Mn-TiO2/TiO2同质p-n结纳米阵列薄膜的生长及光电性能调控

新型太阳能电池的设计和制备对于改善能源危机和保护环境具有重要意义。针对TiO2/CdS、TiO2/CuInSe2 异质p-n结太阳能电池中的p型层CdS存在毒性和In价格较高等问题，本项目提出用Mn掺杂p型TiO2代替CdS和CuInSe2制备新型TiO2同质p-n结太阳能电池。在前期理论模拟和阵列薄膜制备等实验基础上，拟从三个方面进行研究：（1）制备Mn掺杂TiO2纳米阵列薄膜，研究水热条件下掺杂阵列薄膜的生长机理；（2）表征掺杂阵列薄膜的结构、形貌、光吸收谱、导带和价带移动、迁移率等，阐明掺杂薄膜光吸收带边红移机理，实现薄膜的带隙和导电类型等光电性能调控；（3）组装Mn-TiO2/TiO2同质结，表征界面形貌、价带移动及电流电压特性，调控界面结构和性能，揭示界面载流子传输机理，为制备新型高效全TiO2无机p-n结太阳能电池提供依据。

采用磁控溅射法制备了Mn 掺杂TiO2纳米阵列薄膜，通过调整Mn的溅射功率实现了Mn元素掺杂浓度的调控，Mn元素在TiO2薄膜中均匀分布。随着薄膜中Mn含量的增加，TiO2价带变宽，带隙变小，光吸收边大幅度红移，完全覆盖可见光部分。Mn掺杂还可以提高薄膜中电荷的载流子浓度和迁移率，实现p型掺杂Mn-TiO2薄膜的制备。采用DFT+U模拟Mn掺杂TiO2薄膜的带隙、光吸收、价带改变以及电学性能发现理论计算和实验结果完全吻合，从理论和实验上相互验证了替位掺杂的Mn离子是改善TiO2光电性能的根本原因。.在光电性能最优的p型较高载流子浓度MnTiO2纳米薄膜表面沉积纯TiO2纳米薄膜，制备了MnTiO2/TiO2同质结，XRD表征了纯TiO2的晶体结构，扫描电子显微镜和透射电镜观察了同质结的形貌，用透射电镜中的EELS分析了薄膜及界面的元素分布及化学状态。上层锐钛矿TiO2和下层金红石Mn-TiO2形貌有所不同，下层Mn-TiO2为垂直于底面的柱状晶，而上层TiO2为非常明显的发散束状结构。EELS分析显示Mn元素在MnTiO2薄膜内和界面处的吸收不管是形状还是峰强都有明显的区别，说明在Mn-TiO2薄膜的表面继续制备纯TiO2薄膜会对界面处的Mn元素价态造成影响。结合形貌、结构及元素分析的结果我们认为晶型的不匹配和界面Mn元素价态的不连续性是影响Glasss/Ti/Mn-TiO2/TiO2/Ti器件整流特性的主要原因。.Mn-TiO2/PCBM器件在光照下产生0.2V的开路电压和8 μA的短路电流，证明我们所制备的Mn TiO2纳米阵列薄膜是p型半导体材料。同时为了避免Mn元素的界面扩散，我们改变了器件的制备顺序，制备了Glass\FTO\TiO2\Mn-TiO2\Ti器件，结合n型层TiO2的载流子浓度调控实现了器件的整流特性，通过对器件结构和I-V特性的分析发现界面处的载流子以复合为主。.总之，通过表征掺杂阵列薄膜的结构、形貌、光吸收谱、导带和价带移动、迁移率等，阐明了掺杂薄膜光吸收带边红移机理是Mn的替位掺杂，实现了薄膜的带隙从3.2eV到1.5eV的连续调控并实现了p型掺杂；组装了Mn-TiO2/TiO2同质结，通过表征及调控界面结构、形貌及电流电压特性，揭示了我们所制备的Mn-TiO2/TiO2同质结界面载流子是以复合的形式为主。