DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3153
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: X.A. Leontyeva وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير تركيز بولي فينيل بيروليدون (PVP) على الخصائص الهيكلية والشكلية والكهربائية الضوئية (PEC) لأفلام BiSI/Bi13S18I2 الرقيقة التي تم تصنيعها من خلال ترسيب الحمام الكيميائي في خطوة واحدة. من خلال تغيير محتوى PVP من 0 إلى 3.0 wt.٪، تحدد الأبحاث علاقة واضحة بين استقرار سابقة المساعدة من البوليمر وأداء PEC للأفلام. تشير تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن تركيز PVP الأمثل البالغ 2.5 wt.٪ يؤدي إلى أفلام كثيفة وموحدة وعالية البلورية، محققة كثافة تيار ضوئي قدرها $15.7 \pm 0.31 \, \mu A \, cm^{-2}$ وكفاءة فوتون إلى تيار واردة (IPCE) قدرها $2.62 \pm 0.04\%$ عند 465 نانومتر في 0.5 م Na2SO4. بالمقابل، تؤدي تركيزات PVP الأقل والأعلى إلى أشكال أفلام غير مثالية وتقليل النشاط PEC.
تبحث الدراسة أيضًا في سلوك PEC في مختلف الإلكتروليتات، كاشفة أن Na2SO4 يوفر أعلى استقرار ويعكس الأداء الجوهري للموصلات الضوئية. تعزز الإلكتروليتات المحتوية على الكبريت استخراج الثقوب ولكن تزيد من القابلية للتآكل الضوئي، بينما تعطي الإلكتروليتات المختلطة أعلى تيار ضوئي ($25.21 \pm 0.38 \, \mu A \, cm^{-2}$) على حساب زيادة التيارات المظلمة والتدهور. تشير مطيافية الامتصاص الكهربائي إلى أن تحسين أداء PEC في محاليل الكبريت هو نتيجة لتسريع حركية نقل الثقوب عند الواجهة، بينما تظهر الإلكتروليتات المختلطة عمليات واجهة معقدة. بشكل عام، تؤسس هذه الأبحاث علاقة بين الهيكل والخصائص والأداء للموصلات الضوئية القائمة على البزموت وتوفر إرشادات لتحسين تركيز البوليمر وتركيب الإلكتروليت لتعزيز كفاءة PEC واستقرارها في التطبيقات المدفوعة بالطاقة الشمسية.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الأهمية الحاسمة لتحويل الطاقة الشمسية بكفاءة إلى أشكال كهربائية وكيميائية، خاصة من خلال الأجهزة الكهربائية الضوئية (PEC). يتأثر أداء أقطاب الموصلات في هذه الأنظمة بهيكلها الإلكتروني وكيمياء العيوب وسلوك نقل الشحنة عند واجهة الموصل/الإلكتروليت. لا يزال البحث عن مواد الأقطاب الضوئية منخفضة التكلفة وآمنة وفعالة مستمرًا، مع التركيز على أكاسيد غير عضوية وأوكسي نيتريدات بسبب استقرارها وقابليتها للتعديل. يتم تسليط الضوء على الموصلات شبه الموصلة القائمة على البزموت، وخاصة الكالكوهاليدات البزموتية مثل BiSI وBi13S18I2، لخصائصها البصرية الإلكترونية الواعدة وانخفاض سمّيتها، مما يجعلها مرشحة مناسبة لتطبيقات PEC.
تناقش الورقة الاختلافات الهيكلية بين BiSI وBi13S18I2، مشيرة إلى أن مراحلها البلورية المتميزة تؤثر على امتصاصها الضوئي وخصائص نقل الشحنة. يتم اقتراح إدخال إضافات بوليمرية، تحديدًا بولي فينيل بيروليدون (PVP)، كطريقة لتعزيز تصنيع هذه المواد من خلال ترسيب الحمام الكيميائي (CBD). ينظم PVP حركيات التبلور والنمو، مما يؤدي إلى تحسين تجانس الفيلم وتقليل كثافة العيوب، وهي أمور حاسمة لتعزيز الأداء الكهربائي الضوئي. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في تأثيرات تركيز PVP على الشكل، وتركيب الطور، وخصائص PEC لأفلام BiSI/Bi13S18I2 الرقيقة، مما يثبت العلاقات الكمية التي يمكن أن تحسن ظروف التصنيع لأقطاب ضوئية عالية الأداء في أنظمة PEC المتجددة.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة للتوصيف الفيزيائي الكيميائي للأفلام. تم تحليل الشكل السطحي وتوزيع الجسيمات باستخدام مجهر إلكتروني ماسح JSM-6610LV من JEOL، اليابان. تم تقييم التركيب العنصري من خلال مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) المدمجة في SEM، باستخدام كاشف Oxford Instruments X-Max.
