太阳能被普遍认为是一种可再生的、洁净的、供给能力巨大的能量来源。当前，获取与转换太阳能的一条可行途径主要是利用半导体材料内部的光电响应过程将入射太阳光子的能量吸收并转化电能或化学能。传统的基于大块体半导体的平板光电转换技术已经在太阳能转换效率方面取得了可喜的进步，然而，其转换效率的进一步提高及加工成本的进一步降低受到了大块体半导体材料中光子吸收与载流子有效收集相互调制的限制。理论和实验已证明，半导体材料的纳米结构化可有效突破大块体半导体平板光电转换技术的这种限制，其优势主要体现在以下几个方面：1)半导体材料的纳米结构化可构造广泛的异质结，从而大大减少光生载流子扩散迁移的距离，即减少了光生过剩载流子在扩散迁移过程中的再结合损失；2)通过半导体材料纳米结构化可大大增加半导体材料的比表面积，从而在一定程度上增加了半导体材料有效活性成分的比例；3)特殊构造的纳米结构半导体可突破传统大块体平板半导体光伏中光吸收方向与光生载流子分离、迁移方向的相互调制的限制，即光吸收方向与载流子分离、迁移的方向可以不同；4)半导体材料纳米结构化可产生一些新的物理性质，例如量子限域效应、光子晶体效应、能带特征或电子结构重构等等。这些效应可以调控半导体材料的带隙大小以及对光响应的能力强弱等等，从而赋予了半导体材料丰富的、可调控的光电响应性质。基于以上所述纳米结构半导体材料可能获得的优异性质，本文的工作便主要围绕纳米结构半导体材料的合成以及探索这些材料在太阳能捕获及转换领域中的应用。本文主要采用水热法、电化学刻蚀法、溶胶-凝胶法、化学溶液生长法、离子交换法、交互式离子层吸附沉积法等制备了一系列纳米结构半导体材料，主要有：TiO2纳米管阵列、TiO2纳米棒阵列、ZnO纳米线阵列、分支ZnO纳米线阵列、TiO2反蛋白型光子晶体等。进一步的工作则是将这些材料直接作为光活性成分或作为其它光活性材料(如碳量子点、金纳米晶)的载体材料，探索其在太阳能捕获与转换领域中的应用。通过材料成分及结构表征、光学表征、电化学表征等一系列技术手段阐述这些纳米结构半导体纳米材料在光子捕获、光生载流子分离与输运及能量转换中的特性与优势。