能源是人类社会赖以生存的物质基础,其中太阳能作为一种可再生清洁能源,成为理想的能量来源。除了转化为热能外,太阳能的主要利用形式包括太阳能电池和光催化反应,太阳能电池可以将太阳能转化为电能,光催化反应能够将太阳能转化为化学能,可以有效弥补太阳能能量密度低、间歇性分布等缺点。这两种方式都需要用到半导体材料,涉及其光激发过程。作为一种典型的低维材料,二维材料具有较大比表面积,因此具有较大的吸光面积和较多的催化反应活性位,同时,因维度降低导致的限域效应增强了低维材料的光-物质相互作用和激子效应,使得低维材料成为了理想的潜在光能转化材料。构建范德瓦尔斯异质结有利于光生载流子的分离,并且能够结合两种材料的优势弥补单个材料本身的不足,因此低维范德瓦尔斯异质结是一种更加适合于光能转化利用的复合材料。本文主要利用第一性原理基态和激发态计算对低维材料在光能转化方面的应用可行性做了研究,内容分为以下六个章节。第一章介绍研究背景,主要包括太阳能、光激发和低维材料。首先介绍了能源及其分类,重点介绍了太阳能,包括来源、传播过程和在我国的分布情况,进一步对其两种主要利用方式——太阳能电池和光催化产氢的发展历史和原理做了简要说明。因以上两种利用方式必然涉及半导体材料中电子的光激发,故对原子和固体中的光激发以及固体中的激子态做了介绍。最后介绍了适用于光能转化的低维纳米材料及二维范德瓦尔斯异质结。第二章简要介绍了所采用计算工具及其理论背景,主要包括密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）。第一小节介绍了对应于基态计算的DFT,具体包括 Born-Oppenheimer 近似、Hartree-Fock 方法、Thomas-Fermi 模型、Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方法。第二小节介绍了对应于激发态计算的TDDFT,包括Runge-Gross定理、线性响应TDDFT（LR-TDDFT）以及非绝热分子动力学（NAMD）。本章的最后介绍了本文用到的软件,包括VASP、KSSOLV 和 Hefei-NAMD。第三章提出了利用边缘修饰的一维碲烯纳米带（X-ZTNR）构建异质结太阳能电池的方法,改变带宽调节带隙,利用不同官能团调节能级位置,得到了具有高能量转化效率（PCE）的异质结太阳能电池。其中四方边缘带宽为11的Cl/Br-ZTNRs异质双层的最大PCE高达22.6%,这是一个在低维材料异质结太阳能电池中具有竞争力的数据,得益于该体系通过边缘修饰调控得到的0.016 eV的导带阶和施主半导体1.44 eV的适宜带隙。第四章提出利用边缘修饰的一维磷烯纳米带（X-PNR）构建Z型异质结完全光解水催化剂,用LR-TDDFT计算展示了 OH/OCN-PNRs中的光生电荷分布,并验证了异质结中层间激子的产生。用NAMD模拟研究了界面处的超快电荷转移,表明OH/OCN-PNRs异质结的层间电子-空穴复合先于层内复合,表现出Z型异质结的特征。体系的水分解催化性能用吉布斯自由能台阶图做了研究。我们由此得到了一种设计和表征Z型异质结的通用策略。第五章利用有机分子吸附实现了二维二硒化钯（PdSe2）的p型和n型掺杂,并用电场、层间距和衬底层数对掺杂效果进行了调控。TCNQ和TTF吸附分别引入了受主和施主浅杂质能级。应用LR-TDDFT实现的激发态电子结构计算展示了最低能激发态的电荷分布,可以看出对于分子吸附PdSe2单层体系,光生电子（空穴）会局域在TCNQ（TTF）上,这说明分子吸附引入的杂质能级可参与光跃迁过程。这种利用有机分子吸附掺杂引入浅杂质能级的方法,有助于调控材料的光电性质,从而应用于光能转化。第六章总结了全文内容,并对相关激发态计算研究领域提出了展望。