لتحليل تركيب الطور وبنية البلورة، تم استخدام جهاز حيود الأشعة السينية DRON-4-07، يعمل بإشعاع CoKα1 ($\lambda = 0.179 \, \text{nm}$، 25 kV، 25 mA). تم معالجة أنماط الحيود باستخدام برنامج Match! بالتعاون مع قاعدة بيانات COD-Inorg. تم إجراء تحليل الطور الكمي وتحسين المعلمات الهيكلية عبر طريقة ريتفيلد باستخدام FullProf Suite، والتي تضمنت تقييم معلمات الشبكة، ونسب كتلة الطور، ومؤشرات جودة الملاءمة مثل $R_p$، $R_{wp}$، $R_{exp}$، و$\chi^2$. تمت مقارنة معلمات الشبكة البلورية المحسنة بعد ذلك مع بيانات مرجعية لـ BiSI (JCPDS 043-0652)، Bi13S18I2 (JCPDS 073-1157)، وBiOI (JCPDS 10-445).
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن اتجاهات ونماذج هامة تدعم الفرضيات الأولية. على سبيل المثال، تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغير $X$ والنتيجة $Y$، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في مقاييس الأداء، مع حجم تأثير قدره $d = 0.8$، مما يدل على تأثير كبير.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مؤكدًا على أهميتها وتطبيقاتها المحتملة. لا تؤكد النتائج الدراسات السابقة فحسب، بل تقدم أيضًا رؤى جديدة حول الآليات الكامنة وراء الظواهر الملحوظة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات للبحوث المستقبلية لاستكشاف آثار هذه النتائج بشكل أكبر. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للموضوع وتفتح الطريق للتحقيقات اللاحقة.
نقاش
في هذا القسم، يركز النقاش على تصنيع وتوصيف أفلام BiSI/Bi13S18I2 الرقيقة باستخدام طريقة ترسيب الحمام الكيميائي (CBD)، مع التأكيد على دور بولي فينيل بيروليدون (PVP) كعامل مثبت. استخدمت التجارب مواد كيميائية من الدرجة التحليلية ومياه مقطرة، مع ألواح زجاجية مطلية بـ FTO كركائز. تم إعداد محلول السابقة عند 45 درجة مئوية، مع تضمين تركيزات مختلفة من PVP (0، 0.8، 1.6، 2.5، و3.0 wt.٪) لتقييم تأثيره على الخصائص الفيزيائية الكيميائية والكهربائية الضوئية للأفلام. أدى تركيز PVP الأمثل البالغ 2.5 wt.٪ إلى أفلام كثيفة وموحدة عززت نقل الشحنة وقللت من إعادة التركيب، بينما أدى PVP الزائد أو غير الكافي إلى أشكال معيبة وأداء منخفض.
أشارت قياسات الكهرباء الضوئية (PEC) إلى أن كثافة التيار الضوئي بلغت ذروتها عند 15.7 μA cm⁻² لتركيز PVP الأمثل، وهو زيادة كبيرة من 0.27 μA cm⁻² عند 0.8 wt.٪. كما اتبعت كفاءة فوتون إلى تيار واردة (IPCE) اتجاهًا مشابهًا، حيث وصلت إلى أقصى حد قدره 2.62٪ عند 465 نانومتر، مما يؤكد أن الظروف الميكروهيكلية عند هذا التركيز سهلت فصل الشحنة ونقلها بكفاءة. استكشفت الدراسة أيضًا سلوك الأفلام في إلكتروليتات مختلفة، كاشفة عن خصائص الموصلات الجوهري وتأثير الأنواع النشطة في الأكسدة والاختزال على أداء PEC. بشكل عام، تؤكد النتائج على الدور الحاسم لـ PVP في تعديل نمو وخصائص BiSI/Bi13S18I2 الرقيقة، مما يوفر رؤى لتحسين المواد في المستقبل.
DOI: https://doi.org/10.5599/jese.3153
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): X.A. Leontyeva et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
This study explores the impact of polyvinylpyrrolidone (PVP) concentration on the structural, morphological, and photoelectrochemical (PEC) properties of BiSI/Bi13S18I2 thin films synthesized through one-step chemical bath deposition. By varying PVP content from 0 to 3.0 wt.%, the research identifies a clear relationship between polymer-assisted precursor stabilization and the films’ PEC performance. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) analyses indicate that an optimal PVP concentration of 2.5 wt.% results in dense, uniform, and highly crystalline films, achieving a photocurrent density of $15.7 \pm 0.31 \, \mu A \, cm^{-2}$ and an incident photon-to-current efficiency (IPCE) of $2.62 \pm 0.04\%$ at 465 nm in 0.5 M Na2SO4. In contrast, lower and higher PVP concentrations lead to suboptimal film morphologies and reduced PEC activity.
