一种层状氧硫族光电材料FeOCuQ及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种层状氧硫族光电材料FeOCuQ及其制备方法和应用 (Layered oxygen sulfur group photoelectric material FeOOCuQ and preparation method and application thereof ) 是由 张刚华 王静 房永征 侯京山 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种层状氧硫族光电材料FeOCuQ及其制备方法。本发明的层状氧硫族光电材料FeOCuQ中,Q为S、Se或S与Se的混合,该体系晶体结构由FeO层和CuQ层间隔排列堆积成反PbO型层状结构,其中FeO层是以Fe为中心原子的FeO4四面体共边连接构成,CuQ由以Cu为中心原子的CuQ4四面体共边连接构成。本发明采用水热法合成了光电材料FeOCuQ,具有高效、低耗、原料来源丰富且工艺简单的特点。本发明制得的FeOCuQ光电材料在模拟太阳光照下表现出明显的光电效应和快速的响应时间,在光电探测以及太阳能电池等领域有广阔的应用前景。(The invention discloses a layered chalcogen oxide photoelectric material FeOOCuQ and a preparation method thereof. In the layered chalcogeno photoelectric material FeOOCuQ, Q is S, Se or the mixture of S and Se, the crystal structure of the system is a layered structure of an inverted PbO layer formed by alternately arranging and stacking FeO layers and CuQ layers, wherein the FeO layers are formed by connecting FeO4 tetrahedrons with Fe as a central atom in a shared-edge mode, and CuQ is formed by connecting CuQ4 tetrahedrons with Cu as a central atom in a shared-edge mode. The invention synthesizes the photoelectric material FeOOCuQ by a hydrothermal method, and has the characteristics of high efficiency, low consumption, rich raw material sources and simple process. The FeOOCuQ photoelectric material prepared by the invention shows obvious photoelectric effect and quick response time under simulated solar illumination, and has wide application prospect in the fields of photoelectric detection, solar cells and the like.)
技术领域
本发明涉及一种层状氧硫族光电材料FeOCuQ及其制备方法和应用，属于光电技术领域。
背景技术
在诸多太阳能电池材料中，硫族化合物具有结构种类繁多，载流浓度高、带隙合适、光电性能突出等诸多优点，在薄膜电池领域备受青睐。然而，已发现的光电性能优异的硫族化合物大都局限于黄铜矿及其衍生结构的硫族化合物中(如CdTe、CIS、CIGS和CZTS等)，且考虑到此结构的硫族光电材料具有制造成本高、材料利用率低、环境不相容等缺点，在应用上受到多方限制，并非硅的理想替代材料。与之相比，层状氧硫族化合物具有可调谐的带隙、超高的层内载流子迁移率和可靠的环境稳定性等优势，已成为高速低功耗器件、量子输运器件、超快高敏红外光探测、光电器件等领域的研究热点。虽然理论计算研究表明层状铋氧硫族化合物BiOCuS在光电应用中的理想转换效率高达18.8％，但目前为止该类材料的光电流仍远低于传统硫族光电材料Cu(InxGa1～x)Se2(CIGS)和CdTe，大大限制了它们在光电领域中的进一步应用。如何进一步提高光电转化效率、降低成本，是层状氧硫族光电材料获得实际应用的决定性因素之一。从技术的角度上来说，原料储量丰富、无毒、且无污染是光电材料可以实际运用的重要因素。因此，寻找高效、低耗的新型氧硫族光电材料，对氧硫族光电材料的实际运用和理论研究是十分有意义的。另一方面，常规的固相法通常需要极端的反应条件和较高的成本，溶剂热法则通常需要采用独特的前驱体，其合成工序通常也比较繁琐复杂。因此，寻找更为简便、快捷，无需任何辅助的有机溶剂或危害试剂的水热合成路径，制备高结晶度、高纯度且性能优异的新型多元层状氧硫族半导体材料，并研究其光电性能，无论从基础研究，还是从性能和应用的角度来看，都有着非常重要的意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：如何获得一种高结晶度、高纯度且性能优异的新型多元层状氧硫族半导体材料的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种层状氧硫族光电材料，所述层状氧硫族光电材料的化学组成为FeOCuQ，其中，Q为S、Se或二者的混合。
优选地，所述层状氧硫族光电材料具有FeO层和CuQ层间隔排列的反PbO型层状结构，所述的FeO层是以Fe为中心原子，O为配位原子的FeO4四面体共边连接而成的二维网络结构；所述的CuQ层是以Cu为中心原子，Q为配位原子的CuQ4四面体共边连接而成的二维网络结构。
