能源及环境问题日渐成为制约人类社会发展的重要问题。自工业革命至今，人类社会对化石能源的依赖及过度消耗已难以维持全球经济及工业的可持续发展。为保持全球经济增长活力，必须对现存的以化石能源为主体的能源结构进行改革优化和结构升级，开发和使用新型清洁能源。在众多新型清洁能用中，太阳能是一种清洁、丰富且不受地域限制的可再生能源，可谓取之不尽用之不竭。充分和高效的利用太阳能是解决能源及环境问题的重要途径。太阳能的利用方式大致可分为三种，即光电转换、光化学转换、光热转换。光电转换的主要方式为太阳能电池，也是目前人类利用太阳能最为有效的方式之一。铜铟镓硒薄膜太阳能电池为第二代太阳能电池，其获得的最高能量转换效率为所有薄膜太阳能电池之首，被认为是最具应用前景的薄膜太阳能电池。传统的制备高效率铜铟镓硒薄膜太阳能电池的方法通常为真空物理法，如共蒸发法和溅射后硒化法等，但是这些方法设备投资成本高，产量低，限制了其在大规模产业化中的应用。因此，越来越多的人将目光转向低成本、高产量的非真空化学法，目前已有的非真空方法包括纳米晶墨水法、纯溶液法、电化学沉积法等，但现有的方法也都存在一些问题，如工艺复杂、有杂质引入、化学计量比难以控制等，有些工艺甚至还存在较大的危险性。因此亟需寻找一种简便、安全、低成本且易于控制的非真空化学法用于制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池。光化学转换是将太阳能转换为化学能进行储存，其重要的研究方向之一是太阳能制氢，氢能也是清洁无污染的能源，且能方便的存储和运输，能适应不同应用环境的要求。光电化学电池制氢为实现太阳能制氢的有效途径，成为大家关注的热点。常用的光阳极材料为TiO2，TiO2具有良好的化学稳定性，但由于其较大的禁带宽度使得其只能利用很少量的太阳光。采用CdS作为光阳极，虽然有合适的禁带宽度可以利用可见光，但其化学稳定性差，在产氢过程中发生明显降解。因此寻找禁带宽度合适、化学稳定性良好的光阳极材料将成为未来研究趋势。另一方面，为了平衡产氢效率与光阳极制备工艺成本的关系，采用低成本的化学法制备高质量光阳极也逐渐成为大家的选择。　　本论文开发了一种硫代乙酸基溶液法，以满足上述提出的非真空化学法实现低成本的制备薄膜并应用于薄膜太阳能电池及光电化学电池。硫代乙酸在碱的帮助下，对许多金属氧化物和氢氧化物具有良好的溶解性，可以配制得到澄清透明的前驱溶液。通过溶解不同金属源得到前驱溶液，可以实现非真空、低成本的薄膜沉积。本论文主要研究内容如下:　　(1)针对CIGS薄膜太阳能电池各种吸光层制备方法中存在的问题，需要寻找改进的工艺来满足低成本、大批量的制备高效率薄膜太阳能电池。以Cu2O和In(OH)3作为金属源配制得到前驱溶液，避免阴离子杂质的引入。采用旋涂法制备了CuIn(S，Se)2(CISSe)薄膜，通过改变前驱溶液中的金属源含量能有效调节CISSe薄膜中的Cu/In比例。研究了不同组分、退火条件对CISSe薄膜结晶性、光学吸收、薄膜形貌等的影响，通过组分、退火条件等优化，制备得到高结晶性、致密无孔隙、具有大晶粒的高质量CISSe薄膜。得益于小分子有机试剂的易挥发性，最终获得的CISSe薄膜中残炭少，不会引入非晶残炭层。我们成功将该CISSe薄膜应用于薄膜太阳能电池，最终获得了6.75％的转换效率;　　(2)基于CISSe薄膜制备的工作基础，为了进一步提高薄膜太阳能电池的转换效率，对薄膜进行Ga掺杂，制备得到Cu(In，Ga)(S，Se)2(CIGSSe)薄膜。选用Ga(acac)3作为Ga源，成功的实现了Ga在薄膜中的平面及纵向均匀分布，且薄膜中的Ga含量与前驱溶液中的含量基本一致，可以很好的控制薄膜中的Ga含量。Ga掺杂后成功制备了致密无空隙、具有大晶粒的高质量CIGSSe薄膜。此外还研究了Na掺杂对晶粒生长和器件性能的影响。通过Ga掺杂、Na掺杂、退火工艺优化等方法，有效的将薄膜太阳能电池的转换效率提高到8.6％，效率的提高主要得益于开路电压和填充因子的提高;　　(3)针对PEC电池中光阳极半导体材料存在的问题，如禁带宽度太大和严重的光腐蚀等，需要寻找禁带宽度合适、具有良好可见光响应，以及化学稳定性良好的半导体材料。ZnImS4(ZIS)材料因满足以上要求成为我们研究的对象。以ZnO和In(OH)3作为金属源配制得到前驱溶液，同样采用旋涂法制备了ZIS薄膜。研究其退火过程中的晶粒生长过程，发现退火后生成六方相ZIS，且存在着晶粒择优生长的现象，最终获得的ZIS薄膜为具有择优取向的六方相ZIS晶粒无序堆积形成的致密薄膜。研究了In/Zn比例对薄膜结晶性、光学吸收、电学性能、薄膜形貌等影响，并将该ZIS薄膜作为光阳极，测试其PEC电池性能，发现ZIS光阳极在可见光范围及全光谱下均具有良好的PEC响应。　　(4)基于ZIS薄膜制备的工作基础，为了进一步提高其PEC性能，对ZIS薄膜进行Cd掺杂，制备得到Zn1-xCdxIn2S4(ZCIS)薄膜。ZCIS薄膜中的x值与前驱溶液中的x值基本一致，可以实现精确调控。Cd掺入后结晶形成立方相结构，Zn和Cd固溶形成固溶体，且随着Cd含量的增加薄膜的结晶性逐渐增强。通过能带计算，在立方相ZCIS薄膜中，Zn和Cd比例的变化能够调控ZCIS的导带底位置，而对价带顶位置没有影响，该结论也通过UPS测试得到证实。通过成分优化，当x=0.8时制备得到的ZCIS薄膜获得最高的PEC光电流，且明显优于单独的ZnIn2S4和CdIn2S4光阳极，该PEC性能的提高应归因于结晶性的提高、禁带宽度的减小、有效的界面载流子输运等因素。