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面对化石能源日益枯竭以及环境污染越发严重等问题,人类社会不断开发利用可再生清洁能源以满足可持续发展的需要。光电化学水分解电池能够将太阳能直接转换成清洁可存储的氢能,是一种潜在的应对能源短缺与环境问题的途径。研究表明,在光电化学反应过程中光电极表面光生载流子复合所引起的低分离与注入效率是制约其性能的重要因素,研究光电极的表面复合机制,提高其分离与注入效率是现今光电化学太阳能分解水领域的重点和难点。本论文以制备高效率、高稳定性的硅基光阳极为目标,针对n型硅(n-Si)光阳极开启电势过正及分离与注入效率过低等问题展开深入的探究,通过构建金属-绝缘体-半导体(Metal-Insulator-Semiconductor,MIS)结构、修饰岛状分布的核-壳型纳米催化剂等方式改善n-Si光电极的光电流,降低其开启电势,在不影响光吸收的同时提高了光阳极的稳定性,并揭示影响n-Si光阳极光电化学水分解性能的关键因素。主要研究内容如下:(1)通过电化学沉积Ni纳米颗粒制备n-Si/SiOx/Ni光电极,构建MIS结构大幅提高光电化学性能。为解决光电极在碱液中的稳定性问题,n-Si光电极表面通常需要修饰一层保护层。常规的物理方法,如电子束蒸发、磁控溅射等可在电极表面生长Al2O3、TiO2等钝化层或者Ni、Co、Ir等催化剂层,但这些方法对设备、环境要求严格而且催化层薄膜显著影响半导体的为吸收,通常厚度只能控制在几纳米左右。本文采用电化学沉积的方式,通过电化学还原反应在电极表面得到了岛状分布的Ni纳米颗粒,成功制备了n-Si/SiOx/Ni光电阳极。Ni的作用包括:作为保护层,在不影响吸光的情况下,减少了Si直接与电解液的接触面积,提升了稳定性;作为高功函金属,与n-Si/SiOx构建形成了MIS结构,形成肖特基结,促进光生载流子的分离;Ni活化后形成的NiOOH作为催化剂,加速水氧化反应动力学。(2)通过两步法电化学沉积Ni@Ni(OH)2核-壳结构纳米催化剂制备n-Si/SiOx/Ni@Ni(OH)2光阳极,显著改善光生载流子的注入效率。n-Si/SiOx/Ni光阳极在反应过程中,Ni颗粒的最外层会逐渐被氧化形成NiOx/NiOOH,光电极的性能也会随之提高。但氧化层的厚度不随反应时间的延长而改变,维持在2～4nm。为了研究氧化层厚度变化对n-Si光阳极性能的影响,本文采用两步电化学沉积的方式在n-Si上制备出了核-壳结构、岛状分布的Ni@Ni(OH)2纳米催化剂。随着Ni(OH)2壳层厚度的增大,光阳极的光生电压(photovoltage,Vph)也随之提高,并在Ni(OH)2达到一定厚度(约80nm)后趋于稳定。光生电压随着Ni(OH)2厚度而变化的原因在于Ni(OH)2的强p型特征及其电解液屏蔽作用。n-Si/SiOx/Ni@Ni(OH)2光阳极的光电催化活性相比于n-Si/SiOx/Ni有明显提升,光生载流子的注入效率在较大电势窗口范围内接近100%。