太阳能驱动的光电催化CO2还原是利用太阳能、以温室气体CO2和H2O为反应物、制取碳氢燃料的前沿技术,其研究对于我国完成2030碳达峰、2060碳中和任务有重要推动作用。光电催化CO2还原受到较多的阻碍包括:热力学阻碍（CO2是非极性分子,性质稳定,键能高）、动力学阻碍（CO2吸附和产物脱附机制不明晰）和产物选择性阻碍（CO2还原产物多样）;为了克服以上阻碍,需要更深刻地理解光电催化CO2还原的具体过程,因此对光电催化CO2还原反应机理的深入认识具有十分重要的意义。本学位论文分别从半导体吸光与载流子迁移的问题以及中间产物的精细表征问题出发,提出超构平面半导体光电阴极结构。首先,参考干涉共振腔结构提出了超构平面吸光结构,利用更强的干涉共振相消,进一步地减小反射率增大半导体内的吸收率;其次,使用亚波长厚度的半导体作为吸收层,使半导体厚度与载流子扩散长度更接近,更有利于载流子的扩散传递;另外使用平面结构可认为半导体表面催化活性位点均匀分布在半导体表面,方便后续对光电催化反应机理的研究。表面增强拉曼光谱技术需要反应基底为金、银、铜等金属,不适用于半导体电极,因此本学位论文考虑使用对反应基底无要求的针尖增强拉曼光谱技术;进一步地在电极上均匀散布一些金属纳米粒子作为等离激元纳米颗粒,充当探针和拉曼信号放大器,利用表面等离激元纳米颗粒与金属层的耦合强共振,来增强拉曼信号,提高中间产物的测量精度。本文所设计并优化的超构平面电极结构不仅可以克服了表面增强拉曼光谱技术无法应用于半导体表面的难题,也可以规避了针尖增强拉曼光谱技术信号易受干扰的缺点,并且避免使用具有制备挑战性的核壳结构纳米颗粒。光电催化CO2还原的能量传递过程包括:1)吸收太阳光子产生载流子,2)载流子迁移至电极-电解液界面,3)载流子参与界面反应。本学位论文以GaN/Sn O2/Ag（吸收层/电荷选择性传输层/反射层）结构为例,重点研究超构平面光电阴极的光学吸收与载流子迁移特性,从而为后续的反应机理研究奠定基础。为了详细了解超构平面光电阴极的光学吸收特性和载流子迁移特性,设计出更加高效的半导体光电阴极,通过传递矩阵方法建立了超构平面吸收器的反射特性模型和能量吸收分布模型,用于超构平面光电阴极反射率特性和光吸收特性的研究;通过泊松方程、载流子漂移-扩散方程和载流子连续性方程建立半导体光电阴极的物理模型用于研究半导体内部及固液界面的载流子迁移传递。通过实测实验数据以及文献实验数据对以上模型进行正确性验证以后,利用反射率模型和能量分布模型对GaN超构平面光电阴极的厚度进行了优化设计,并最终确定了结构的厚度尺寸为73～80 nm GaN/0～2 nm Sn O2。然后利用半导体光电阴极的物理模型对本学位论文电极进行详细地参数分析,获得了掺杂浓度、平带电位、载流子迁移率、界面传递速率常数和界面载流子寿命等重要参数对超构平面半导体光电阴极电流密度的具体影响。本学位论文研究结果也为高效光电阴极的设计提供全面、详细的理论依据。