二氧化钛具有化学稳定性好、无污染、抗光腐蚀、价格廉价等优点,在太阳能电池、光催化降解有机物、氢能源的产生等方面具有广泛的应用前景。但是TiO2只能吸收紫外光,阻碍了太阳光的有效利用,其应用前景也受到了限制。为了拓宽二氧化钛的带边吸收,经常利用金属离子的掺杂、非金属元素和金属离子共掺、窄带隙半导体的复合、表面处理等不同的方法提高TiO2对可见光的响应能力。但是,二氧化钛在可见光区弱的光电性能,成为制约其广泛应用的关键瓶颈。因此,针对上述问题我们开展了金属离子掺杂二氧化钛纳米材料的制备和光电性能研究工作,具体的研究内容如下:在第二章中我们利用水热合成法以钛酸四丁酯为前驱体,在强酸性条件下,制备了二氧化钛及不同锡掺杂量的二氧化钛纳米棒阵列薄膜。随后通过不同的表征技术例如XRD、Raman、SEM分别对样品的晶相和形貌进行了表征,结果表明Sn的掺杂并没有改变金红石相的结构和纳米棒形貌。通过对样品进行紫外-可见漫反射谱的表征显示Sn的掺杂使TiO2的吸收带边发生了红移,扩展了其可见光吸收。进一步通过XPS的表征表明Sn3d5/2和Sn3d3/2分别位于486.4eV和495.2eV处,说明锡以Sn4+的形式掺入到了TiO2的晶格中。之后我们利用CBD方法在样品上沉积CdS纳米颗粒,然后以多硫电解液为电解质、Cu2S为对电极对样品进行光电性能的测试,结果表明Sn掺杂量越高,器件的光电转换效率越高。由于Sn的掺杂提高了载流子的密度和传输效率导致效率的提高。在第三章中我们利用上述合成方法制备了不同锑掺杂量的TiO2纳米棒阵列薄膜。结构和形貌表征结果显示Sb掺杂后仍为金红石相结构和纳米棒状形貌,光吸收的性能测试表明吸收带边没有发生了红移。由于Sb2O3中Sb的3d峰结合能529.6eV与O的1s峰结合能530eV比较接近不易分辨,并且也没有检测到Sb3d3/2峰的出现,其结合能在537.6eV,说明Sb的掺杂量偏低。CdS量子点敏化后光电性能测试表明Sb的掺杂比Sn掺杂后的效率更高,由于Sb掺杂后载流子的密度更大和传输效率更好导致的。随后我们对Sn和Sb掺杂的样品进行了表面处理,一是在H2/Ar (H2的体积比为5%)气氛下450℃退火30min,二是在氨气气氛下450℃退火30min。我们分别利用SEM、XRD、Raman、UV-vis对样品进行了表征。研究表明氢化和氮化后的样品其形貌和晶体结构并没有发生变化,只是在表面形成了无序层。同时氢化和氮化表面处理后其可见光吸收分别扩展到了700nm和550nm处。但是不同气氛下处理后的样品对光电转换效率的影响不同,在氢气气氛下处理由于样品表面氧空位的增加,使得电子-空穴能够更好的分离,增强短路电流密度,进而增强光电转换效率。在氨气气氛下退火的样品是由于金属离子与非金属元素共掺的协同作用,由于金属离子的掺杂在导带下方形成了金属离子的局域能级,非金属元素的掺杂在价带附近形成了新的受主能级,能够吸收更多的太阳光,有效的促进了光生电子和空穴的分离,进而提高了太阳能电池的效率。在第四章中我们利用相似的水热合成法制备铌掺杂二氧化钛纳米材料。我们分别考察了铌的掺杂量和不同的反应时间对二氧化钛形貌和结构的影响,从SEM表征可知铌的掺杂样品的形貌为截角八面体。进一步利用XRD对样品进行表征,结果表明铌的掺杂量较高时为金红石相和锐钛矿相的混合物,即随着铌掺杂量的增加样品中锐钛矿相的比例增加。然后对金红石相和锐钛矿相同时存在的铌掺杂二氧化钛进行了研究,研究不同反应时间对二氧化钛形貌和微结构的影响。结果表明反应时间越长样品中锐钛矿相所占比例越高,当反应时间为6h时,生成的样品为纯锐钛矿相。