能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题,太阳能作为清洁、可再生能源受到了人们的广泛关注。太阳能光催化分解水制氢和太阳能电池是有效开发和利用太阳能的重要途径。对于光催化分解水而言,半导体光催化剂是决定光催化活性的关键,理想的半导体光催化剂应具有稳定的结构、合适的带隙大小和带边位置、能有效的抑制电子-空穴的复合等特点。然而,到目前为止,很少有半导体能同时满足这些要求,寻找和合成理想的半导体光催化剂是太阳能分解水制氢的热门话题。在太阳能电池中,染料敏化太阳能电池由于工艺简单、价格便宜、转换效率高等优点而受到人们的青睐。发展高性能的光阳极半导体薄膜、光谱响应宽稳定性好的染料敏化剂是提高太阳能染料敏化电池性能的重点。本论文基于第一性原理密度泛函理论方法,研究了ZnO、MoS2的稳定性、能带结构等性质,通过掺杂和表面分子修饰的方法实现其在光催化制氢和染料敏化太阳能电池中的应用,主要内容如下：(1)阴-阳离子共掺杂调节ZnO能带结构以提高其光催化活性。ZnO由于带隙过宽,光吸收只局限在太阳光的紫外区域。为了提高其光催化活性,需减少ZnO的带隙,使其在可见光区域的光吸收增强。我们提出了阴-阳离子共掺的方式,该方法不但可以有效减小ZnO的带隙,而且可通过n型和p型掺杂物之间强库仑作用增强体系的稳定性。计算结果进一步揭示,(Ti+C)补偿共掺、(Sc+C)、(Cr+C)补偿共掺的ZnO由于具有合适的带隙、少量的电子-空穴复合中心、与水的氧化还原势相匹配的带边位置、增强的可见光光吸收和稳定的结构,被认为是理想的水分解制氢的光催化剂。(2)等价阴-阳离子共掺调节ZnO能带结构以提高其光催化活性。针对单掺杂和非补偿共掺杂引入的杂质带可能导致形成新的复合中心不利于光催化活性的问题,我们进一步提出了等价阴-阳离子共掺ZnO的方法。计算结果表明,该方法不仅能有效降低ZnO的带隙,而且不会形成深杂质能级和部分占据能级,因此能有效抑制电子-空穴的复合。其中(Cd+Te)掺杂的ZnO由于具有合适带隙和带边位置被认为是较好的水分解制氢的光催化剂。这种等价阴-阳离子共掺的方法也可以用来调节其它宽带隙半导体材料的能带结构。(3)表面修饰调节单层MoS2的能带结构以实现其光催化分解水制氢的活性。单层MoS2是带隙为1.8 eV的直接带隙半导体,能有效吸收太阳光,但其导带底位置低于制氢的还原势,限制了MoS2在光催化分解水制氢方面的应用。我们的研究表明,表面吸附极性分子能改变MoS2的带边位置,这主要来源于极性分子本身的电偶极矩和表面吸附所诱导的界面处的电偶极矩。改变表面分子覆盖率、对极性分子进行功能化处理以及衬底作用都会对MoS2的带边位置产生一定影响。其中,三层C6H5CH2NH2/MoS2/graphene的异质结构能满足光催化水分解的要求被认为是理想的光催化剂。(4)有机分子修饰的MoS2在染料敏化太阳能电池中的应用。为了解MoS2在染料敏化太阳能电池中应用的可能性,我们选择了合适的有机染料分子吸附在其表面。研究结果表明,苯基共轭的寡烯染料分子D1、D2和D3能有效吸附在MoS2表面,分子的最低未占据能级(LUMO)与其导带能级相匹配,保证了电子的有效注入,太阳能电池的最大能量转换效率可高达～17%。石墨烯的出现不仅提高了MoS2的稳定性,而且有效的改善了电荷的分离。其中,D3/MoS2/graphene的异质结构由于具有较好的稳定性、匹配的能带结构、较小的载流子复合和较高的能量转换效率,被认为是可靠的染料敏化太阳能电池的候选材料。这些计算结果为MoS2作为染料敏化太阳能电池的光阳极提供了理论上的支持。