本发明还提供了上述的层状氧硫族光电材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将Fe源和Cu源加入去离子水中混合并搅拌均匀，得到溶液A；
步骤2：向溶液A中加入Q源，再加入固体碱AOH，搅拌混合均匀，得到混合溶液；
步骤3：待步骤2所得混合溶液冷却至室温后，转移至反应釜中反应；
步骤4：反应结束后将产物洗涤、离心后烘干，得到样品；
步骤5：将步骤4所得样品压片后煅烧，得到层状氧硫族光电材料FeOCuQ。
优选地，所述步骤1中的Fe源为可溶性Fe盐，所述Cu源为可溶性Cu盐，所述Fe源和Cu源的摩尔比为1:1；所述溶液A中Fe源和Cu源的浓度为0.02mol/L。
更优选地，所述的可溶性Fe盐为硝酸铁，所述的可溶性Cu盐为醋酸铜。
优选地，所述步骤2中的Q源为硫粉、硫脲、硒粉和硒脲中的至少一种，所述固体碱AOH为NaOH、KOH、RbOH和CsOH中的至少一种；所述混合溶液中AOH的浓度为2mo1/L以上。
优选地，所述步骤3中反应的温度为120～200℃，时间为1～7天。
优选地，所述步骤5中煅烧的条件为：温度400～500℃，升温速率5℃/min，保温时间8～12h。
本发明还提供了上述的层状氧硫族光电材料的应用。
优选地，所述应用包括在制备光电探测器和太阳能电池中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明采用温和简便的水热法来制备FeOCuQ型层状氧硫族光电材料，水热法制得的样品质量较好并且具有较为规则的形貌，该体系中FeOCuQ样品在太阳光照下表现出明显的光生电流和快速的光电响应，在0.05V外加电压时，光生电流密度分别为：FeOCuS样品5.95mA/cm2，FeOCuSe样品0.19mA/cm2；光电响应时间分别为：FeOCuS样品约0.94s，FeOCuSe样品约4.9s，本发明的光电材料的合成为氧硫族光电材料更多新体系的发现提供了很好的参照。
附图说明
图1为本发明的FeOCuQ(Q＝S或Se)材料的结构示意图；
图2为本发明实施例中所制备的FeOCuQ(Q＝S或Se)材料的粉末XRD图；
图3为本发明实施例中所制备的FeOCuQ(Q＝S或Se)材料晶体形貌SEM和EDS图；
图4为实施例1所制备的FeOCuS材料在可见光照射下，0.05V偏压时的I～T曲线；
图5为实施例2所制备的FeOCuSe材料在可见光照射下，0.05V偏压时的I～T曲线。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种层状氧硫族光电材料FeOCuS的其制备方法，具体包括以下步骤：
1)将反应原料Fe(NO3)3和Cu(CH3COO)2配制成0.02mo1/L的澄清溶液，按照物质的量比1:1取液，混合并搅拌均匀，得到混合溶液；
2)向上述混合溶液中加入硫脲2.2g，在磁力搅拌器上搅拌均匀；
3)再向上述混合溶液中加入KOH固体，使溶液碱度达到2mo1/L以上，搅拌使混合物均匀混合；
4)待上述混合物冷却至室温后，转移至反应釜中，填充度为低于釜体积的80％，在150℃烘箱中反应2天后将反应釜冷却至室温，并卸压；
5)将反应产物，洗涤、离心，其中，离心以8000转/分的转速离心5次，而后置于50℃烘箱中烘干；
6)将所制的FeOCuS样品研磨均匀，在8MPa下将其压制成直径为12mm的薄片；
7)将薄片在真空状态下封入石英管中，在马弗炉中400℃保温10h，升温速率设置为5℃/min，即制得层状氧硫族光电材料FeOCuS。
上述制得的层状氧硫族光电材料FeOCuS具有FeO层和CuS层间隔排列的反PbO型层状结构，其中，FeO层是由Fe为中心原子，O为配位原子的FeO4四面体共边连接而成的二维网络结构；CuS层是以Cu为中心原子，S为配位原子的CuS4四面体共边连接而成的二维网络结构，如图1所示。
实施例2
一种层状氧硫族光电材料FeOCuSe的其制备方法，具体包括以下步骤：
1)将反应原料Fe(NO3)3和Cu(CH3COO)2配制成0.02mo1/L的澄清溶液，按照物质的量比1:1取液，混合并搅拌均匀，得到混合溶液；
2)向上述混合溶液中加入硒粉0.8g，在磁力搅拌器上搅拌均匀；
3)再向上述混合溶液中加入KOH固体，使溶液碱度达到2mo1/L以上，搅拌使混合物均匀混合；
4)待上述混合物冷却至室温后，转移至反应釜中，填充度为低于釜体积的80％，在160℃烘箱中反应2天后将反应釜冷却至室温，并卸压；
5)将反应产物，洗涤、离心，其中，离心以8000转/分的转速离心5次，而后置于50℃烘箱中烘干；
6)将所制的FeOCuSe样品研磨均匀，在8MPa下将其压制成直径为12mm的薄片；
7)将薄片在真空状态下封入石英管中，在马弗炉中500℃保温10h，升温速率设置为5℃/min，即制得即制得层状氧硫族光电材料FeOCuSe。
上述制得的层状氧硫族光电材料FeOCuSe具有FeO层和CuSe层间隔排列的反PbO型层状结构，其中，FeO层是由Fe为中心原子，O为配位原子的FeO4四面体共边连接而成的二维网络结构；CuSe层是以Cu为中心原子，Se为配位原子的CuSe4四面体共边连接而成的二维网络结构，如图1所示。
图2为实施例1和2所制备的FeOCuQ材料粉末XRD图谱，从图2中可知，通过水热法制备的FeOCuQ样品为纯相，且具有较高的结晶度；图3为实施例1和2所制备的FeOCuQ材料晶体形貌SEM和EDS图，样品具有微米片状形貌，化学组成元素比例为1:1:1:1。图4、图5为实施例1和2所制备的FeOCuS和FeOCuSe在可见光照射下的光生电流图，由图4、图5可得样品的光电测试结果：FeOCuS样品光生电流密度为5.95mA/cm2，光电响应时间约为0.94s；FeOCuSe样品光生电流密度为0.19mA/cm2，光电响应时间约为4.9s；均表现出了显著的光电响应性能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
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