Dinâmica de crescimento de nanopartículas de sulfeto de cobre e antimônio

Abstract

Nanopartículas de sulfeto de cobre e antimônio foram sintetizadas a partir do método de injeção a quente. As reações de síntese foram realizadas controlando-se tempo e temperatura de reação: tempo entre 1 e 10 minutos e temperatura entre 200 e 260 °C. As amostras foram analisadas por espectroscopia de absorção na região do UV-Vis-NIR, difratometria de raio-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (MET-AR), espectroscopia na região do infravermelho por reflexão total atenuada (ATR-FTIR) e espectroscopia Raman. Os resultados de DRX mostram que, nos dois primeiros minutos de reação, as nanopartículas formadas apresentam composição química pobre em antimônio (Cu3SbS4 e Cu12Sb4S13). A proporção de antimônio aumenta com o tempo de reação, resultando na formação de nanopartículas com estequiometria CuSbS2 após 5 ou 10 minutos de reação, dependendo da temperatura. Análises de MET e MET-AR mostram a formação de nanopartículas de CuSbS2 com larga distribuição de tamanho, que é explicada, neste trabalho, através da teoria clássica da nucleação e da teoria clássica do crescimento de partículas. As partículas sintetizadas apresentam absorção de luz desde a faixa visível até o infravermelho próximo. Essa característica óptica possibilita que essas nanopartículas sejam aplicadas como sensibilizadoras em células solares. Todas as partículas apresentaram capacidade de sensibilizar o filme de TiO2, gerando fotocorrente. As baixas eficiências foram relacionadas à absorção das nanopartículas na região do infravermelho e a sensibilização somente das camadas externas do filme mesoroporoso, devido ao tamanho das partículas de Cu3SbS4 e CuSbS2.

Copper antimony sulfide nanoparticles were synthesized through hot injection method. The synthesis were carried out under controlled time and temperature of reaction: between 1 and 10 minutes and temperature between 200 and 260 °C. The samples were analyzed by UV-Vis-NIR absorption spectroscopy, X-ray diffractometry (XRD), transmission electronic microscopy (TEM), high-resolution transmission electronic microscopy (HR-TEM), Attenuated Total Reflectance Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR), and Raman spectroscopy. The XRD results clearly show that during the two first minutes of reaction, the obtained nanoparticles present low anitmony content (Cu3SbS4 e Cu12Sb4S13). The amount of antimony was found to increase along with the reaction time, resulting in nanoparticles presenting the stoichiometry of CuSbS2, after 5 or 10 minutes, depending on the reaction temperature. TEM and HR-TEM images show the formation of CuSbS2 nanoparticles presenting a broad size distribution, which is explained in this work, by considering the classic nucleation theory and the classic model for the growth of particles. The synthesized particles present absorption band from within the visible to the near infrared region. This characteristic enables the application of these nanoparticles in solar cells. All of the nanoparticles were found to efficiently sensitize the mesoporous film of TiO2 resulting in photocurrent. The low solar cell efficiency was related to the absorption band of the nanoparticles within the infrared region and to the sensitization of only the external layers of the mesoporous film of TiO2, due to the size of the Cu3SbS4 and CuSbS2 nanoparticles.