米材料，建立材料的可控制备技术，是量子点太阳能电池领域亟需解决的关键科学问题。铜基硫簇化合物具有高光吸收系数、合适的禁带宽度、元素组份无毒等优点，其亚稳相材料的可控制备技术及形貌调控规律是该领域亟需解决的关键问题。本项目针对纤锌矿结构统计硫化物材料稳定时间短、相变反应快的难题，以地球丰度元素组成的多元铜基硫(硒)化物纳米材料Cu2(MII)(MIV)(S,Se)4 (缩写CMTS，MII=Mn, Fe, Co, Ni, Zn; MIV= Ge and Sn)为研究对象，采用液相化学合成技术，系统研究了纳米粒子成核和生长的热力学和动力学过程，揭示了纳米粒子微结构调控的关键因素和控制参数，掌握了亚稳相CMTS材料制备的关键技术；通过改变表面活性剂种类、反应温度、反应时间等关键因素在纳米-微米尺度对材料晶体结构、形貌、尺寸等微结构进行调控，并对其作用机制进行研究，实现了对CMTS的形貌和粒径的精确调控，制备所选体系的平均粒径在20 nm 以下，分散性良好；制备了具有高晶面指数CZTS纳米晶，建立了材料的可控制备技术，并将研究方法成功拓展到了相关的硫化物纳米材料体系，如PbS、FeS2等；研究制备了高质量CZTS纳米晶膜，对CZTS纳米材料进行基团交换并测试交换前后的光电性能，发现基团交换处理能够大幅提高了纳米片的光电性能。同时我们比较了不同形貌CZTS以及贵金属Pt的光电催化性能，揭示了不同形貌对载流子传输的影响。结果表明二维纳米片的催化性能明显好于零维纳米颗粒，可以与贵金属Pt相媲美，通过设计合理电池结构，优化对电极的厚度，解决了纳米材料的结晶性、稳定性和应用的难题，得到电池最高转换效率达到6.7%。；研究深入揭示了材料“微结构-能带结构-载流子传输”之间的关系，为设计具有高效光吸收和转化的太阳能电池材料提供新的研究思路。