21世纪以来,太阳能以其绿色、无污染、经济实惠等优势,得到了广泛的应用,半导体材料的光催化技术可以利用清洁的太阳能很好的解决环境污染和能源匮乏两大难题。Cu₂O是一种具备优良光学和电学性能的P型半导体材料,所以在制造氢能源和光催化降解污染物的研究中非常有潜力。但是纯Cu₂O主要在占太阳光5%的紫外光区域响应,而在占太阳光45%左右的可见光区域的响应很弱,这大大限制了其光催化转换效率。研究发现,在半导体中进行原子掺杂可以有效提高材料的光催化转换效率,因此,本文基于第一性原理,分别构建、计算并分析了Co掺杂、Cr掺杂、Mn掺杂Cu₂O体系的电子结构、电子跃迁能力、光催化性能及其产生机理。主要结果如下:电子结构的计算结果表明,Cu₂O是一种直接带隙半导体材料;Cu₂O-1Co和Cu₂O-2Co-near的价带上移并穿过费米能级,展现出金属性质;Cu₂O-1Cr、Cu₂O-2Cr-near、Cu₂O-2Cr-far、Cu₂O-1Mn、Cu₂O-2Mn-near和Cu₂O-2Mn-far的费米能级附近都出现杂质态,体系显示金属性质。介电函数虚部的计算结果表明,Cu₂O主要在高能量范围内存在电子跃迁,在低能量范围几乎没有电子跃迁;掺杂结构在高能量区域的电子跃迁能力与纯Cu₂O几乎一致,而在低能量范围均有不同程度增强。对于不同浓度、同种掺杂原子的结构,在低能量区域的电子跃迁能力与掺杂浓度有关,掺杂浓度越大,电子跃迁能力越强。吸收光谱的计算结果表明,Cu₂O主要在紫外光范围有吸收,在可见光范围几乎没有吸收。8种不同的掺杂都能提升Cu₂O在可见光范围的光吸收系数,进而提升Cu₂O的光催化转换效率。研究的9种结构中,Cu₂O-2Cr-near在可见光范围的光吸收系数最大,理论上是光催化性能最好的结构。通过态密度的分析结果可知,掺杂结构增强的可见光光催化活性主要是由于费米能级附近杂质带的引入,使电子能通过很小的能量进行带内跃迁引起的。对于不同浓度、同种掺杂原子的结构,掺杂浓度越高,跨越费米能级的杂质态越多,电子跃迁能力会增强,可见光吸收强度会增大,光催化活性也就会越好。