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太阳能是一种重要的新能源，具有资源丰富、清洁无污染、不受地域限制等优点。利用太阳能的方式很多，包括光热转换、光电转换以及光化学转换等等。在诸多太阳能利用方式中，最吸引入关注的是基于光电转换效应的太阳能电池。当在传统半导体材料带隙中引入半满的中间带后，电子不但能从价带激发到导带，同时电子也能从价带激发到中间带以及从中间带激发到导带。在这三种激发过程能隙范围内的光子都能被该材料吸收，从而更好的利用太阳光谱并减少了能量的损失。
本论文以探索含中间带吸收材料为目标，从理论上设计具有特殊能带结构的中间带材料，同时进行实验制备与性能表征，希望实现理论与实验的协调。选择CuGaS2、MgIn2S4、CdIn2S4、In2S3以及SnS2这五个具有理想带隙的半导体硫化物作为受主，并寻找合适的掺杂元素来诱导中间能带的产生。主要取得了如下结果:
1.基于准粒子能带计算，发现Cr掺杂将在CuGaS2受主带隙中引入了一条孤立的金属性中间带。从DOS分析可以看出，中间带主要由Cr-3d态，Cu-3d态和S-3p态组成，这说明掺杂原子与受主原子之间能够进行有效的电荷转移以减少复合。通过高温固相反应方法，制备了Cr掺杂的化合物，并在掺杂样品中探测到了中间带吸收。通过测试材料在不同光源下的光催化速率，证明了中间带能够吸收低于带隙能量的光子来产生电子-空穴对。
2.通过第一性原理电子结构计算，发现Fe、Ni、Sn或Sb掺杂MgIn2S4受主的八面体In位将在带隙中引入中间带。基于理论预测，制备了Fe、Ni、Sn或Sb掺杂系列化合物。由光谱分析可知掺杂样品都展现了多带吸收特征，从而具有宽光谱吸收能力。通过光电子能谱分析可知:Fe以+3价态;Ni以+2和+3价态;Sn以+2和+4价态;Sb以+3价态存在于化合物中。通过测试Fe掺杂样品的光催化性能，间接证明了中间带的存在。对Ni或Sn掺杂的样品进行了光电化学测试，发现其具有改善的光电流密度。
3.制备了Fe或Sn掺杂的CdIn2S4系列化合物，并在掺杂样品中观察到多带吸收特征。通过第一性原理计算可知，在Fe掺杂以后，Fe-3d态t2g能级进入带隙中，形成孤立的金属性中间带;对于Sn掺杂，Sn-5s与S-3p相互杂化，在导带低部形成两条自旋劈裂的能级。同时，基于电子结构，计算了掺杂前后化合物的光学吸收系数，直接从理论上证明了掺杂化合物能够更好的吸收太阳光谱。
4.通过高温固相反应方法，制备了Fe或Sn掺杂的In2S3系列化合物。由XRD结构分析可以判断:在掺杂情况下，In2S3产生了相转变，从低温稳定相β相转变到α相，其相变驱动力来源于掺杂导致的化学无序。掺杂以后，样品吸收大大增加。通过第一性原理计算可知，掺杂原子将会优先占据八面体位置，并在受主带隙中引入孤立的金属性中间带。
5、通过高温固相反应方法，制备了Ti掺杂的SnS2系列化合物。由光谱分析可知，Ti掺杂的样品具有多带吸收特征。通过第一性原理计算可知，Ti-3d能级进入SnS2受主带隙中，形成孤立的空带，可以通过进一步调节电子浓度来得到部分占据的中间带。