纳米晶TiO2中可控缺陷对光电化学性能影响及机理研究

Photoelectric conversion efficiency of dye-sensitized solar cells can be effectively enhanced by controlling the point defects with different types and concentrations in TiO2-based photoanode. However, some crucial theoretical problems, such as electron transport mechanism in TiO2 and kinetics of charge recombination on the interface between TiO2 and electrolyte, have not completely resolved. In the present proposal, it is crucial to isolate the point defects from the other factors in order to better understand the electron transport mechanism and physical origin between point defects (such as oxygen vacancy, nitrogen doping, and copper doping) and structure/ properties of TiO2 photoelectric materials. By studying the relationship between point defects and crystal structure/photoelectrochemical properties, this project will: 1) achieve the goal of controllable introduction of point defects with different types and concentrations; 2) reveal the mechanism of electron transport and physical origin of influence of controllable point defect on the crystal structure and property. Furthermore，quantify the regularity between the point defects, electron transport and photoelectrochemical property; 3) better understand the electron transport mechanism with controllable point defects in TiO2 and guide the design of materials and devices by systematically researching and analysing the relationship between the controllabe point defects and the crystal structure/photoelectrochemical properties of crystalline TiO2.

通过有效控制TiO2中微观点缺陷类型和浓度可实现提高染料敏化太阳电池光电转换效率的目的。然而，电子在TiO2中的传输机理、TiO2/电解液界面上电荷复合动力学等基本理论问题仍未完全解决。本项目以可控制备的纳米晶TiO2为研究对象，有目的在材料基体中引入微观点缺陷，在隔离众多能显著影响染料敏化太阳电池性能因素的前提下，通过材料表征、性能测试并结合理论计算，系统研究纳米晶TiO2中氧空位、N掺杂、Cu掺杂等可控点缺陷对电池性能影响的物理本质及电荷转移和输运机理。通过项目实施，1）将实现纳米晶TiO2中缺陷类型和浓度的可控引入；2)揭示微观缺陷对纳米晶TiO2结构和光电性能影响的物理本质及电荷转移和输运机理，定量给出微观缺陷-电子传输-性能变化规律；3)将可控缺陷作为影响纳米晶TiO2结构和电池性能的紧密相关整体进行研究和分析，澄清可控缺陷状态下TiO2中电子传输机理，进一步指导材料和器件设计。

阳极氧化制备的TiO2纳米管以其优异的物理和化学性能使其在光催化、太阳电池以及传感器等领域备受关注。许多因素影响着纳米晶TiO2从锐钛矿相到金红石相的转变，如掺杂效应、晶粒尺寸效应以及应力等因素，而针对阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列可控相转变的系统研究较少。本研究重点探讨了掺杂与退火气氛、退火温度和退火时间等参数对阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列的形貌、结构、相转变规律与光电化学性能影响；考察了CuxTiy合金基体上Cu掺杂Cu-Ti-O纳米管阵列阳极氧化制备的生长及性能变化规律，初步研究了Cu2O复合纳米异质结的磁控溅射制备及其影响因素，为后续进一步实现TiO2纳米管阵列关于相转变以及光电化学性能的可控调控奠定了实验基础。本研究的主要研究内容和结论如下：. （1）采用电化学阳极氧化法制备高度有序的TiO2纳米管阵列薄膜，系统探讨了环境温度、电压、阳极氧化时间和有机酸添加剂对其形貌、结构、性能等的影响规律，初步实现了TiO2纳米管的微观结构和尺寸调控。. （2）系统研究了退火气氛(O2, N2, 5%H2+95%N2, NH3)与温度对阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列形貌、结构和相转变影响规律，建立了退火气氛与TiO2纳米管相转变和结构稳定性之间的关系，对比讨论了不同气氛退火条件下的相转变机理，定量给出O2, N2, 5%H2+95%N2气氛退火处理时TiO2纳米管中相转变激活能。NH3气氛中退火晶化处理时获得了热力学稳定的氮掺杂锐钛矿相TiO2纳米管阵列。. （3）以CuxTiy合金为基体，通过电化学阳极氧化成功制备了不同Cu掺杂量的Cu-Ti-O纳米管阵列，考察了阳极氧化时间对Cu30Ti70基体上制备Cu-Ti-O纳米管形貌、结构以及性能等影响规律，有效实现了TiO2纳米管中金属Cu掺杂的定量制备和吸收带边的拓展，为CuxTiy合金基体上进一步制备具有可控Cu掺杂量的Cu-Ti-O纳米管阵列提供了实验指导。. （4）采用磁控溅射方法，在TiO2纳米管表面沉积Cu2O纳米颗粒，制备了Cu2O-TiO2复合纳米异质结。初步讨论了磁控溅射工艺对Cu2O-TiO2复合纳米异质结形貌、结构以及光电化学性能等影响规律，为后续系统开展具有缺陷调控的Cu2O-TiO2复合纳米异质结研究提供实验参考。