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由于新奇独特的物理和化学性质,二维材料吸引了人们广泛的关注,且在能源储存与转换、催化、光电器件等方面具有良好的应用前景。相比于块体材料,二维材料拥有很多优势。首先,二维材料的带隙随层数可调,载流子迁移率增强,比表面积更大,催化活性位点更多。其次,在二维材料中,介电屏蔽效应随着维度降低而明显减弱,这导致了电子间的库伦相互作用显著增强,从而造成了激子结合能剧烈增大,促使吸收效率明显增高。最后,二维材料的表面自然钝化、没有悬挂键,这种特点为构建各种垂直堆积的异质结构提供了很多的可能性。在二维材料中,石墨烯拥有很强的稳定性和超级高的载流子迁移率,然而半金属的性质限制了其在场效应晶体管中的应用。过渡金属硫化物（TMDs）具有较好的稳定性,以Mo S2为例,其单层为直接带隙,带隙值比较适合用于光电材料。但是Mo S2中过低的载流子迁移率(200-500 cm~2v-1s-1)严重地限制了其在光伏器件中的应用。2014年在实验中成功制备的二维黑磷薄膜拥有随层数可调的直接带隙（0.3-2.0 e V）,其载流子迁移率也相对较高,有望成为理想的光电材料。然而黑磷在空气中不稳定,极易被氧化降解,进而影响其物理、化学性质。黑磷的这种不稳定的缺点严重地制约着其在光电领域的应用。因此,寻找拥有合适的直接带隙、高的载流子迁移率且同时拥有较强稳定性的二维光电材料是十分必要的。近年来,通过堆叠的方式,将两种或多种二维（2D）材料集成在一起,构造二维范德瓦尔斯（vd W）异质结被认为是提升光电器件性能最有效的手段之一。与单层材料相比,这些范德瓦尔斯异质结拥有更多新颖的物理和化学性质,可以广泛地应用于场效应晶体管、光电探测器、发光二极管、太阳能电池等器件。更重要的是,垂直的vd W异质结提供了更大的活性区域,可以吸收更多的光子、产生更多的激子,这会提升光吸收和光电流。更重要的是,二维范德瓦尔斯异质结的界面中拥有极低密度的悬挂键和电荷陷阱,这能轻松地缓解界面复合中心影响光伏效率的问题。然而,研究表明,与其它的光伏材料太阳能电池相比,二维材料单层的光电转换效率（PCE）很低,大约只有1%-3%。所以,获得高的PCE对于二维材料单层构成的太阳能电池来说仍然是一个挑战。另一方面,在现存的二维范德瓦尔斯异质结太阳能电池中,它们的光电转换效率也有待提高,因此,对于2D异质结太阳能电池,它们的范围需要得到拓展。针对以上问题,文献报道二维硫族化合物拥有较好的抗氧化性能,且研究表明其单层材料有望在块体中剥离,因此我们选其作为二维光电材料的研究对象。此外,最近二维过渡金属硅氮化合物单层薄膜在实验室中通过化学气相沉积法被成功制备,具有强的稳定性、优异的力学性能和间接带隙。但是用磷元素替代氮元素时,这种二维三元化合物单层属于直接带隙,且带隙值适合用作太阳能电池的施体材料,因此我们选择这种二维过渡金属硅磷化合物单层与六角硼磷单层构筑二维范德瓦尔斯异质结,并研究其电子结构、光学性能,进而探索其在太阳能电池中的应用前景。本文具体的研究内容如下:1.最近,理论研究表明三元化合物单层Li Al Te2材料很容易从其块体中剥离。然而,这种材料的宽带隙并不能满足激子太阳能电池的需要。因而,我们提出了二维ABY2（A=Na,K,Rb;B=In;Y=S,Se）三元单层材料家族。声子谱和分子动力学计算结果表明,二维ABY2（A=Na,K,Rb;B=In;Y=S,Se）单层具有良好的热力学稳定性和动力学稳定性。HSE06泛函计算表明二维Na In Se2、KIn S2、KIn Se2和Rb In S2单层为直接带隙,且带隙值恰好处于激子太阳能电池候选材料的带隙范围（0.9-1.5 e V）。此外,二维ABY2单层材料拥有较高的电子迁移率和强的光吸收系数,理论预测发现Na In Se2/Ge S2、KIn S2/Ge S2、KIn Se2/Ge S2和Rb In S2/Sn Se2体系拥有type-II能带对齐,而且最高的PCE值达到了22.77%。这些结果表明Na In Se2、KIn S2、KIn Se2和Rb In S2单层可以作为理想的二维光电材料,在太阳能电池领域有较好的应用前景。2.最近,二维过渡金属硅氮化合物（Mo Si2N4）单层薄膜在实验室中通过化学气相沉积法（CVD）被成功制备,它是间接带隙半导体,带隙为1.94 e V,且具有强的稳定性、优异的力学性能。基于此,本章对二维三元单层化合物Mo Si2Z4（Z=N,P,As）家族进行了系统的研究,计算的声子谱和分子动力学模拟分别证明了Mo Si2Z4（Z=N,P,As）单层的动力学稳定性和室温下的热力学稳定性。剥离能的计算表明在实验中剥离二维Mo Si2Z4（Z=P,As）单层是可以实现的。高精度的G0W0方法表明Mo Si2P4单层拥有合适的直接带隙1.24 e V,处于半导体对太阳光的吸收比较有利的范围（0.9-1.5 e V）,适合应用于太阳能电池的施体材料。进一步地,基于第一性原理计算,通过将2D六角硼磷（BP）和Mo Si2P4单层的优异性质结合在一起,我们设计了稳定的2D BP/Mo Si2P4 vd W异质结。HSE06计算表明二维BP/Mo Si2P4异质结拥有合适的直接带隙和type-II能带对齐,能够促进光生电子-空穴对的有效分离。与Mo Si2P4单层相比,二维BP/Mo Si2P4异质结的空穴迁移率和光吸收强度都显著增强。预测的BP/Mo Si2P4异质结的太阳能光电转换效率可达到22.2%,高于许多以前报道的其它异质结。合适的直接带隙、type-II的能带对齐、高的载流子迁移率和强的光吸收以及优异的光电转换效率意味着二维BP/Mo Si2P4异质结在太阳能电池应用方面具有很广阔的应用前景。3.基于第一性原理计算,结合石墨烯和Mo Si2As4单层的优异性质,我们设计了稳定的二维Graphene/Mo Si2As4 vd W异质结。计算结果表明,在二维Graphene/Mo Si2As4异质结界面处形成了n型肖特基接触和低的势垒高度0.12e V。与构成异质结的石墨烯单层相比,二维Graphene/Mo Si2As4异质结具有增强的光吸收性能。此外,二维Graphene/Mo Si2As4异质结拥有较小的有效质量和超高的载流子迁移率,这表明Graphene/Mo Si2As4异质结会能被应用于高速的场效应晶体管。在外加电场作用下,二维Graphene/Mo Si2As4异质结的肖特基接触类型可以被调节成p型。鉴于石墨烯的零带隙问题,将BN单层插层到二维Graphene/Mo Si2As4异质结中可以有效地打开石墨烯的带隙。在不同的外加电场作用下,这种BN插层的Graphene/Mo Si2As4异质结的能带对齐可以从type-I转变为type-II。我们的结果为实验上发展高性能接触类型和势垒可控的vd W肖特基结器件提供了理论指导。我们进行的理论研究为高质量二维功能材料的制备提供了有益的指导。在本工作中,我们提出了一系列高性能的二维光电半导体候选材料,它们将在太阳能电池、场效应晶体管中具有潜在的应用前景。