金属非金属共掺杂TiO2的理论与实验研究

摘要

纳米TiO2因为有合适的导带电位和价带电位、化学稳定性好、氧化还原能力强，无毒以及环境友好等优点而成为光催化和光电（特别是太阳能电池）领域研究的重要对象。但纯TiO2的带隙较宽，仅能吸收紫外光，从而影响了它在光催化和太阳能电池应用中的发展。因此扩大TiO2的光吸收范围，提高它的光催化活性成为当前研究热点问题之一。
　　 基于上述问题，本论文采用理论和实验相结合的方法对TiO2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、本征缺陷、掺杂改性等重要问题，并在此基础上对金属非金属共掺杂进行了理论计算和分析，发现合适的金属非金属共掺杂不但能够扩大TiO2的光吸收边，而且能有效抑制电子空穴对的复合。然后参考理论研究的结果在实验上制备了几种金属、非金属掺杂的TiO2纳米粉和膜，并对这些样品进行了性能测试与分析，发现掺杂改性特性与理论研究的结果相吻合。论文的主要工作如下。
　　 1、对7种不同晶相结构的TiO2进行了理论计算，获得了各种晶相的结构常数、总能量、禁带宽度等数据，并分析了这些晶相的物理特性。在进行第一性原理计算时，发现采用GGA近似中的PW91方法要优于其他方法；在TiO2的7种晶相中，萤石矿相TiO2的带隙最小，仅为1.13 eV(直接带隙)，比锐钛矿相TiO2带隙要窄1.02 eV，这与Ti受到立方晶体场作用而使eg(dz2)能级下移有关，价带顶附近空穴的低有效质量表明了萤石矿相TiO2的载流子有较高的电导率。
　　 2、采用第一性原理研究了TiO2各种本征点缺陷的几何结构和能带结构，发现本征缺陷的类型和浓度对材料性能有一定的影响。在富O条件下，容易形成Vti缺陷；在富Ti条件下，点缺陷Tii4+和VO将大量出现，形成Schottky缺陷。对离子掺杂TiO2能带结构的模拟计算时，发现N和C单掺杂TiO2的缺陷形成能较高，使离子掺杂浓度降低，容易产生深能级杂质，成为电子和空穴的复合中心。
　　 3、针对单掺杂容易形成电子-空穴复合中心问题，论文进一步对金属和非金属共掺杂的TiO2进行了理论研究。结果表明，共掺杂一方面对几何结构的影响十分明显，非金属和金属杂质有团聚成键的趋势，另一方面对能带结构也有很大影响，对比单掺杂，N/V和C/Cr共掺杂的TiO2中的电子-空穴复合中心得到明显抑制，对此进一步分析了非金属和金属杂质的不同补偿作用（施主或受主），提出了共掺杂时可能存在协同效应，这种协同效应可以调整材料的能带结构，改善光催化性能。协同效应可能源自以下几方面：①金属离子掺杂有利于非金属离子掺杂浓度的提高；②对于C/Cr(N/V)共掺杂TiO2体系，导带底下方的施主杂质能级上的两个(一个)电子刚好补偿价带顶上方的受主杂质能级上的两个(一个)空穴，这可以有效减少电子和空穴的复合；③共掺杂作用使他们单掺杂引入过深的杂质能级变浅，减少了电子和空穴在杂质能级上的复合率。
　　 4、制备了N掺杂TiO2的样品。研究发现：掺N的TiO2样品发生从锐钛矿相到金红石相的相变温度在700℃，而纯TiO2的这种相变温度是600℃左右；N掺杂TiO2后，TiO2的光吸收边红移明显，在可见光区域的光吸收性能比纯TiO2明显好很多。还发现：N掺杂TiO2的可见光吸收性能与样品制备中的煅烧温度以及掺杂的浓度有关，从400℃到700℃，随着煅烧温度逐渐升高，N掺杂TiO2的可见光吸收性能逐渐降低；并且，随着N掺杂浓度的增大，TiO2在可见光区域的吸收能力先增大后减小，当氮掺杂浓度为3％光吸收能力达到最大。
　　 5、制备了不同浓度的V掺杂TiO2的薄膜样品。研究发现：掺杂前后TiO2薄膜在紫外-可见光范围内的光吸收峰位置变化不大，均在300nm左右；但V掺杂后，TiO2的光吸收边发生了红移，光吸收范围增大，与理论计算结果相吻合；掺杂浓度对光吸收效果也有影响，掺杂浓度为1.0％的TiO2薄膜的光吸收效果最佳。
　　 6、在制备N、V单掺杂样品并获得良好性能的基础上，进一步制备了N-V共掺杂TiO2的样品，研究了他们的光谱吸收等特性，发现N-V共掺杂样品的光吸收边红移范围比单掺杂样品明显大一些。上述几种掺杂样品的实验结果和前面的理论计算结果相一致。
　　 7、在前面工作基础上，尝试性设计制作出一种ITO/N-TiO2/V-TiO2/Au薄膜结构太阳能电池，测试了该电池的阻值以及光电特性，发现电池在无光照下有良好的整流特性，在光照下能产生一定的电流和电压，结果表明该电池具有整流特性和光生电压电流。
　　 论文研究工作取得的创新性成果有：(1)采用理论和实验相结合的研究方法，极大地加快了TiO2改性的探索方向和方法的确定。(2) 发现了非金属和金属共掺杂TiO2能够明显抑制单掺杂TiO2中的电子-空穴复合中心，通过分析，提出了共掺杂可能存在协同效应的创新观点。(3)制备出了在可见光范围具有较好光吸收能力的TiO2纳米粉和膜，探索了制备条件和参数对TiO2光吸收边的影响；(4)创造性地制备出了具有平面P-N结结构的TiO2薄膜太阳能电池，经测试表明该电池已具有明显的整流特性和光生电压电流。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

2 密度泛函理论与计算方法

3 TiO2的理论计算和制备方法

4 锐钛矿相TiO2本征缺陷与掺杂的改性研究

5 N/V单掺杂和共掺杂TiO2的实验研究

6 TiO2薄膜结构太阳能电池的研究

7 结论与展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文