在未来可以预测的清洁能源载体中,氢气是很有前途的候选者之一,如果它能够用世界上最丰富的能源-太阳能来生产。光电化学(PEC)分解水产氢是太阳能制氢的一种重要策略,在几十年来一直广受研究。显然,一个理想的太阳能转换氢能系统若要到达实用程度,应该成本低廉制备简单,环保安全,并且拥有足够高的效率。虽然为了克服光电化学分解水的热力学和动力学势垒,只需要1.6-1.8v的光生电势,但目前尚未发现某个单一的半导体材料能实现较高的太阳能氢能(STH)转换效率。为了完全的分解水和达到一定的光电流,需要给光电极施加较大的外部偏压,这是转换效率不高的重要原因之一。因此,在光电化学领域中,我们亟需新的能实现水的完全分解的途径,并且不需要添加偏压。为代替使用电化学工作站给光电极辅以偏压来进行完全的水的分解反应,人们开始把目光转向器件设计。最简单直接的方法是将一个太阳能光伏电池(PV)连接到担载了电催化剂的电极(PV-EL)/光电极(PV-PEC)上,用光伏电池产生的偏压推动光电极分解水。到目前,效率领先的此类器件有GaAs太阳能电池连接到p型的光阴极p-GaInP2材料上;光阳极和单结或双结的硅太阳能电池串联;电催化剂电极与三结非晶硅太阳能电池串联等。然而,这些器件大多需要复杂的安装和高开路电压的太阳能电池。并且,太阳能电池的昂贵成本以及复杂的电连接使得这种方法难以实现大规模的实际运用。另一种可行的方法是将p型半导体和n型半导体串联组成器件,又称p/n双光子水分解电池。在此方案中,用n型半导体作为光阳极吸收太阳光谱中较短波长的光子,用p型半导体吸收光阳极过滤后波长较长的光子。在热力学角度,只要求p型半导体生成的电子能催动水还原反应,n型半导体生成的空穴能催动水氧化反应,并不需要两种半导体的导带和价带能同时跨越水的还原和氧化电势(1.23eV)。而两个更小带隙的半导体意味着更多的光谱吸收。因此,选择合适的光阳极和光阴极就能实现水的完全分解,且不需要额外的偏压辅助。在这种器件系统中,水氧化和还原反应直接发生在半导体-电解液结上,这意味着所需的结的数量被降到最低,器件的成本和复杂程度也因此降低。本论文以硅纳米线和钒酸铋作为光电极材料,探索了这种器件实现的可能性,主要研究内容如下:钒酸铋/硅纳米线串联器件实现无偏压下水的完全分解的研究。研究三电极体系下钒酸铋和硅纳米线光电极的光电化学性能,我们评估了钒酸铋/硅纳米线串联电池的可能性,并验证了该器件的成功运行。分别担载了 Co-Pi和Pt催化剂后,我们推测器件光电流能达到0.5r mA cm-2。在两电极体系下,我们验证了这种组合能够实现无偏压下两电极的完全的分解水反应,STH转换效率可以达到0.57%,在3.5 h内获得一定的稳定性。三电极体系下两个电极的性能交叉点和两电极下的工作点相比稍大一些,这可能来自两电极体系下电极距离和电阻等影响。当进行两电极稳定性测量时,观测到光电流在开光100s间有一快速的下降,100s后达到相对稳定并持续下去。对器件稳定性测试前后的光阳极和光阴极性能进行对比,发现钒酸铋光阳极的性能下降,相反硅纳米线光阴极性能则提升。通过一些表征手段和对比试验,我们证明了光阳极的性能下降来自于产氧电催化剂Co-Pi的腐蚀脱落,这也是器件中100s内性能迅速下降的原因,而硅纳米线光阴极的性能提升我们推测来自于表面态的逐渐清除。