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太阳能光电化学（PEC）水分解制氢技术是解决能源危机最有前景的方法之一。光电极半导体材料作为PEC电池的核心组件,决定系统的太阳能到氢能转换（STH）效率。InGaN纳米柱具有较高的载流子迁移率、可调的直接带隙（3.4 e V～0.69 e V）、合适的能带边缘电势及较大的反应活性面积,是实现高效制氢的理想光电极材料,在PEC水分解领域展示出巨大应用前景。然而,目前仍存在以下问题,导致InGaN纳米柱载流子易复合,限制了其PEC性能无法进一步突破:i)InGaN纳米柱的In组分与形貌调控困难,生长过程中容易产生缺陷;ii)InGaN纳米柱与生长衬底之间较大的晶格失配导致大的界面阻抗,使得载流子输运困难;iii)InGaN纳米柱较大的比表面积引入表面态,易俘获载流子,降低了载流子向电解液转移的效率。基于此,本文从InGaN纳米柱的表界面结构调控出发,对纳米柱进行掺杂、同时开发新型材料上InGaN纳米柱的生长、以及构建InGaN纳米柱异质结光电极,以提高材料晶体质量、消除纳米柱与生长衬底以及电解液之间的界面阻抗,从而促进载流子分离,最终全面增强InGaN纳米柱的PEC性能。详细的研究工作与结果如下:首先,从InGaN纳米柱表面结构调控视角出发,本文采用分子束外延（MBE）自组装法并结合原位Zn掺杂技术,实现了In组分可控的InGaN纳米柱的生长,有效改善了高In组分纳米柱的晶体质量以及合理调控了纳米柱的电子结构,大幅度提升了InGaN纳米柱光电解水性能。Zn掺杂InGaN纳米柱生长动力学研究表明,Zn原子的引入可显著降低In原子的吸附能,从而减少In的并入,有利于Zn原子的替位掺杂。与此同时,Zn掺杂改善了InGaN纳米柱的缺陷、高In组分偏析以及纳米柱合并等现象,有效消除了纳米柱表面费米能级钉扎效应,抑制了纳米柱体相与表面载流子复合,从而促进了光阳极/电解质界面间的电荷分离与转移。另一方面,Zn掺杂增大了InGaN纳米柱的带隙,提高了对应的价带电势,从而形成有利的能带弯曲,增强了纳米柱的析氧反应（OER）动力学性能。因此,晶体质量的改善与电子结构的调控协同增强了InGaN纳米柱的光电压,提高了OER驱动力。最终,最佳Zn掺杂InGaN纳米柱光阳极在1.0 V vs.RHE电位的光电流密度为0.8 m A/cm~2,是未掺杂纳米柱（0.24 m A/cm~2）的3倍。此外,相比于纯的纳米柱,Zn掺杂InGaN纳米柱的起始电位为0.7 V vs.RHE（氢可逆电极）,表现出280 m V的负移。进一步采用Au纳米颗粒修饰掺杂纳米柱的表面,所制备的光阳极在1.23 V vs.RHE下的光电流密度为11.5 m A/cm~2,最大偏压光电转换效率（ABPE）达到1.33%。其次,从InGaN纳米柱与生长衬底之间的界面结构调控视角出发,通过简单的化学剥离法在Si衬底上制备出高导电的2D MXene膜,并采用MBE自组装生长技术,实现了MXene上形貌均匀、高质量的InGaN纳米柱的生长,制备出了高效载流子分离的InGaN/MXene/Si异质结光阳极。理论和实验研究表明,InGaN与MXene之间形成的肖特基结和MXene与Si之间形成的欧姆结,使MXene成为理想的电子传输通道,促进了光生电子从InGaN纳米柱转移到Si衬底,进而向对电极输运,从而增强了电荷分离和转移。MXene的这种协同作用显著降低了InGaN/Si和InGaN/电解质异质界面电阻,提高了光阳极表面快速的空穴注入效率（82%）,从而避免了电极表面的空穴积累,提高了InGaN纳米柱的抗光腐蚀稳定性。结果表明,优选的InGaN/MXene光阳极在1.23 V vs.RHE的光电流密度为7.27 m A/cm~2,最大ABPE在0.63 V vs.RHE时达到2.36%,比Si衬底上生长的InGaN纳米柱光阳极高～10倍;此外,InGaN/MXene光阳极具有75 m V vs.RHE的超低起始电位,低于目前通过界面改性的InGaN或Si基光阳极的起始电位。这种方法为III族氮化物纳米柱的生长拓宽了新的方向,也为通过集成多尺度材料来设计高效光电器件的制备开辟了新的思路与研究途径。最后,从InGaN纳米柱与电解液界面结构调控出发,采用导电性优异的Cu2O半导体与InGaN纳米柱进行耦合,构建了载流子输运增强的Z型异质结,实现了高效无辅助的InGaN纳米柱光电解水制氢。引入的Cu2O对InGaN/Cu2O异质结光学性能和PEC性能作用相反,所得最优InGaN/Cu2O光电极在1.23 V vs.RHE下表现出最高的光电流密度（6.3 m A/cm~2）比InGaN纳米柱光电极电流密度（0.5 m A/cm~2）高～12.5倍。然而,InGaN/Cu2O在外部偏压下的自氧化导致异质结光电极的稳定性较差。InGaN/Cu2O异质结载流子动力学模拟计算表明,异质界面处出现InGaN纳米柱电子与Cu2O空穴耗尽,以及InGaN纳米柱空穴和Cu2O电子积累的现象;同时,XPS元素态分析发现异质结中电子是从InGaN纳米柱转移到Cu2O,结合异质结能带结构可知InGaN/Cu2O为典型的Z型异质结。InGaN纳米柱电子和Cu2O空穴的复合有效促进了电子转移,从而消除了空穴在InGaN/Cu2O上积累现象,不仅提高了电子还原水制氢能力,同时增强了电极的稳定性。最终,在无外置偏压下,InGaN/Cu2O的光电流密度为～170μA/cm~2,相比InGaN纳米柱的光电流密度提高了8.5倍,同时InGaN/Cu2O光电极具有优异的抗光腐蚀稳定性。综上,通过InGaN纳米柱的表界面结构调控策略可有效降低纳米柱的载流子复合,促进电荷分离与转移,提高其PEC性能。本论文对于发掘新型半导体材料表界面结构调控策略、促进光电水分解制氢的发展和应用,具有一定的指导意义。