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半导体光电催化裂解水技术是一种将太阳能转换为氢能的可持续能源制取技术,它是应对本世纪能源危机的重要技术之一。该技术具有性价比高、运行简单、环境友好等优点,极具发展潜力。但是半导体光电催化技术受制于半导体材料较宽的能带结构,无法吸收转换红外光子,造成太阳光转换效率上限较低。将红外上转换材料与光电催化材料进行耦合,利用上转换材料将红外光转换为可见光的上转换特性,可开发上转换耦合光电催化光阴极器件。该器件不仅能正常利用太阳光谱中的紫外与可见光,同时红外光经过上转换材料转换成可见荧光二次发生后也能被光电催化材料所吸收利用,提高其对太阳光的理论转换效率上限。虽然上转换耦合光电催化技术具有诸多优点,但是由于上转换材料层电子迁移率低,导致光电半导体层产生的光生载流子向其注入以及后续输运过程中能量损失严重。为应对以上问题,首先,本实验结合电化学沉积与原子层沉积技术,利用逐层组装工艺,制备了新颖的NaYF4:Er3+-Yb3+/AZO/Cu2O新型夹层型光阴极器件。该光阴极器件中NaYF4:Er3+-Yb3+作为上转换层将红外光转换为可见光,Al掺杂ZnO（AZO）透明导电玻璃作为光生载流子的收集与输送通道,避免了光生载流子向NaYF4绝缘层的注入与输运,大幅度提高光生载流子输送效率。同时,由于上转换材料NaYF4与光电催化半导体Cu2O界面存在较大的晶格失配,AZO夹层的引入可有效调和二者晶格失配,降低NaYF4层和Cu2O层界面态密度,大幅提升Cu2O层的生长质量。Cu2O作为光电催化材料实现光电能源转换。其次,结合多种测试表征手段,对该器件的结构、光学、光电化学特性进行对比测试与分析。物理特性表征结果显示该器件各组分材料结晶度高,晶体结构完整,界面间未出现明显的元素扩散,特别是AZO夹层的引入可明显提高器件表层Cu2O的晶体质量;光学特性表征结果表明该光阴极中光学传播路径相互独立,AZO夹层的引入不会对器件光学吸收能力和透射能力造成明显影响;光电化学性能测试结果表明该器件具有高灵敏的红外分辨率和高效的红外光电转换性能,在50 m W/cm2和3000m W/cm2红外激发功率下,分别产生0.25 m A/cm2和1.8 m A/cm2光电流密度,比目前已报道的传统结构提升了10倍;之后,利用电化学阻抗谱技术对该上转换耦合光电催化光阴极器件的载流子传输特性进行表征。结果表明,当AZO作为载流子收集与输运层引入后,该器件的阻抗和容抗明显下降,低频响应明显增强,通频带宽加大。进而,通过等效电路模型对阻抗数据进行拟合分析,结果表明AZO夹层在该器件中形成了高电子迁移率的载流子收集和输运通道,大幅提升了该器件的光电转换特性。最后,建立了该夹层型上转换耦合光阴极器件中各组分晶体模型,基于CASTEP密度泛函建立各组分能带结构模型、差分电荷分布模型和接触面晶体结构模型,通过阐述该新型光阴极器件中电子运动轨迹,表明体系中引入AZO夹层后,降低了光电催化半导体材料Cu2O与AZO接触面的迁移势垒,构建了光生载流子的快速输送通道,同时AZO与Cu2O的晶格失配低,能保证外侧Cu2O半导体薄膜的晶体质量。通过优化传统线性伏安扫描法,创建了净光生红外电流与偏压映射函数关系,利用半导体特征方程设立边界条件,推算三维介质空间中非平衡光生载流子在电场下复合、迁移运动轨迹,结合空间场论构建了该新型上转换耦合光电催化光阴极器件光电流函数。该函数从电子运动轨迹揭示AZO夹层降低了该光阴极器件的势垒宽度,为光生载流子构建了迁移通道。传统上转换耦合光阴极器件的光生电流背景噪音大,光生电流微弱,而AZO夹层的引进使得该新型光阴极器件的光生电流大幅度增大,因此该新型光阴极器件光电转换性能得到大幅度提升。