环境污染和破坏以及严重缺乏的清洁和自然能源是目前全球范围内面临的严重挑战,研究绿色的、可持续发展的新型环境及能源材料和技术是当今最重要的课题之一。二氧化钛(TiO2)由于其化学稳定性、无毒无害、高反应活性以及低廉的价格等一系列优点,在环境污染治理及清洁能源领域具有重要应用。但由于其禁带宽度较宽(Eg= 3.2 eV),只能吸收波长小于387nm的紫外光,因此对太阳光的利用效率很低,且TiO2在光照下产生的光生电子-空穴对极易复合,使其光量子效率降低,导致其实际应用推广受到限制。科研工作者们通过大量的研究发现:金属离子对TiO2进行掺杂改性,可以拓宽其对可见光的响应以及降低其光生电子-空穴对的重组率。因此,金属离子掺杂成为TiO2改性及其性能研究领域的一个热点。本论文以纳米TiO2半导体作为主要的研究对象,采用过渡金属离子V、Co对其进行掺杂改性,使用溶胶-凝胶法完成了对纳米TiO2半导体的制备与合成,并获得了对有机染料具有优异可见光降解性能的(V,Co)-TiO2纳米半导体光催化剂,同时将其用作钙钛矿太阳能电池的多孔层时,可以提高光电转换效率。基于实验结果,探讨了(V,Co)-TiO2纳米半导体的形貌特征、光谱特性以及其催化机理。本论文法具体研究内容和结果如下:一、V、Co共掺TiO2纳米半导体材料的制备和表征:以NH4VO5、Co(NO3)3·6H2O作为过渡金属元素来源,蒸馏水为溶剂,采用溶剂-凝胶法制备了V、Co离子掺杂改性的纳米TiO2半导体材料,并通过XRD、TEM、XPS、BET、UV-Vis和PL等获得各半导体材料的晶体结构、形貌特征、孔结构、比表面积、光谱特性等信息。通过正交试验得出最佳制备条件为:V单掺的摩尔浓度为n(V):n(Ti)=0.3%的V-TiO2,Co单掺的摩尔浓度为n(Co):n(Ti)=0.1%的Co-TiO2,V与Co共掺的摩尔浓度为n(V):n(Ti)=0.3%、n(Co):n(Ti)=0.1%的(V,Co)-TiO2在pH=1.5,经500℃热处理后的样品显示最好的光催化活性;以及V与Co共掺的摩尔浓度为n(V):n(Ti)=0.3%、n(Co):n(Ti)=0.1%的(V,Co)-TiO2在pH=1.5,经500℃热处理后的样品显示出最好的光电转换效率。二、实验结果表明:在最佳制备条件下所制得的TiO2纳米半导体光催化剂为锐钛矿与金红石混晶型纳米TiO2。由于V、Co元素的掺入,与纯TiO2相比,吸收光谱阈值波长由405 nm红移至475 nm,且(V,Co)-TiO2半导体光催化剂荧光光谱强度明显降低。在普通日光灯照射下,(V,Co)-TiO2半导体光催化剂60 min对MB的光催化降解率达到92.12%,明显优于P25的56.55%的催化效率。并通过理论计算研究了 V、Co离子掺杂对TiO2电子结构和光学性质的影响,发现两种过渡金属离子V、Co掺杂TiO2半导体光催化剂的杂化作用,不仅有利于光生电子-空穴对的产生,还有利于光生载流子的跃迁,从而提高其光电化学性能。三、通过组装了以不同的TiO2(纯TiO2、V-TiO2、Co-TiO2、(V,Co)-TiO2)作为多孔层的(FTO/TiO2致密层/多孔层TiO2/CH3NH3PbI3/C)钙钛矿太阳能电池,并研究了它们的光伏特性,发现V、Co离子掺杂后的TiO2半导体作为多孔层的钙钛矿太阳能电池的填充因子增大,进而使其光电转换效率得到了提升,特别是以(V,Co)-TiO2半导体作为多孔层的太阳能电池的转换效率从8.29%提高到10.18%。