氧空位對二氧化鈦薄膜電子輸運性能的影響研究.pdf

1、 氧空位對二氧化鈦薄膜電子輸運性能的影響研究 重慶大學碩士學位論文 （學術學位） 學生姓名：劉芳芳 指導教師：王 智 教授 專 業(yè)：化 學 學科門類：理 學 重慶大學化學化工學院 二 O 一四年五月 重慶大學碩士學位論文 中文摘要 I 摘 要 納米二氧化鈦是一種寬帶隙半導體材料，其中銳鈦礦 TiO2 禁帶寬度為 3.2eV，具有較大的氧化還原電位，較好的電子遷移率和擴散系數(shù)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電子傳輸性能。尤其是在敏化太

2、陽能電池中，表現(xiàn)出比其他半導體材料如 ZnO、SnO2、CdS 更好的電子輸運性能，而成為電池光陽極的首選材料。 半導體材料容易存在點缺陷、位錯、層錯等自身缺陷和外來雜質缺陷，容易在帶隙中引入缺陷能級，而大大影響半導體材料的強度、塑性、電阻率，改變晶體的表面能態(tài)，影響材料的物理和化學性能。不同的實驗方法和加工工藝，制備的材料的形貌特征、結晶程度、晶體完整性和晶體中缺陷態(tài)密度都不盡相同，每種微小的差異都可能對材料性質產生很大的影響。 二氧

3、化鈦因其所具有的寬帶隙半導體特性而被用作染料敏化太陽能電池（DSSC）的光電極，其主要作用是接收染料光敏劑受光激發(fā)產生的電子，并經(jīng)二氧化鈦導帶傳輸至外電路。這要求二氧化鈦晶體缺陷盡量少，半導體盡可能處于本征狀態(tài)。如果二氧化鈦材料本身存在缺陷，就容易在半導體導帶和價帶之間形成陷阱能級，這種缺陷能級可以俘獲或釋放光電子，使其經(jīng)過多次躍遷才能進入半導體導帶，延遲了光電子注入的時間，同時也會增加光電子被氧化態(tài)電解質復合的幾率，造成電子損失，進而

4、影響電池的光電轉換效率。 本文采用微乳液法，水熱法和商業(yè) P25 涂敷法分別制備了三種納米二氧化鈦薄膜。對薄膜分別進行物相分析和表面元素能態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)三種薄膜結晶程度不同，氧空位含量也有很大差異。結晶程度非常低和結晶非常完整的薄膜對應的氧空位少， 而結晶中間態(tài)的薄膜中氧空位非常多。 結晶過程中原子的重排導致了 Ti-O鍵的斷裂，結晶中間態(tài)的斷鍵較多導致了高氧空位，因此結晶程度的差異直接導致了氧空位的差異。從吸收光譜來看，三種二氧化鈦在

5、可見光區(qū)的光吸收與薄膜中氧空位的含量一一對應，即光吸收強度隨氧空位的增加依次增加。薄膜的微觀形貌比較接近，顆粒粒度差別不大，比表面積或孔隙率等差異不足以引起半導體能帶變化，因此薄膜微觀形貌對于我們研究的影響不大。三種薄膜的主要差異，就電子傳輸而言，主要在于氧空位。 將二氧化鈦應用于染料敏化太陽能電池的光電極，通過對太陽能電池的光電性能的測試發(fā)現(xiàn)，電池的染料利用率和光電壓均與二氧化鈦中氧空位含量成反比例對應關系，因此可以判定氧空位是導致電