Étude théorique desepropriétés structurales, électroniques et optiques du composé TiO2 pour des applications photovoltaïques

Abstract

Dans-ce travail, nous avons mené une étude théorique approfondie des propriétés structurales, électroniques et optiques des trois phases cristallines principales du TiO2, à savoir le rutile, l’anatase et le brookite. Les calculs ont été réalisés à l’aide de la-théorie de la fonctionnelle de la-densité-(DFT) avec l’approximationedu gradient-généralisé (GGA-PBE), en utilisant le code CASTEP, avec une énergie de-coupure fixée à 400 eV et un-maillage k-point de 4×4×4. Après optimisation géométrique, les structures obtenues ont été utilisées pour l’analyse des bandes électroniques, de la densité-d’états (DOS) et des fonctions optiques telles que la fonction diélectrique, l’indice de réfraction et le coefficient d’absorption. Les bandes interdites calculées sont de 1,971 eV-pour la phase rutile, 2,111 eV-pour la phase anatase et 2,400 eV-pour la phase brookite.La phase rutile présente une liaison Ti–O principalement ionique, tandis que la phase anatase montre un caractère partiellement covalent. la phase brookite révèle une liaison mixte, combinant des caractères ioniques et covalents. Les constantes élastiques Cij révèlent des comportements mécaniques contrastés entre les phases : le rutile est rigide et modérément anisotrope, l’anatase présente une grande rigidité plane mais une faible résistance au cisaillement, tandis que la brookite se distingue par une forte anisotropie et une flexibilité accrue.Les indices de réfraction statiques obtenus n0 = 0, 96 pour le rutile, n0 = 0, 95 pour l’anatase et n0 = 0, 94 pour la brookite confirment une bonne transparence optique globale du TiO2. Dans le domaine visible, la phase anatase présente la meilleure transparence, suivie de près par la brookite, tandis que la phase rutile, plus absorbante, est mieux adaptée aux applications nécessitant une forte interaction avec les UV. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les données de la littérature et confirment que le TiO2 selon sa phase cristalline présente des propriétés adaptées aux dispositifs absorbants dans les cellules solaires et autres systèmes optoélectroniques avancés.