TiO2薄膜的掺杂改性及其对光学性能的影响

论文摘要

为了解决逐步严重的能源危机问题,太阳能作为一种清洁能源被广泛关注。作为一种廉价、无毒、化学性质稳定的半导体,TiO2逐步成为太阳能电池研究的热点。但TiO2带隙较宽（Eg = 3.0-3.2 eV）,对太阳光利用率低。为了解决这一问题,对TiO2进行掺杂,以期缩小TiO2的带隙,增加对太阳光的吸收。本文分别采用溶胶-凝胶法和磁控溅射法制备了原始TiO2薄膜,并采用溶胶-凝胶法和离子注入技术对原始薄膜进行改性研究。在溶胶-凝胶法制备的TiO2薄膜中,用溶胶-凝胶法掺杂Ge,用离子注入法进行Fe、Cr的单独注入以及复合注入;在磁控溅射法制备的原始TiO2薄膜中,分别进行Ge、Si的单独和复合注入。研究了这些掺杂方式和掺杂离子对薄膜结晶、表面化学态和光学性能的影响。结果表明,磁控溅射法制备的原始TiO2薄膜较溶胶-凝胶法制备的原始薄膜光吸收性能更佳。XRD及XPS研究结果表明,两种不同制备方法制备的原始薄膜的表面化学态及价键状态有所不同,最终导致两者光性能的差异。用溶胶-凝胶对TiO2进行Ge掺杂,薄膜产生了一定红移,掺杂Ti:Ge = 7:3的薄膜中Ge的结晶性很好;XPS分析表明,Ge大部分以单质形式存在;紫外可见吸收比未掺杂的薄膜好,吸收边红移,禁带宽度减小。Fe、Cr离子复合注入后,薄膜的结晶性变差;XPS分析结果显示,Fe、Cr分别以单质和氧化物形式存在;光学性能较单独注入Fe的有所下降。分析表明,两种离子的相互作用最终使得薄膜中有效离子浓度降低。与Fe、Cr离子复合注入不同,在磁控溅射法制备的原始TiO2薄膜中,Si、Ge的复合注入使得薄膜的结晶性也变差;XPS分析Ge、Si形成新的化合物;但由于Si、Ge两种离子的相互作用,复合注入的薄膜光学性能有大幅度提高。本研究丰富了TiO2薄膜的掺杂改性的方法,为以后的研究提供了有价值的参考。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 2'>1.2 纳米TiO₂
• 2 晶型'>1.2.1 TiO₂晶型
• 2 薄膜制备'>1.2.2 纳米TiO₂薄膜制备
• 2 的掺杂'>1.2.3 纳米TiO₂的掺杂
• 2 的表征方法'>1.2.4 纳米TiO₂的表征方法
• 1.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.1 溶胶-凝胶法简介
• 1.3.2 溶胶-凝胶法的影响因素
• 1.4 磁控溅射技术
• 1.4.1 磁控溅射技术简介
• 1.4.2 磁控溅射原理
• 1.4.3 磁控溅射的主要参数
• 1.5 离子注入技术
• 1.5.1 离子注入技术简介
• 1.5.2 离子注入技术的原理
• 1.5.3 离子注入技术主要参数
• 1.6 课题背景、研究意义、研究内容及创新点
• 1.6.1 课题背景和研究意义
• 1.6.2 课题研究内容
• 1.6.3 课题创新点
• 2薄膜的制备'>第二章 TiO₂薄膜的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 溶胶的制备
• 2.2.3 薄膜的制备
• 2.2.4 分析测试方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶胶配比和静置时间对薄膜质量的影响
• 2.3.2 溶胶-凝胶法不同制膜方法对薄膜质量的影响
• 2.3.3 不同制备方法对薄膜质量的影响
• 2.4 本章小结
• 2薄膜及其表征'>第三章 溶胶-凝胶法制备Ge 掺杂TiO₂薄膜及其表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 3-三氯锗丙酸乙醇溶液的制备
• 3.2.3 薄膜的制备
• 3.2.4 分析测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同热处理温度对薄膜的紫外可见吸收特性的影响
• 3.3.2 掺杂量对薄膜的紫外可见吸收性能的影响
• 3.3.3 Ge 掺杂对薄膜表面形貌、结构和表面状态的影响
• 3.4 本章小结
• 2薄膜及其表征'>第四章 离子注入制备Ge/Si 共掺杂磁控溅射TiO₂薄膜及其表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 离子注入
• 4.2.2 分析测试方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 形貌表征（AFM）
• 4.3.2 结构表征
• 4.3.3 表面状态
• 4.3.4 光吸收性能
• 4.4 本章小结
• 2薄膜及其表征'>第五章 离子注入制备Fe/Cr 共掺杂溶胶-凝胶TiO₂薄膜及其表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料和设备
• 5.2.2 离子注入参数
• 5.2.3 分析测试方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 注入剂量对薄膜的紫外可见吸收光谱的影响
• 5.3.2 离子掺杂对薄膜结构、表面状态和紫外吸收的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