過渡金屬鈮摻雜二氧化鈦材料

由於單純的使用二氧化鈦作為材料使用仍有其需改進的地方，因此學 者開始研究摻雜其他材料於二氧化鈦，其中以過渡金屬摻雜於二氧化鈦之 中為近年來學者注重之研究之一，將過渡金屬摻雜入二氧化鈦之中會使其 材料之電位、電阻等等電性有所影響，又以鈮摻雜二氧化鈦最為顯著，根 據文獻[32]，當鈮摻雜於銳鈦礦相時，會使其電阻值降低至 2×10^-4Ω cm，

而其能帶之間的關係如圖 2.21 所示[32]，其中圖 2.21(a)為摻雜鈮之前的銳 鈦礦相二氧化鈦，而圖 2.21(b)為摻雜鈮之後的銳鈦礦相二氧化鈦，於摻雜 鈮之後，其費米能階位移至導帶之中，使此材料特性趨向金屬材料。

根據文獻[33]，鈮摻雜之二氧化鈦材料其導電性將有所提升，其原因 源於五價鈮摻雜後替代原先四價鈦，使得材料之載子濃度較原先未摻雜之 二氧化鈦高，室溫時載子濃度為 1.21×10²¹ cm^-3，將溫度降至絕對溫度 2K 時，載子濃度為 1.14×10²¹ cm^-3，藉此判斷載子濃度與溫度相關性不高，故 該作者推論此種材料屬於簡併態半導體，該研究電阻率及載子濃度對溫度 之關係圖如圖 2.22[33]。

34

圖 2.21 摻雜鈮前後之二氧化鈦能帶關係[32]

圖 2.22 電阻率與溫度、載子濃度與溫度關係圖[33]

35

2.5.1 透明導電薄膜

由於鈮摻雜二氧化鈦之後的電性改變，近來有學者利用此種材料並製 備成薄膜作為透明導電薄膜之研究，根據文獻[34]利用脈衝雷射沉積所製 作之鈮摻雜二氧化鈦薄膜，當鈮之摻雜濃度小於 3%時之透光程度非常高，

可以達到 97%的透光率，而鈮的摻雜濃度越高時透光率會逐漸下降，各波 長光源對不同鈮摻雜程度之透光率如圖 2.23[34]。

圖 2.23 各波長光源對不同鈮摻雜程度之透光率[34]

2.5.2 鈮金屬摻雜用於染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池各部分皆有可提升空間，其中若欲提升光電極部 分，有改變染料光敏化劑之吸附量、異質結構或離子摻混等方式，其中將 鈮摻雜二氧化鈦來改變其電性作為效率之提升亦是方向之一，鈮之摻雜會 使材料的導電率增加以及費米能階與導帶的偏移，藉此加強電子傳遞至光 電極且能有效抑制電子逆反應的發生。

根據文獻[35]，該研究為使用了類似水熱法的方式進行材料的合成製

36

作，以鈮和鈦的前驅物共水解來產生摻雜鈮的二氧化鈦，先以五乙氧基鈮 和醋酸螯合，再以異丙氧基鈦進行混合攪拌，使其進行水解反應，而後加 入適量的硝酸並加熱到 80℃攪拌，最後進行 250℃之水熱反應持續 12 個 小時，最後利用離心來得到乾燥的粉體。表 2.3[35]所示為利用感應耦合電 漿質譜分析儀(ICPMS)測量二氧化鈦中之鈮含量，並以掃描穿透式電子顯 微鏡(STEM)測量元素分布以確認鈮有均勻分布於材料之中，如圖 2.24[35]，

此外經由穿透式電子顯微鏡(TEM)照如圖 2.25[35]可以得知，當摻雜鈮之 濃度越高時，所形成之晶相結構之金紅石相會越少，而效果最高可以提升 約 18%之光電轉換效率。

表 2.3 利用 ICPMS 測量二氧化鈦中之鈮含量[35]

Expected Nb content, mol% 0.50 1.50 2.50 3.00 Measured Nb content, mol% 0.62 1.44 2.61 3.24

圖 2.24 STEM 測量元素平均分布程度[35]

(a)TiO2 奈米粒子 (b)Ti 原子 (c)Nb 原子

圖 2.25 TEM 觀察晶相型態

37