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太阳能电池是一种能将太阳能转变为电能的有效技术途径,发展太阳能电池技术对解决世界能源危机和促进环境保护具有非常重要的作用。目前太阳能电池的主要种类有：硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池。其中,染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于成本低廉、组装简易等特点受到了广泛的关注。就染料敏化太阳能电池的发展现状而言,二氧化钛纳米晶半导体光阳极的性能严重制约着电池的光电转换效率。作为光阳极的重要组成部分,二氧化钛材料的形貌和结构决定了光阳极的电子传输动力学性能。因此,合成新型纳米二氧化钛光阳极材料,研究其电子传输动力学特征,并通过材料微观形貌的控制,以期优化光阳极的电子传输动力学性能,从而提高电池的光电转换性能。本论文选取了三种不同形貌(纳米晶、纳米棒和纳米管)的质子钛酸盐纳米材料作为研究材料的起始物,对随后合成的二氧化钛结构、形貌及其光电化学性能进行了研究。研究结果显示,质子钛酸盐纳米粒子随着烧结温度的升高,其物相经历了从TiO2(B)到锐钛矿相的变化,且晶粒尺寸不断增大,其中500℃烧结制备出的纳米晶粒具有最好的光电性能。对于大尺寸纳米棒而言(直径约100nm左右、长度为微米级),随着烧结温度的升高,质子钛酸盐物相也从TiO2(B)相逐渐变为锐钛矿相,但转变温度明显升高,且纳米棒在高温烧结后断裂现象明显,其中700℃烧结得到的大尺寸纳米棒具有良好的光电性能。在纳米管的研究中,发现质子钛酸盐纳米管随着烧结温度的升高,除物相由TiO2-B相变为锐钛矿相外,其形貌也发生了显著的变化,即从纳米管转变成实心的小尺寸纳米棒,并随着温度的升高进一步转变为较大的纳米晶粒。光电性能测试显示,600℃烧结得到的纳米材料的光电性能最优。采用强度调制光电流谱和强度调制光电压谱研究了上述不同形貌二氧化钛的电子传输动力学特征。研究结果表明：对于二氧化钛纳米晶而言,由于其本身结构的局限性和大量的结构缺陷,使得在光阳极膜内晶粒间的电子传输时间长、电子寿命短,导致光生电子复合机率大。大尺寸二氧化钛纳米棒具有一维柱状结构特点,有利于电子的快速传递,显示出电子传输速率快、电子寿命长和光生电子复合率低的优势。由于不同烧结温度导致了纳米管的相结构和形貌发生了显著变化,其相应产物的电子传输过程呈现出不同的动力学特征。其中,在300℃和400℃烧结时得到的纳米管具有TiO2(B)结构和较多的结构缺陷,因此导致其具有电子传输时间长、电子寿命短和光生电子复合严重的特征。而在500℃和600℃烧结时,质子钛酸盐纳米管转变为尺寸较小的二氧化钛纳米棒,其电子传输速率快,电子寿命可达106 ms。以上研究结果表明：具有棒状形貌的二氧化钛纳米材料具有良好的电子传输性能,为后续的复合材料构筑及其光电性能研究提供了良好的研究基础。在以上研究基础上,本论文优化设计并制备出具有一维结构的二氧化钛复合材料,即将纳米晶均匀负载在大尺寸纳米棒表面,构筑了具有一种双功能结构的复合材料。研究结果表明：该一维复合材料可将纳米晶的高比表面特征和大尺寸纳米棒优良的电子传输性能有机的结合起来。其中,表面负载的二氧化钛纳米晶不仅显著地提高了复合材料的比表面积,也降低了界面电荷转移电阻。同时,由于二氧化钛纳米棒的存在,电子在复合材料中传输时具有快速传输的动力学特征。这使得该复合材料的光电转换效率较单一纳米棒的转换效率提高了五倍之多。为进一步提高复合材料的比表面,本论文还以二氧化钛纳米管为前驱体制备了小尺寸、高比表面的纳米棒,并进一步构筑了纳米晶／纳米棒复合材料。研究结果表明,该复合材料秉承了一维纳米复合材料的结构优势,不仅具有良好的电子传输特性,而且具有更高的比表面积和更佳的染料吸附性能,其相应的染料敏化太阳能电池的光电转换效率得以明显提高,达到7.87%。本论文采用具有特定微观结构的纳米复合材料制备染料敏化太阳能电池的光阳极,所用材料能够将纳米晶的高比表面特征和纳米棒优良的电子传输性能有机的结合起来,具有更优的电子传输动力学特征,使相应的光电转换效率得到了明显的提高。本文的研究结果为构筑新型光阳极材料和改善染料敏化太阳能电池的光电性能提供了新思路。