金屬離子摻雜二氧化鈦的光電性能改性研究.pdf

1、為了解決染料敏化太陽能電池應(yīng)用中納米二氧化鈦(TiO2)的帶隙較寬(約為3.2eV)、光生電子和空穴容易復(fù)合等技術(shù)難題，人們通過不同的金屬離子摻雜TiO2進(jìn)行改性研究。金屬離子摻雜可以在TiO2內(nèi)引入雜質(zhì)能級(jí)和缺陷位置，增加電子的捕獲，減小電子和空穴復(fù)合概率，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率;但到目前為止，摻雜研究大多都針對(duì)個(gè)別的金屬離子摻雜TiO2光電性能改性進(jìn)行研究，沒有系統(tǒng)地對(duì)摻雜金屬元素的種類和濃度以及兩種金屬元素復(fù)合摻雜進(jìn)行全面的比較。<

2、br>　　本論文采用水熱法制備了4種第一過渡系金屬元素（錳、鐵、鈷、鋅）、2種ⅡA族金屬元素（鎂和鈣）和1種ⅢA族金屬元素鋁對(duì)TiO2進(jìn)行單摻雜和鈣-鐵、鎂-鋅金屬元素復(fù)合摻雜的新型薄膜電極。采用XRD、SEM、EDX、TEM、XPS、UV-Vis等分析方法，對(duì)摻雜前后TiO2薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、相組成、組成元素電子結(jié)合能、紫外可見光吸收譜進(jìn)行了表征;通過電化學(xué)Mott-Schottky測試方法研究了各種金屬離子摻雜對(duì)TiO2薄膜電極平帶電

3、位的影響;采用強(qiáng)度調(diào)制光電流/光電壓譜等技術(shù)測量摻雜二氧化鈦納晶薄膜中電子的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括電子輸運(yùn)速度和復(fù)合概率等。并從理論上分析納晶膜的紫外可見吸收光譜、動(dòng)力學(xué)性能、能帶結(jié)構(gòu)對(duì)染料敏化太陽能電池(DSSC)光電性能的影響，以此指導(dǎo)新型高性能半導(dǎo)體納晶薄膜工作電極的研制。
　　本論文的主要結(jié)論如下:
　　1、在同樣的條件下制備了七種金屬元素單摻雜TiO2納晶顆粒，晶粒大小在10～15nm左右;摻雜金屬離子均勻分布在TiO2

4、納晶體相中;摻雜薄膜的形貌呈多孔型;其中第一過渡系金屬元素鋅摻雜TiO2薄膜電極改性效果最理想，其光電轉(zhuǎn)換效率為7.68％，主要由于其電子傳輸時(shí)間與電子復(fù)合時(shí)間比值最低;平帶電位產(chǎn)生正移，導(dǎo)致電極與染料的最低空軌道能級(jí)間距增大，電子的注入效率提高。
　　2、制備了不同摻雜量的鐵、鋅、鎂和鈣單摻雜TiO2納晶顆粒。摻雜TiO2后，Ti2p3/2和Ti2p1/2的結(jié)合能有所下降，主要由于三種金屬原子與鈦原子電負(fù)性差引起;其中第一過渡系

5、元素鐵摻雜量達(dá)到2.0mol％時(shí)，開路光電壓達(dá)到最大值，其值為645mV，主要由于摻雜鐵薄膜的平帶電位出現(xiàn)了負(fù)移，與染料的最低空軌道能級(jí)差減小，而與氧化還原對(duì)的電位差增大。第二主族元素2.0mol％鈣摻雜TiO2后，薄膜電極吸收波長向可見光波長移動(dòng)，電子傳輸速提高了55.2％，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.35％。
　　3、制備了不同摻雜量的鈣-鐵和鎂-鋅復(fù)合摻雜TiO2薄膜電極，最佳濃度均為1.0mol％，光電轉(zhuǎn)換效率分別為6.07％和9

6、.07％，提高了17.6％和26.7％，IMPS數(shù)據(jù)表明主要由于鎂-鋅復(fù)合摻雜后電子輸運(yùn)速度提高。發(fā)現(xiàn)了1.0mol％鎂-鋅復(fù)合摻雜的光電轉(zhuǎn)換性能明顯優(yōu)于1.0mol％鋅和1.0mol％鎂單摻雜的光電轉(zhuǎn)換性能。
　　4、通過金屬離子摻雜法對(duì)TiO2薄膜電極光電改性行為發(fā)現(xiàn)，平帶電位和電子傳輸與復(fù)合的速率共同影響TiO2薄膜電極光電性能，三者之間的合理平衡才能得到光電性能優(yōu)化的摻雜TiO2薄膜電極;同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)摻雜電極中電子傳輸和復(fù)