随着世界能源需求的迅速增长,氢气作为一种高能燃料,具有原料可持续和产物无污染的优点,是化石燃料的绝佳替代品。目前,氢能源仅被应用到一些高科技领域,但是随着经济和技术的发展,氢能源终将会作为清洁能源而被广泛应用的社会各个领域。基于太阳能的光电化学分解水制氢技术由日本科学家Fujishima等在1971年报道以来,被认为是最经济、环保的氢能源获得方式之一。典型的光电化学制氢装置由光阳极和光阴极两部分组成,中间由离子隔膜分开,其中光电极是决定光解水制氢性能的核心部件。在光电化学分解水过程中,半导体光阳极吸收能量高于其带隙能的光子产生电子-空穴对,在内建电场或外加偏压的作用下电子-空穴对发生分离,然后分别到达光阴极和光阳极的表面并与电解液发生氧化还原反应产生氧气和氢气。考虑到能带和成本,这里的光电极往往是金属化合物半导体组成。在过去的几十年,研究者通过修饰、改性已有和研发新材料来提升半导体光电极性能,并取得了一系列显著的成果,然而其性能仍远低于理论值。归根到底,其性能受限于金属化合物半导体自身载流子生成和收集的矛盾关系,同时也受限于载流子的向内-向外传输损失。针对载流子生成和收集的矛盾,本论文采用化学气相沉积法在导电玻璃基底上生长出具有单晶属性的SnO₂/ITO单晶纳米线阵列作为高效的导电网络,有效避免了由于晶界导致的载流子散射和复合。然后,在导电网络上采用电化学沉积窄禁带半导体作为吸光层,组成核壳异质结构光阳极阵列。通过此设计,添加一个维度将二维的光吸收转变成三维,载流子传输距离始终保持在较短的范围内（20 nm）。针对载流子传输问题,本论文对不同区域的传输区分解决:对于半导体内部的传输,通过核壳异质结构,采用内部单晶纳米线作为高效的电荷传输通道;对于界面上的电荷传输,本论文提出采用电荷传输层修饰半导体表面。通过碳基电荷传输层,将原本半导体和助催化剂的固-固点接触转变为二维面接触,显著提升了电荷在半导体/电荷传输层/催化剂/电解液界面上的传输。本论文针对金属化合物半导体光电化学分解水研究中存在的核心问题,展开研究,提出了相应的解决方案,并从实验和理论上分析了其工作机制。本论文的研究极大地丰富了半导体光电极的纳米结构设计;同时本论文提出了采用碳基材料作为电荷传输层,将极大地提升光电极的光电化学性能,将推动金属化合物半导体光电化学分解水器件的发展。