可見光下Ti02薄膜電極的光電性能研究

摘要：通過分析電極在白光和可見光照射條件下的光電子的變化特點，采用溶膠-凝膠法，陽極氧化和熱氧化法，實現了對Ti02薄膜電極的制備，根據實驗的具體結果，集中編制方法的未經修改的Ti02薄膜電極對可見光具有一定的光電響應，這可能是由熱處理過程中晶格畸變引起的，致使Ti02薄膜電極可以吸收可見光的表面態。在不同的條件下，制備Ti02薄膜電極的響應以及變化的規律與白光下的光電響應具有一致性。

關鍵詞：可見光；Ti02薄膜電極；光電性能

中圖分類號：O614.41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 10-0193-01

TiO2具有穩定的化學特性，耐酸，耐堿、無毒，來源范圍較廣，在很大程度上成為了相關行業的研究重點以及研究熱點，在光電催化的作用下，由于Ti02納米粉體的收集較為困難，由此對其研究缺乏實踐性和可用性，相關行業中的大部分研究在二氧化鈦薄膜領域。可通過多種方法進行TiO2的制備，例如電化學沉積法、溶膠-凝膠法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、熱氧化法以及陽極氧化法等幾種形式。而在這些制備方法當中，溶膠-凝膠法以及熱氧化法是較為常用的TiO2薄膜的制備方法。我們都知道，TiO2是一個n型寬能隙半導體，銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度達到了3.2eV，幾乎不響應不可見光，僅僅只能被紫外光進行激發，而波長較短的紫外線只達到占地球表面的3％到4％陽光比例，所占據的份額較小注定其對太陽光的利用程度不高，其對太陽光能的應用受到了很大的限制。要提高TiO2光催化效率和可見光的利用率可使用多種方式，例如摻雜金屬離子，注入非金屬效率離子，敏化化合物半導體和染料等方法。根據實際的實驗可了解到，在可見光照射下，未經修飾的TiO2薄膜電極具有一定的光電響應，由此展開了對TiO2薄膜電極的研究。

一、具體的實驗

通過使用ITO導電玻璃為基本的材料，在丙酮，乙醇，水，超聲波清洗10分鐘，最后蒸干；鈦酸四丁酯，乙醇，乙酸，在體積比1：4.4：0.3：0.05比在室溫蒸餾水，攪拌2h，靜置2天，得到淺黃色透明溶膠。用自制的提拉在ITO表面以1.6毫米/秒的速度拉膜，使用紅外燈照射10分鐘，重復直到得到一定厚度的TiO2薄膜。樣品放入馬弗爐中在450°C中熱處理兩個小時。

金屬鈦片擦拭明亮，使用HF、HNO3、H2O混合液浸泡30秒，用離子水清洗15分鐘，吹干。陽極氧化在兩電極系統包含0.5％HF溶液的電化學池中進行，氧化后立即取出用水沖洗干凈，在350℃熱處理1小時。

不涂膜的ITO導電玻璃基板，或打磨氧化過的鈦片的一角，用導電銀膠引出銅線，在紅外燈烤1小時，使用絕緣硅對周圍裸露部分進行密封，等到完全晾干以后就形成了TiO2薄膜電極。采用具有石英窗口的電解池，并使用三電極體系進行光電測試，使用氙燈模擬太陽的光。事變后片的石英過濾出的紅外光，紫外光-可見光，通過光學過濾器，過濾掉紫外線。

二、可見光下TiO2薄膜電極光電性能研究

（一）溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜電極性能研究

使用TiO2溶膠拉膜是制備薄膜的有效方法，具體的實踐操作較為簡單，同時也具有廣泛的應用范圍，但在拉膜后的熱處理中容易開裂。根據白光以及可見光照射下的TiO2薄膜電極的瞬態光電流曲線分析可了解到。在實際的測試過程中，飽和甘汞電極和鉑片用來作為參考和輔助電極，白光的光功率為100MW?CM-2，通過光學過濾器，篩選出390納米以下的紫外線，得到可見光，光功率30MW?CM-2。在白光，可見光照射下，TiO2薄膜電極將隨著極化電位的增加而增加，具有典型的n型半導體特性。

（二）陽極氧化制備TiO2薄膜電極性能研究

陽極氧化制備TiO2納米管呈現出高低有序的陣列排列，表現出均勻分布的特征，與固體基質的牢固結合。電解質成分，pH值，氧化時間和溫度對這種納米結構的形成具有直接的影響。在光照的瞬間，由半導體價帶電子被激發到導帶，因為處于開路狀態，由此光生電子會遷移到薄膜表面，并且產生聚集現象，降低了電極的費米能級，致使開路電壓。因此可見，TiO2薄膜光學電子-空穴的分離可用開路電壓能進行表現出來，同時也明確了遷移到半導體表面的大小的能力。經過熱處理的TiO2薄膜電極的開路電壓較大，停止光線照射后，其電位迅速達到穩定狀態。未經熱處理薄膜電極電位曲線緩慢上升，這是很難達到穩定狀態。在光照的瞬間，TiO2電極產生的穩態陽極光。TiO2薄膜電極也產生了一定量的可見光光流，陽極氧化2h沒有經過熱處理加工的光電流幾乎是零。陽極氧化2小時和陽極氧化0.5h和熱處理的TiO2薄膜電極在可見光下0.25μA的電流和0.18CM-2。

（三）直接熱氧化制備TiO2薄膜電極性能研究

根據該種方法所形成的TiO2薄膜電極的物相分析表明，在煅燒350?650℃條件下，檢測不到直接銳鈦礦晶型的TiO2薄膜的形成。當氧化溫度達到550℃，產生了金紅石型表面的衍射峰。在350?650°C溫度區間內部，氧化溫度的升高，將對光響應造成影響，氧化溫度越高，則白光之下的光響應也就越為明顯。主要由于增加了氧化溫度，致使薄膜表面結晶厚度和密度也有所增加，吸收的光子數的增加，從而也增加了光電流。但薄膜厚度并不是越厚越好，當TiO2薄膜電極達到一定的厚度時，雖然增加了二氧化鈦的反應量，但必須經過一段較長的時間，才能到達電極基板電極表面上形成的光生電子，增加光生載流子復合率，增大厚度和阻力，降低光電流。因此，存在一個最佳的氧化溫度，在00?650℃溫度下將具有最佳的光電響應。同時在可見光的照射下，TiO2薄膜電極也具有相當大的光電響應，具有與白光照射下相同的趨勢，隨著氧化溫度的增加，氧化溫度為650°C間左右具有最大的可見光的光流。

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