基于第一原理计算的锐钛矿二氧化钛掺杂N和F的光学性质分析

IF 0.9 Q4 PHYSICS, APPLIED MOMENTO-Revista de Fisica Pub Date : 2019-01-01 DOI:10.15446/MO.N58.72149
M. Mendoza, J. Rojas
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摘要

二氧化钛在太阳能电池建设中的应用有严重的局限性;它的宽带隙约为3.2 eV,只能吸收λ<380 nm的紫外线(UV)区域的辐射。这严重地将太阳能的使用减少到5%。本研究用的是Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)的潜力密度函数理论框架(DFT)部署在代码中使用无线电波WIEN2k公寓sdm linearizadas (FP-LAPW)作为Kohn-Sham轨道近似为基础,计算电子光学和结构特性TiO2掺杂N和/或F .据指出,TiO2 anatasa阶段dopada F,当N掺杂浓度为10.4%时,F-N共掺杂的带隙降低了17%,这种带隙降低与所研究体系在可见光谱区更好的吸收有关。在单晶系统中,掺杂的锐钛矿TiO2可以提高光伏电池的效率,而这种效率的提高与掺杂元素的浓度成正比。共掺杂,在间隙减少和辐射吸收方面一直被报道为比单晶更好,但在N和F取代共掺杂体系中没有被证明是这样的。
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ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES ÓPTICAS DE TiO2 ANATASE DOPADO CON N y F EN BASE A CÁLCULOS DE PRIMEROS PRINCIPIOS
El uso de TiO2 en la construcción de celdas solares tiene una severa limitación; su band gap amplio de aproximadamente 3.2 eV que solo le permite absorber radiación en la región ultravioleta (UV) λ<380 nm. Esto reduce gravemente la utilidad de la energía solar al 5 %. En la presente investigación se usó el potencial de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) en el marco de la teoría funcional de la densidad (DFT) implementada en el código WIEN2k que usa las ondas planas aumentadas linearizadas (FP-LAPW) como aproximación de la base para los orbitales de Kohn-Sham, para calcular las propiedades ópticas y estructura electrónica de TiO2 dopado con N y/o F. Se ha observado que la fase anatasa de TiO2 dopada con F, N o el codopado F-N exhibe una disminución en el band gap hasta en un 17% para el dopado con N a una concentración de 10.4 %, y que esta reducción del gap está asociada a la mejor absorción en la zona visible del espectro de los sistemas estudiados. Los resultados indican que TiO2 anatasa dopado en distintas concentraciones puede aumentar la eficiencia de celdas fotovoltaicas y que este aumento en la eficiencia es proporcional a la concentración del elemento dopante para los sistemas monodopados. El codopado, que continuamente es reportado como mejor, en cuanto a la reducción del gap y la absorción de radiación, en comparación con el monodopado, no ha mostrado serlo en el sistema de codopado por sustitución con N y F.
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