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金属离子掺杂TiO2薄膜电极的制备及光电性能研究

摘要

本研究旨在探索金属离子掺杂对TiO?薄膜电极光电性能的影响，通过溶胶-凝胶法、磁控溅射法等多种方法制备不同金属离子（如Fe3?、Cu2?、Zn2?等）掺杂的TiO?薄膜电极，并对其进行结构表征与光电性能测试。研究结果表明，合适的金属离子掺杂能够有效改善TiO?薄膜电极的禁带宽度、载流子浓度等性能，显著提升其光电转换效率。本研究为TiO?薄膜电极在光催化、太阳能电池等领域的进一步应用提供了理论依据与技术支持。

一、引言

TiO?作为一种宽带隙半导体材料，因其化学稳定性高、光催化活性强、无毒无害等优点，在光催化降解污染物、太阳能电池等领域展现出巨大的应用潜力。然而，纯TiO?的禁带宽度较宽（约3.2eV），只能吸收紫外光，对可见光的利用率较低，且光生电子-空穴对复合速率快，这些因素限制了其光电性能的进一步提升。为解决这些问题，研究人员尝试通过金属离子掺杂的方法来改善TiO?的光电性能。金属离子掺杂能够引入杂质能级，降低TiO?的禁带宽度，拓展其对可见光的响应范围，同时抑制光生电子-空穴对的复合，从而提高光电转换效率。本研究系统地研究了不同金属离子掺杂TiO?薄膜电极的制备方法及其光电性能，期望为TiO?薄膜电极的优化提供新的思路和方法。

二、实验部分

2.1实验材料

实验选用钛酸四丁酯[Ti(OC?H?)?]、无水乙醇（C?H?OH）、冰醋酸（CH?COOH）作为制备TiO?溶胶的主要原料。掺杂金属离子的盐类分别为硝酸铁[Fe(NO?)??9H?O]、硝酸铜[Cu(NO?)??3H?O]、硝酸锌[Zn(NO?)??6H?O]等，所有化学试剂均为分析纯。基底材料选用FTO（氟掺杂的SnO?）导电玻璃，其尺寸为25mm×25mm，方块电阻约为15Ω/□。

2.2金属离子掺杂TiO?薄膜电极的制备

2.2.1溶胶-凝胶法

首先，将一定量的钛酸四丁酯缓慢滴加到无水乙醇中，在磁力搅拌下混合均匀，形成溶液A。然后，将冰醋酸和适量的无水乙醇混合，得到溶液B。在剧烈搅拌下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中，继续搅拌1-2h，得到均匀透明的TiO?溶胶。接着，根据不同的掺杂浓度需求，将一定量的金属盐溶解在少量无水乙醇中，然后缓慢加入到TiO?溶胶中，充分搅拌使其均匀分散，得到金属离子掺杂的TiO?溶胶。采用旋涂法将掺杂溶胶均匀涂覆在FTO导电玻璃基底上，以3000r/min的转速旋涂30s。将涂覆后的样品在100-120℃的加热板上干燥5-10min，然后在马弗炉中以一定的升温速率加热至450-550℃，保温1-2h，随炉冷却，完成薄膜的退火处理。重复上述旋涂、干燥和退火过程3-5次，得到一定厚度的金属离子掺杂TiO?薄膜电极。

2.2.2磁控溅射法

将TiO?靶材和金属靶材（如Fe靶、Cu靶、Zn靶）安装在磁控溅射设备的靶位上。将FTO导电玻璃基底用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗15min，然后用氮气吹干后放入溅射腔室。抽真空至腔室压力低于1×10??Pa，通入氩气作为溅射气体，调节气体流量和溅射功率，控制溅射时间，在不同的工艺条件下制备金属离子掺杂TiO?薄膜电极。通过调节金属靶材的溅射功率和溅射时间来控制金属离子的掺杂量。

2.3样品表征

采用X射线衍射仪（XRD）对制备的薄膜电极进行物相分析，确定其晶体结构。利用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形貌和微观结构，分析薄膜的表面粗糙度、颗粒大小及分布情况。使用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）测量薄膜电极在200-800nm波长范围内的光吸收光谱，研究其对光的吸收特性。通过X射线光电子能谱（XPS）分析薄膜中元素的化学状态和价态，确定金属离子的掺杂形式。

2.4光电性能测试

采用电化学工作站进行光电化学性能测试。以制备的金属离子掺杂TiO?薄膜电极为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，组成三电极体系。电解液选用0.5mol/L的Na?SO?溶液。在模拟太阳光（AM1.5G，100mW/cm2）照射下，测量电极的开路电压、短路电流、光电流-电压曲线（I-V曲线）和电化学阻抗谱（EIS），计算光电转换效率，评估薄膜电极的光电性能。

三、结果与讨论

3.1结构表征结果

3.1.1XRD分析

图1为纯TiO?薄膜电极和不同金属离子掺杂TiO?薄膜电极的XRD图谱。从图中可以看出，纯TiO?薄膜在2θ=25.3°、37.8°、48.0°等位置出现了明