TiO2薄膜在紫外光照下可表现出光催化和超亲水特性,且由于TiO2薄膜本身强度高,化学性质稳定,因此在太阳能电池、光分解水制氢、自清洁玻璃等诸多领域拥有十分广阔的应用前景。然而,由于TiO2的禁带宽度较大(Eg=3.20eV),其价带内的电子难以被可见光激发,故而只有在其禁带宽度得到缩减后才能表现出较为理想的光电性能。研究表明,金属离子掺杂是减小Ti02薄膜禁带宽度的重要途径,也是提高其光电转化效率的有效方式。在众多的金属离子中,由于Mo原子直径与Ti很接近,在被掺入TiO2薄膜后能够有效取代Ti4+、从而有效提高TiO2在可见光下的载流子浓度。不过,在较高的掺杂浓度下、Mo原子也可能成为Ti02晶格中的间隙原子,这会增大晶格缺陷、并最终导致光电转换效率的降低。因此,Mo的掺杂量存在一个适宜的浓度,过量Mo掺杂会增大载流子复合率,而最佳掺杂量又会随着掺杂方式的不同而变化。本文通过磁控溅射制备了不同Mo掺杂量的Mo-TiO2薄膜,确定了磁控溅射条件下TiO2薄膜中Mo的最佳掺杂量,考察了Mo含量对薄膜带宽、表面形貌、晶格结构以及光电流强度的影响。在此基础上,通过射频磁控共溅射制备了多层结构的Mo掺杂Ti02薄膜,研究了载流子在结构更为复杂的多层薄膜内的迁移特性,发现特定的多层结构能够凭借所植入的内电场加速载流子分离,显著地提高光电转换效率。我们对内电场的植入途径、结构特征进行了优化,并对作用机制做了探讨。为消除薄膜与导电金属基板之间的肖特基势垒对载流子传输的不利影响,本文凭借极高掺杂量将势垒厚度压缩到纳米以下、从而首次成功利用隧道效应消除了多层Ti02薄膜中这一势垒的负面作用。与均匀掺杂的最佳样品相比,基于隧道结的多层薄膜可实现了光电转换效率的倍增。具体发现包括：1.均匀Mo掺杂时,在Ti02薄膜中掺入的Mo以Mo6+和Mo5+两种价态存在；随着掺杂Mo含量的增加,Mo-TiO2薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,晶格畸变增大,吸收阂值显著红移；薄膜的禁带宽度先减小后增大,在Mo掺杂量2.7at.%时禁带宽度最小；Mo掺杂量0.9at.%的样品在氙灯下的光生电流最大,且随着所加阳极偏压的提高光生电流并未呈现出饱和的趋势。此后随着掺杂量的提高,薄膜的光生电流开始下降,当Mo掺杂量达到3.6at.%时,薄膜的光电流小于未掺杂的样品。这表明适当浓度的Mo掺杂能够提高Mo-TiO2薄膜光电性能,光生电流最大可达未掺杂的2.4倍。掺杂可以有效减小薄膜的禁带宽度,较高浓度(2.7at.%)的均匀掺杂能够将禁带宽度由3.70eV缩减到3.20eV,不过此时过高的掺杂浓度形成了过量的晶格缺陷,过高的复合率降低了光电转换效率；2.在双层薄膜结构中,在均匀掺杂的Mo-TiO2薄膜表面覆盖未掺杂的纯TiO2层后,所得的双层结构体现出更为优异的吸收、光电特性。如在均匀掺杂的Mo-TiO2薄膜底部加入更高浓度的Mo掺杂层,样品对可见光的吸收特性并无明显改善,光电转换效率反而会肖特基势垒的影响而降低。然而,将底部高浓度掺杂层的Mo含量提高到1020cm-3,再依次覆盖均匀Mo掺杂与未掺杂TiO2层后,所得三层样品体现出最高的光电转化效率。该三层结构中,底部高浓度掺杂层厚度以10～20nm为宜,过厚的厚度会使得电子在经过该层时复合率激增,从而降低了载流子浓度。3.多层薄膜中,随着掺杂量的提高,基板与底层薄膜间的肖特基势垒不断增强,并逐渐取代高复合率、成为阻碍载流子迁移的主要因素。对多层作用机制的深入研究发现：底层掺杂浓度高于1020cm-3时,薄膜底部的肖特基势垒对载流子扩散的负面特性消失,同时出现隧道结的整流特性。此时,多层样品中的光生载流子在内电场的加速下快速分离,并以较高的隧穿率穿过薄膜底部的肖特基势垒到达基片,从而显著提高载流子迁移速度。