随着化石燃料（煤、石油、天然气等）的日益枯竭和大量使用化石燃料所排放的温室气体逐年增多引发了环境问题的出现,发展和利用可再生能源已经迫在眉睫。从长远来看,太阳能是可以在总量上取代化石燃料的仅有可再生能源。因此,有关太阳能的开发和利用关系到我国的能源安全、生态文明建设等问题,具有重要的意义。光电化学制取太阳能燃料,即利用太阳能驱动二氧化碳和水之间的耦合反应制备燃料（如甲醇、乙醇、甲烷等）不但可以将太阳能以化学能的形式贮存起来加以利用而且可以将温室气体CO₂变废为宝,因此受到了广泛的关注和研究。虽然太阳能燃料目前仍是一种前瞻性的科学技术,但因为转化的太阳能燃料能够与现有的能源结构很好地匹配,因此被认为是未来可以同时解决环境和能源两大问题的最佳方式之一。为了有效的将太阳能转化为太阳能燃料,寻找光电转化效率高的半导体光电极材料成为该技术的首要任务之一。在过去几十年的研究中,主要以金属氧化物半导体的研究为主,但是金属氧化的禁带宽度较大,对可见光的吸收能力较差而使它们的光电转化效率较低。近年来,金属氮化物,尤其是Ta₃N₅半导体材料由于具有较为合适的禁带宽度（约2.1 e V）,同时在可见光区具有良好的吸收,因此引起了广泛关注。因此,如何通过简单易行的方法制备出成膜均匀且光电转化性能良好的Ta₃N₅半导体薄膜光电极并深入了解其微观结构与其性能之间的关系成为亟待解决的问题。本文以Ta₃N₅半导体为研究对象,开展了Ta₃N₅薄膜光电极的制备、表征和密度泛函理论计算方面的研究工作,其主要内容如下:（1）Ta₃N₅薄膜光电极的制备及其物质结构表征。利用阳极氧化-高温氮化两步工艺法制备Ta₃N₅薄膜光电极;通过FESEM和XRD检测手段对Ta₃N₅光电极薄膜层的表面形貌和晶体结构进行了表征,结果表明所制备的Ta₃N₅光电极为纳米颗粒堆积而成的多孔类层状结构,其晶体类型为单斜晶系结构;进一步采用XPS对光电极表面的元素进行了检测,其结果证实了在氨气氛围中高温氮化成功地将阳极氧化制得的Ta₂O₅薄膜电极氮化为Ta₃N₅薄膜电极。（2）Ta₃N₅薄膜光电极能带结构和电荷传输阻抗的表征。通过UV-vis吸收光谱、莫特-肖特基电化学阻抗法以及暗光下的线性伏安扫描手段分别对Ta₃N₅薄膜光电极的禁带宽度、平带电位以及价带和导带能级进行了测定,结果表明所制备的Ta₃N₅薄膜光电极的禁带宽度为2.08 e V,价带顶、导带底和平带电位分别位于1.79 V、-0.29 V和-0.18 V（vs.RHE）处;采用电化学交流阻抗法测定了Ta₃N₅薄膜光电极的电化学性能,在光功率密度为100m W/cm²和偏压为1.6 V（vs.RHE）条件下其电荷传输阻抗值为284.2Ω;（3）Ta₃N₅薄膜光电极光电转换性能的测定。光电流密度随外加电位变化的伏安曲线测定的结果表明Ta₃N₅薄膜光电极表现出了优异的光电转化性能,在相对于可逆氢电极1.23 V时其光电流密度可以达到640μA/cm²,说明所制备的Ta₃N₅薄膜光电极在光电化学反应体系中可以作为良好的光阳极材料;（4）Ta₃N₅的态密度和能带结构的密度泛函第一性原理计算。利用密度泛函理论方法对Ta₃N₅的态密度和能带结构进行理论计算,由计算结果可知,Ta₃N₅的价带主要N的2p轨道构成,而其导带则主要由Ta的5d轨道构成;由于Ta₃N₅的导带最低点和价带的最高点并不位于同一k点,表明Ta₃N₅为间接半导体;在所采用的三种交换关联泛函方法PBE、GGA+U和HSE06中,杂化泛函HSE06计算得到的Ta₃N₅的禁带宽度为2.12 e V,最接近于实验测定值2.08 e V。