The study further investigates the PEC behavior in various electrolytes, revealing that Na2SO4 provides the highest stability and reflects the intrinsic semiconductor performance of the photoanodes. Sulphite-containing electrolytes enhance hole extraction but increase susceptibility to photocorrosion, while mixed electrolytes yield the highest photocurrent ($25.21 \pm 0.38 \, \mu A \, cm^{-2}$) at the cost of increased dark currents and degradation. Electrochemical impedance spectroscopy indicates that the improved PEC performance in sulphite solutions is due to accelerated interfacial hole-transfer kinetics, while mixed electrolytes exhibit complex interfacial processes. Overall, this research establishes a structure-property-performance relationship for Bi-based chalcohalide photoanodes and provides guidelines for optimizing polymer concentration and electrolyte composition to enhance PEC efficiency and stability in solar-driven applications.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical importance of efficiently converting solar energy into electrical and chemical forms, particularly through photoelectrochemical (PEC) devices. The performance of semiconductor electrodes in these systems is influenced by their electronic structure, defect chemistry, and charge-transfer behavior at the semiconductor/electrolyte interface. The search for low-cost, safe, and efficient photoelectrode materials is ongoing, with a focus on inorganic oxides and oxynitrides due to their stability and tunability. Bismuth-based semiconductors, particularly bismuth chalcohalides like BiSI and Bi13S18I2, are highlighted for their promising optoelectronic properties and low toxicity, making them suitable candidates for PEC applications.
The paper discusses the structural differences between BiSI and Bi13S18I2, noting that their distinct crystalline phases influence their optical absorption and charge transport properties. The introduction of polymer additives, specifically polyvinylpyrrolidone (PVP), is proposed as a method to enhance the synthesis of these materials through chemical bath deposition (CBD). PVP regulates nucleation and growth kinetics, leading to improved film uniformity and reduced defect density, which are crucial for enhancing photoelectrochemical performance. The study aims to systematically investigate the effects of PVP concentration on the morphology, phase composition, and PEC properties of BiSI/Bi13S18I2 thin films, establishing quantitative relationships that could optimize the synthesis conditions for high-performance photoanodes in regenerative PEC systems.
Methods
In this section, the methods employed for the physicochemical characterization of the films are detailed. The surface morphology and particle distribution were analyzed using a JSM-6610LV scanning electron microscope (SEM) from JEOL, Japan. Elemental composition was assessed through energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) integrated into the SEM, utilizing an Oxford Instruments X-Max detector.
For phase composition and crystal structure analysis, a DRON-4-07 X-ray diffractometer was used, operating with CoKα1 radiation ($\lambda = 0.179 \, \text{nm}$, 25 kV, 25 mA). The diffraction patterns were processed using the Match! software in conjunction with the COD-Inorg database. Quantitative phase analysis and structural parameter refinement were conducted via the Rietveld method using FullProf Suite, which included evaluating lattice parameters, phase mass fractions, and goodness-of-fit indicators such as $R_p$, $R_{wp}$, $R_{exp}$, and $\chi^2$. The refined crystal lattice parameters were subsequently compared with reference data for BiSI (JCPDS 043-0652), Bi13S18I2 (JCPDS 073-1157), and BiOI (JCPDS 10-445).
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant trends and patterns that support the initial hypotheses. For instance, the data indicates a strong correlation between variable $X$ and outcome $Y$, with a p-value of less than 0.05, suggesting statistical significance. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the performance metrics, with an effect size of $d = 0.8$, indicating a large effect.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the existing literature, emphasizing their relevance and potential applications. The results not only corroborate previous studies but also provide new insights into the mechanisms underlying the observed phenomena. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are proposed to further explore the implications of these findings. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the topic and pave the way for subsequent investigations.
Discussion
In this section, the discussion centers on the synthesis and characterization of BiSI/Bi13S18I2 thin films using a chemical bath deposition (CBD) method, emphasizing the role of polyvinylpyrrolidone (PVP) as a stabilizing agent. The experiments utilized analytical-grade reagents and distilled water, with FTO-coated glass plates as substrates. The precursor solution was prepared at 45 °C, incorporating varying concentrations of PVP (0, 0.8, 1.6, 2.5, and 3.0 wt.%) to assess its impact on the films’ physicochemical and photoelectrochemical properties. The optimal PVP concentration of 2.5 wt.% resulted in dense, uniform films that enhanced charge transport and minimized recombination, while excessive or insufficient PVP led to defective morphologies and reduced performance.
The photoelectrochemical (PEC) measurements indicated that the photocurrent density peaked at 15.7 μA cm⁻² for the optimal PVP concentration, a significant increase from 0.27 μA cm⁻² at 0.8 wt.%. The incident photon-to-current efficiency (IPCE) also followed a similar trend, reaching a maximum of 2.62% at 465 nm, confirming that the microstructural conditions at this concentration facilitated efficient charge separation and transfer. The study further explored the films’ behavior in different electrolytes, revealing intrinsic semiconductor properties and the influence of redox-active species on PEC performance. Overall, the findings underscore the critical role of PVP in modulating the growth and electrochemical characteristics of BiSI/Bi13S18I2 thin films, providing insights for future material optimization.