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持续增长的全球能源消耗总量和全球气候变暖等问题,不断推动着全球科学家大力发展绿色可再生能源。光电催化水分解（Photoelectrochemical,PEC）制氢是各国研发新能源领域中的一个重要方向。PEC水分解制氢旨在通过半导体材料在太阳光的照射下形成光生载流子,从而催化水分子裂解产生氢气和氧气。其中,光阳极上的产氧反应是一个涉及多步骤的四电荷连续反应,需要较高的反应活化能,快速的反应动力学和较快的电子注入效率;此外,光阳极的光吸收半导体材料在太阳光的照射下生成的光生空穴具有极强的氧化性,容易造成半导体表面氧化从而影响反应稳定性。因此,光阳极上的水分解产氧过程是影响PEC水分解实际效率的主要因素。寻找一种合适的光阳极半导体材料,使其在具有良好稳定性的同时,有着较高的光生载流子浓度和合适的反应起始电位,是提高PEC水分解制氢效率的关键。氮化钽（Ta3N5）以其合适的禁带宽度（～2.1 e V）、理想的导带和价带位置、理论上拥有出色的起始电位、优秀的载流子密度和载流子迁移率等优点,受到了各国科学家们的广泛关注。Ta3N5光阳极的理论最高光电转换效率高达15.9%。但是,目前报道的Ta3N5光阳极器件的实际PCE仅为2%～3%,远低于其理论值,且器件的稳定性无法满足商业应用的要求。这主要是因为Ta3N5内部存在大量的原生缺陷,这些缺陷不仅会成为光生载流子的复合中心从而降低光生电流密度,还会在Ta3N5表面形成“钉扎效应”从而阻止能带弯曲。这种效应会增加水氧化反应所需的反应动力学,从而提高器件的起始电位。此外,还有研究表明Ta3N5表面存在严重的载流子复合和自氧化作用,从而导致Ta3N5光阳极的稳定性较差。因此,本文主要的研究内容是优化Ta3N5光阳极制备方法,并进一步提高其器件性能和稳定性。本文主要研究内容如下:（1）采用电子束蒸发（Electron-beam evaporation,EB）来制备Ta3N5吸收层。通过对氮化时长、氮化温度、NH3流量以及产氧助催化剂种类等实验条件的优化,成功制备得到了有高效产氧助催化剂Co Ni Fe-Bi修饰的Ta3N5光阳极器件:其最高光电转化效率为2.11%,起始电位为0.48 VRHE,电流密度为7.3 m A/cm~2（1.23 vs.RHE）。（2）为了进一步了解Ta3N5光阳极中各类缺陷的形成原因和作用机制,本文通过改变氮化过程中的NH3流量,来调节Ta3N5薄膜中各类缺陷的浓度,并对Ta3N5光阳极进行性能测试。研究发现,随着NH3流量的升高,器件性能呈现出先升高再降低的趋势;器件的起始电位、饱和电流以及填充因子也有着规律性变化。随后,本文通过各类光学表征手段,对Ta3N5薄膜内部的缺陷种类和缺陷浓度进行分析。从实验上解释了ON缺陷、VN缺陷以及Ta3+缺陷的形成原因,并了解了它们对于Ta3N5光阳极催化性能的影响。最后,通过建立物理模型,通过理论计算进一步验证了之前的试验结果。（3）基于上述缺陷研究,本文设计了在Ta3N5光阳极的制备过程引入了前驱体薄膜前处理工艺:使用双氧水来提高薄膜中的ON浅能级缺陷浓度,并降低Ta3+深能级缺陷浓度。最终,浸泡2小时后制备得到的Ta3N5器件的性能最好,转换效率达到了2.25%。起始电位为0.46 VRHE,电流密度提升到了8.2 m A/cm~2（1.23 vs.RHE）。（4）将ALD和EB相结合,并使用一步氮化法制备得到了结构为In:GaN/Ta3N5/Mg:Ga N/Co Ni Fe-Bi的Ta3N5基光阳极器件。通过这种界面修饰工艺,器件的起始电位和光生电流密度都有着明显的改善。制备得到的器件的最高光电转化效率达到了3.46%,各项催化性能参数均显著提升,且器件的稳定性也得到了巨大提升。这种界面工程策略,不仅可以成功构建内建电场,还可以提高空穴注入效率和载流子分离效率。这种n-i-p结构的Ta3N5光阳极器件在PEC水分解领域具有一定的借鉴作用。