非热等离子体改性纳米二氧化钛光电性能研究.pdf

摘要

寻找具有优秀太阳能转换性能的光电材料对于开发利用太阳能这一重要可再生能源具有

重要意义。二氧化钛（TiO）因其稳定的化学性质、强化学还原能力、低成本等优点，在光催

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化、太阳能电池、光热转换等太阳能应用领域吸引了研究者们的广泛关注。TiO2作为一种宽

禁带半导体，带隙约3.0-3.2eV，仅在紫外光区域具备良好的光吸收特性，占据太阳光谱大部

分能量的可见光和近红外光并未得到充分利用。因此，将TiO2光吸收范围从紫外光扩展至近

红外区域，是提高TiO2太阳能转换效率的关键举措。目前增强TiO2太阳光吸收性能的改性策

略通常采用复杂繁琐的化学合成工艺来实现，存在环境污染问题并伴随危险性，不利于研究

与应用。因此高效环保的TiO2改性方法亟待探索。非热等离子体具有丰富的高能电子和活性

物质且宏观温度接近室温，可以快捷高效地对材料进行元素掺杂和引入缺陷，同时具备环境

友好这一特性，在材料改性处理领域有着独特的优势。基于此，本文针对传统TiO2基太阳能

转换材料制备工艺中存在的工序复杂以及环境污染问题，采用非热等离子体技术高效环保地

制备了具有良好太阳能吸收性能的TiO2基太阳光转换材料，本文的具体工作如下：

（1）改善了锐钛矿TiO2在可见光到近红外区域的光吸收性能。针对TiO2在可见光-近红

外区域吸收性能较弱这一问题，仅使用N、H、Ar气体等离子体处理，制备了具有良好光吸

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收性能的氮掺杂TiO2材料，等离子体处理在实现氮元素有效掺杂缩小带隙的同时引入大量

Ti3+和氧空位缺陷，使得光吸收性能显著增强。

（2）制备了在可见光到近红外区域具有优秀光吸收性能的TiCN/C-N-TiO异质结构纳

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米颗粒。在等离子体辅助氮掺杂工艺基础上，在前驱气体中加入CH，利用非热等离子体的

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高能反应条件在TiO2表面原位生长了具有局域表面等离子体共振（LSPR）吸收特性的等离子

激元材料TiCN，同时对TiO进行碳氮共掺杂，形成“等离子激元材料/半导体”异质结构。

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二者之间存在等离子体诱导的界面电荷转移跃迁，导致TiCN的LSPR吸收峰退相，呈现

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为覆盖可见光到近红外区域的宽吸收峰，协同碳氮共掺杂引起的带隙缩小效应，使得材料呈

现优秀的太阳光吸收性能。

（3）制备了在可见光到近红外区域的具有良好光吸收性能的自掺杂TiO2-x单晶薄膜。使

用H等离子体处理锐钛矿TiO单晶薄膜，H等离子体处理使得TiO晶格中Ti4+还原为Ti3+，

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并伴随生成大量氧空位，有效提高了薄膜的载流子浓度。高载流子浓度引起样品在近红外区

域的LSPR吸收，“等离子激元材料/半导体”异质结构引起LSPR吸收峰退相，呈现为从可见

光到近红外区域的宽吸收峰，使其具备良好的太阳光吸收性能。

关键词：二氧化钛、光吸收、非热等离子体、异质原子掺杂、局域表面等离子体共振

Abstract

Findingoptoelectronicmaterialswithexcellentsolarenergyconversionperformanceisofgreat

significanceforthedevelopmentandutilizationofsolarenergy,animportantrenew