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异价掺杂TiO_2的电子结构和光学及热电性能研究

彭丽萍  
【摘要】:纳米Ti02因为有合适的导带和价带电位、化学稳定性好、氧化还原能力强,无毒以及环境友好等优点在过去的几十年里在光催化和光电领域作出了重要的贡献。近几年,人们研究发现,他的介电性能好,塞贝克系数高,使得他在光学和热电领域的应用也逐渐多起来。我们知道,纯的锐钛矿相TiO2的禁带宽度较宽(3.14eV),仅能被波长小于380nm的紫外光吸收,而这部分波长的光在整个太阳光中仅占4%,大大的影响了TiO2在光催化和太阳能光电转换中的应用,甚至在光激发热电中的应用发展也受限制。如何扩大TiO2的光吸收范围,提高它的光电、热电性能成为该材料当前的研究热点问题之一 基于上述情况和问题,本人的博士论文课题选择以采用理论和实验相结合的方法对异价掺杂TiO2的电子结构和光学性能、热电性能进行了系统深入的研究。首先在理论上用第一性原理方法深入研究了TiO2的晶体结构、电子结构、缺陷形成能、掺杂改性等重要问题,并在此基础上对异价原子单掺杂和共掺杂进行了理论计算和分析,发现合适的异价原子掺杂通过电荷补偿和纳米补偿效应,不但能够扩大Ti02的光吸收边,而且能有效抑制电子空穴对的复合。其次参考理论研究的结果在实验上制备了几种异价原子单掺杂和共掺杂的TiO2纳米粉末和薄膜样品,并对这些样品性能进行了测试与分析,发现异价原子掺杂能有效的改善TiO2的性能,如扩大Ti02的光谱吸收边,增强电导、抑制热导,这些变化最终增强了TiO2的光学和热电性能。论文的主要工作如下: 1.对异价掺杂Ti02的光学性能在理论上进行深入研究。建立了P、V等单掺杂和P/V双掺杂Ti02的模型结构,计算了他们的电子结构、光学性能、缺陷形成能等物理属性,确定了在金属和非金属掺杂、单元素和双元素掺杂分别对Ti02性能的影响原因,提出了双掺杂的协同效应机理是利于Ti02的光学性能提升,源于双掺杂的电荷补偿和纳米补偿效应。 2.实验上对异价掺杂Ti02的光电和热电性能进行了很有意义的研究。实验上制备了P掺杂、V掺杂、Al掺杂以及P和V双掺杂TiO2的样品,分别研究了他们的光电和热电性能。研究发现:对TiO2进行P和V单掺杂可以有效的改变TiO2的禁带宽度,但同时会产生几个问题:(1)单元素掺杂在带隙中引入杂质能级容易形成新的符合中心,阻碍了TiO2的光催化活性;(2)通常金属掺杂TiO2的杂质能级位于在导带的底部,非金属掺杂TiO2的杂质能级位于价带的顶部,它们对TiO2的禁带宽度改变是有限的。双掺杂通过纳米补偿效应能够克服单掺杂这个缺点,P和V双掺杂TiO2一方面可以相互促进,另一方面可以较为有效的增强TiO2的光催化效应。 3.TiO2导电性是和它的热电性能紧密联系在一起的。理论上我们研究了过渡金属离子掺杂TiO2热电性能,从能带结构和电子输运特性,我们认为V、Al类金属离子掺杂TiO2是能够提升他的热电性能的,一方面源于掺杂提高它的电导率,另一方面掺杂离子尺寸造成晶格散射较小热导增加不大,最终提升TiO2的热电因子。为了验证理论研究结果,实验上我们制备了Al掺杂TiO2的样品,研究了他的热电性能。通过改变Al的掺杂浓度及晶格常数,研究了Al掺杂的TiO2薄膜的热电性能。实验结果表明:其塞贝克系数为负值,并随着Al的掺杂浓度的增加呈线性下降,而Al掺杂会加强晶界界面处的声子散射从而减小TiO2的热导,掺杂后的Z值在475℃和23℃分别1.30×10-5K-1和0.48×10-5K-1,与理论结果基本一致。4.尝试性创新设计制作出一种ITO/LiF/P-doped TiO2/V-doped TiO2/Au薄膜结构太阳能电池。基于以上研究工作基础,我们采用P和V分别掺杂TiO2制备了具有P型和N特性的TiO2薄膜,V掺杂TiO2作为给体材料,P掺杂TiO2作为受体材料,设计制作出ITO/LiF/P-doped TiO2/V-doped TiO2/Au薄膜结构太阳能电池器件。并用J-V曲线和紫外可见吸收光谱来表征器件性能,研究了膜厚对器件的影响,研究结果表明,当器件的膜厚在1.5μM时其转换效率最佳,此时短路电流Jsc=8.32mA/cm2开路电压Voc=0.54V,转化效率η=1.41%。论文研究工作取得的创新性成果有:(1)将第一性原理理论计算分析和材料制备及测试的实验相结合的方法,极大地加深了对所研究问题的理解,加快了实验上TiO2改性方向和方法的确定。(2)发现了异价原子共掺杂TiO2能够明显抑制单掺杂TiO2中的电子-空穴复合中心,提出了双掺杂的电荷补偿机制和协同效应机制,实验上运用溶胶-凝胶方法制备出了光谱吸收边达550nm的可见光范围具有较好光吸收能力的掺杂TiO2纳米粉和膜样品,对TiO2的光学性能和光催化性能的提高有很重要价值。(3)通过能带结构和电子输运特性的关联性,分析了V、Al类金属离子掺杂对提升TiO2的热电性能的作用,一方面源于掺杂提高它的电导率,另一方面掺杂离子尺寸造成晶格散射较小,热导增加不大,最终提升TiO2的热电因子。实验制备并测试了Al掺杂TiO2热电性能,分析了掺杂对电导、热导、塞贝克系数等三个常见热电参量之间的相互影响关系,揭示了掺杂对TiO2热电性能的影响机理,验证理论研究结果。(4)采用P和V分别掺杂TiO2制备了具有P型和N特性的TiO2薄膜,V掺杂TiO2作为给体材料,P掺杂TiO2作为受体材料,尝试性创新设计制作出ITO/LiF/P-doped TiO2/V-doped TiO2/Au薄膜结构太阳能电池器件,器件的最佳性能为:短路电流Jsc=8.32mA/cm2,开路电压Voc=0.54V,转化效率η=1.41%。


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