化石能源已经很难支撑人类社会未来的发展,且化石能源的消耗带来了很大的环境问题,因此寻找可再生的清洁能源已迫在眉睫。太阳能是世界上最丰富的可再生清洁能源,而氢气是一种清洁且能量密度高的能源载体,利用太阳能分解水制氢,可以实现太阳能到氢能的一步转化。若要实现光电化学分解水电池的大规模实际应用,必须满足三个基本条件,即高的太阳能转化效率、良好的长期稳定性和经济性。据美国能源部估计,光电化学分解水电池若要实现大规模实际应用,则必须达到10%以上的太阳能到氢能的转化效率,而半导体吸光材料是决定光电化学分解水电池效率的关键因素之一。单光子系统很难实现10%的太阳能到氢能的转化效率,可以通过组合电极(双光子系统)来实现这一目标。目前为止,已经有数种宽光谱响应的P型半导体,并且获得了很高的光电流,但是受制于其带隙的大小,并不能实现无偏压分解水;而n型半导体中宽光谱响应的材料较少,发展也相对滞后,因此n型半导体是制约双光子系统发展的关键因素。而n型半导体中被研究较多的有α-Fe2O3和Ta3N5,其中Ta3N5的理论太阳能到氢能的转化效率可以达到16%,而且目前其饱和电流也很高,但是Ta3N5受到开启电势过正和严重光腐蚀的限制,导致Ta3N5的太阳能转化效率不高,稳定性也很差。α-Fe203的带隙在2.0 eV左右,其理论效率可以达到16%左右,具有优异的光电化学稳定性,经济性以及无毒性,是一个很好的组成双光子系统的光阳极材料。但是α-Fe203的导带位置比水的还原电势正,因此需要外加偏压才能实现水分解,而且α-Fe2O3目前的饱和电流也不高,限制了其在组合电极中的应用。本论文以提高α-Fe203光阳极的太阳能到氢能的转化效率为目标,针对α-Fe203电极饱和光电流过低以及光电流开启电势过正这两个问题展开研究,通过离子掺杂、表面腐蚀以及异质结构筑等方法提高了 α-Fe203光电极的光电流,并降低了其光电流的开启电势。主要研究内容如下:通过水热法制备了 α-Fe2O3光电极,并通过Ti4+离子掺杂大幅提高了其光电化学性能。通常用水热法直接在掺杂氟的Sn02透明导电玻璃(FTO)上生长α-Fe2O3,不易制备透明的和掺杂的α-Fe203电极。本文通过调节水热前驱体溶液的浓度和pH值,成功制备了透明的Ti4+掺杂α-Fe203电极。Ti4+掺杂有两个作用,一是提高了 α-Fe203电极的载流子浓度,二是提高了 α-Fe203电极的抗腐蚀性,保护α-Fe203的生长,从而得到较厚的α-Fe203薄膜电极。另外,本文通过排除电极形貌以及表面钝化的影响,确定Ti4+掺杂引起的载流子浓度的增加是α-Fe203电极性能提高的主要原因。通过表面腐蚀的方法降低了 α-Fe203电极的开启电势,并提出了新的机理,即抑制逆反应的发生。降低α-Fe203光电流开启电势的方法通常有:产氧电催化剂的担载,加快电极的水氧化速率;表面态的钝化,降低电极表面电子空穴对的复合速率;表面离子吸附,修饰电极表面的电势。本文用表面酸腐蚀的方法,无需在α-Fe203电极表面担载任何功能层,使α-Fe2O3光电流开启电势负移了近100 mV,并提出了新的机理,此处表面酸腐蚀降低了 α-Fe2O3还原氧气的能力,抑制了 α-Fe203导带中的电子与电解液中的氧化物种的反应,从而降低了 α-Fe203电极光电流的开启电势。通过Cr3+掺杂SrTi03/Ti4+掺杂α-Fe203异质结的构筑,提高了 α-Fe203电极的电荷分离效率,从而降低了 Ti4+掺杂α-Fe203光电流开启电势。利用Ti4+掺杂α-Fe203电极表面偏析的TiOx层作为Ti源,制备了 Cr3+掺杂的SrTi03,并与Ti4+掺杂α-Fe203形成了异质结。在Cr3+掺杂的SrTiO3与Ti4+掺杂α-Fe203之间形成内建电场,促进了 Ti4+掺杂α-Fe203电极中电子空穴对的分离,并最终降低了 Ti4+掺杂α-Fe203电极的开启电势,提高了其光电化学性能。