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传统能源日益枯竭,同时其带来的环境问题日益严峻,开发利用新型清洁能源至关重要。研制高效的能源转换材料是清洁能源利用的关键,己经成为材料科学领域的重要研究课题。本论文针对几类重要的能量转换半导体材料（包括太阳能光伏材料、光催化材料和热电转换材料）,以寻找高效的新型功能材料或探索提高己有材料性能的有效途径为研究目标,应用第一性原理材料模拟方法,开展材料优化设计与物性研究,取得了以下创新性成果:（1）以介电屏蔽效应为研究视角,针对三元金属-V族元素-硫化物体系,优化设计新型半导体电子材料。介电屏蔽效应能够有效防止载流子被材料缺陷散射或捕获,对提升载流子输运和光电转化性能方面有积极的作用。但迄今为止,介电屏蔽效应尚未被作为一个重要本征物理量,设计寻找新型的半导体电子和光电子材料。我们首次将介电屏蔽效应作为特征性质,基于高通量计算材料设计方法,选取三元金属-V族元素-硫化物体系,开展了新型半导体电子和光电子材料的优化设计研究。该体系中V族元素具有ns2电子构型孤对电子,其轨道与S的p轨道间显著的跨带隙杂化,是这类材料具有高介电常数的主要原因。在理论优化设计的材料中,Sn-Sb-S体系被实验证实为高效率的太阳能光伏材料（太阳能电池效率>5%）。该研究为新型半导体电子和光电子材料的优化设计提供了新视角。（2）应用无机固态盐KC1的限域效应合成高晶度氮化碳材料,极大地提高了材料光催化制氢的效率,并通过电子结构计算解释了光催化性能提升的内在机理。聚合氮化碳材料在光催化领域表现出极大的前景,但传统热聚法合成氮化碳晶度低,高密度的缺陷作为光生电子-空穴对的复合中心极大的限制了光催化效率。实验上利用无机盐（KC1）限域效应合成高晶度聚合氮化碳,晶粒尺寸可达400nm。第一性原理计算结合实验表征,解析出其结构为具有K+离子掺入的共轭链状蜜瓜胺（melon）结构。通过计算了结构的电子性质,结构中K+离子的作用缩短了层间距,优化了电子分布,为光生载流子提供有利的传输通道,极大的降低了复合几率,使得光催化效率可提高22倍。研究为大规模生产高性能聚合氮化碳提供一种简便,环保,经济的方法。（3）应用群智理论结合第一性原理计算,以及玻尔兹曼输运理论,开展Zn-Sb热电材料体系的新材料设计及热电性质研究。Zn-Sb二元材料具有优异的热电性能被广泛研究,其中B-Zn4Sb3的热电优值Zr可以达到1.3。研究致力于寻找新型Zn-Sb材料和通过掺杂进一步提高己知材料的热电性能。近些年,新合成出（?）材料具有与（?）相比拟的热电性能。但这两种材料中存在位置不定的间隙Zn原子,给理论研究带来了阻碍。我们对这两种材料进行了合理的结构建模,并基于粒子群智能优化算法预测出实验上报导的亚稳相（?）结构,结合玻尔兹曼输运理论,预测出其热电性能及最优的掺杂浓度。通过对结构的化学分析,结构中Zn:Sb和Sb3-:l/2（Sb2）4-的比例平衡满足Zintl相规则,是这些材料具有半导体性质的原因。根据计算结果,这些材料可以通过灵活的改变结构中Sb3-:1/2（Sb2）4-的比例来实现最优载流子浓度的调节,热电性能还有很大的提升空间,为实验提供有价值的参考。（4）确定了二维层状InSe材料热电性能提升的特征长度一量子限域长度小于热德布罗意波长,为优化二维层状半导体材料热电性能提供了参考性指引。早在1993年,麻省理工学院的Dresselhaus教授和其学生Hicks博士提出二维量子限域效应引起态密度增强现象会极大的提高材料的热电功率因子[Phys.Rev.B47,12727（1993）],这为获得高性能热电材料提供了一个非常重要的理论指导。随着二维材料厚度的降低,热电性能在样品多厚时会得到显著提升（即热电性能提升的特征长度）并未在实验和理论研究中得到确凿证据。我们与实验课题组进行合作,联合研究了二维层状材料InSe的热电输运输运性质。实验测得随着厚度的降低,塞贝克系数和热电功率因子显著增加。我们基于玻尔兹曼理论,计算了热电性质随层数的变化关系,与实验结果吻合。并通过电子性质的计算,验证了热电性能提高的内在机理。随着层数的降低,量子限域效应会导致导带边态密度的增强,进而增加热电功率因子。首次在二维层状材料中确定,热电功率因子显著增强的临界条件:量子限域长度小于热德布罗意波长（thermal de Broglie wavelength）,最终证实了Hicks-Dresselhaus理论的预言。该研究结果为优化功率因子和改善二维层状半导体的热电性能提供了重要且普适的参考。