对太阳能的利用和开采是解决人类社会面临的能源和环境等问题的关键。然而,目前世界能源的消耗依然依赖于石油、天然气、煤炭等传统能源,其中太阳能的利用只占0.17%。所以对太阳能的进一步开发和利用需要持续不断的探究和突破。本文着眼于对太阳能的光电利用和光化学利用两个方面,主要依托的器件分别是染料敏化太阳能电池和光电化学分解水制氢器件。在染料敏化太阳能电池中,光阳极一般是吸附了染料分子的二氧化钛纳米晶薄膜,也是染料敏化电池的关键。然而,二氧化钛纳米晶存在以下主要问题:第一,二氧化钛中载流子的迁移率较低,因此不能有效的传输光生载流子从而影响器件的效率的提高。第二,二氧化钛纳米晶薄膜中存在大量的晶界,致使界面复合严重,进一步制约器件性能的提升。针对上述问题,本论文提出以下研究思路:首先,利用具有较高载流子迁移率的半导体氧化物,例如,氧化锌、氧化锡替代二氧化钛作为染料分子的载体。其次,我们在本论文中应用核壳异质结结构来解决传统的纳米晶薄膜中载流子分离困难,以及光生载流子复合严重等问题。最后,本论文中利用一维纳米材料,例如纳米线,纳米管等作为核材料进一步加速载流子的传输。具体研究内容如下:(1)我们利用水热法制备了氧化锌纳米团簇-二氧化钛核壳结构,并测试了以其作为染料敏化太阳能电池光阳极的电化学性能。实验表明,氧化锌纳米团簇以其特殊的结构增强了光的吸收。通过在氧化锌表面包覆一层二氧化钛,在一定程度上解决了氧化锌在染料溶液中的不稳定性。最终,氧化锌纳米团簇-二氧化钛核壳结构表现出比商用氧化锌纳米晶优异的电化学性能。然而,氧化锌基染料敏化太阳能电池由于其不稳定性,使得其整体的光电转化效率比较低。(2)我们利用化学稳定的氧化锡替代二氧化钛/氧化锌作为核材料,并采用电纺丝和液相外延生长的方法制备了氧化锡纳米线/纳米管-二氧化钛核壳异质结构。在这部分工作中,我们首次利用电纺丝方法得到了氧化锡纳米管。并分析研究了成管过程,提出了一种合理的成管机理。通过测试氧化锡纳米线/纳米管-二氧化钛核壳结构电极的光电化学性能,由实验结果可知,氧化锡纳米管-二氧化钛核壳结构电极的光电转化效率为5.11%,比P25基电极的转化效率提高了6%。(3)为了进一步提高电极材料的电化学性能,我们改进了电纺丝和液相外延生长的方法,制备了树枝状超细氧化锡纳米线-二氧化钛核壳异质结构。研究发现,树枝状超细氧化锡纳米线-二氧化钛核壳异质结构基的染料敏化太阳能电池效率高达7.06%,比二氧化钛纳米晶P25电极(5.04%)的效率增加了40%。说明通过合理的设计和应用核壳结构,器件的开路电压,短路电流,填充因子都分别有不同程度的提高,最终器件的光电转化效率也得到了显著改善。(4)光电化学分解水制氢也存在类似染料敏化太阳能电池的结构和相似的问题。本论文将氧化锡-二氧化钛核壳结构应用到光解水制氢中,并利用窄带隙的硫化镉作为外层核材料,形成氧化锡-二氧化钛-硫化镉多异质结的核壳结构。研究表明,这种多异质结的核壳结构在对载流子的传输和光的吸收双协同作用下,显著增加了光解水制氢的效率。综上所述,利用半导体氧化物核壳异质结构能够显著改善载流子的传输和减少载流子的复合,最终增加了能量转化效率。本论文的研究思路和相关设计能够促进光电化学器件的进一步发展。