Electronic and Optical Properties of TiO2, and the Potential of Doped TiO2 for the Use in Intermediate Band Solar Cells
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3102027Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2653]
Sammendrag
Titandioksid (TiO2), med sine særegne egenskaper og kostnadseffektive, ikke-giftige, og stabile natur, er mye brukt i ulike sektorer, inkludert avanserte energiteknologier som fotovoltaiske enheter. Et eksempel på sistnevnte er den nyoppståtte interessen for dopet TiO2 som et potensielt mellombåndmateriale for mellombåndsolceller.Denne oppgaven utforsker de elektroniske og optiske egenskapene til rutil og anatase, to polymorfer av TiO2, ved hjelp av ulike metoder som GGA-basert density functional theory (DFT), en tilpasset versjon av PHS-metoden for forbedrede optiske prediksjoner, og DFT+U.Våre standard DFT-beregninger avdekket en stor underestimering av båndgapet, noe som fremhever behovet for forbedrede metoder og den potensielle nytten av den hybride HSE-funksjonalen.De optiske dataene, produsert av vår semi-empiriske modifikasjon av PHS-metoden, bekreftet i stor grad eksisterende litteratur. Imidlertid understreket visse avvik, spesielt på et detaljert nivå, behovet for metodologisk forbedring.Våre imaginære dielektriske funksjoner viste et større antall kritiske punkter enn hva som tidligere har blitt rapportert i eksperimentell forskning. Med hensikt om å adressere en mangel i litteraturen, ble det gjort et forsøk på å koble de kritiske punktene til overganger i båndstrukturen. Vi identifiserte områder i båndstrukturen med et betydelig antall mulige optiske overganger, og gjorde sammenligninger med energiene til de kritiske punktene. Vår analyse identifiserte sannsynlige bidragende overganger til flertallet av de kritiske punktene, men manglet optiske matriseelementer i tillegg til sammenlignende litteratur for å bekrefte våre funn.Våre undersøkelser av dopet TiO2 ga lovende resultater. To konfigurasjoner, rutil dopet med 25% og 12.5% CrN, dannet et mellombånd mellom valensbåndet og ledningsbåndet. Selv om svakhetene i båndgapsprediksjon iboende i \acrshort{gga}-baserte beregninger introduserte usikkerheter i resultatene våre for dopet TiO2, baner oppdagelsen av disse mellombåndene vei for spennende ruter for fremtidig forskning. Titanium dioxide (TiO2), with its distinctive properties and cost-effective, non-toxic, and stable nature, is widely utilized in various sectors including advanced energy technologies like photovoltaic devices.One such example is the recently emerged interest in doped TiO2 as a potential intermediate band material for intermediate band solar cells (IBSCs).This thesis explores the electronic and optical properties of rutile and anatase, two polymorphs of TiO2, using various methods such as GGA-based density functional theory (DFT), an adapted version of the PHS method for improved optical predictions, and DFT+U. Lastly, doped configurations of TiO2 are investigated to evaluate their potential use in IBSCs.Our standard DFT calculations revealed a vast band gap underestimation, highlighting the need for refined methods and the potential utility of the hybrid HSE functional.The optical data, produced by our semi-empirical modification of the PHS method, largely corroborated existing literature. However, certain discrepancies, particularly on a detailed level, underscored the need for methodological enhancement.Our imaginary dielectric functions exhibited a greater number of critical points (CP) than have previously been reported in experimental research. In an attempt to address a gap in the literature, an effort was made to connect the critical points to interband transitions. We identified regions in the band structure with significant numbers of possible optical transitions, and made comparisons with the CP energies. Our analysis identified likely contributing transitions to a majority of the CPs, but lacked optical matrix elements as well as comparative literature to verify our findings.Our explorations into doped TiO2 yielded promising results. Two configurations, rutile doped with 25% and 12.5% CrN, formed an intermediate band between the valence and conduction bands. Although the band gap prediction limitations inherent in \acrshort{gga}-based calculations introduced uncertainties into our results for doped TiO2, the discovery of these intermediate bands paves an exciting route for future research.