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TiO2是宽带隙半导体材料的代表性材料，主要应用于降解环境污染、光催化、太阳能转化、以及太阳能制氢等很多领域，是研究的热点之一。
染料敏化TiO2纳米晶太阳电池是目前有望替代硅太阳电池的一种廉价实用的太阳电池，目前最高转换效率为11％，这与理论值还有很大距离，因此进一步提高其光电转化效率才是进行实际应用的关键。虽然各个研究小组就TiO2薄膜、染料、电解液以及电极的制备工艺都做了很多改进以提高其效率，然而已有研究表明，光催化或光电转换效率决定于不可避免的载流子复合和输运间的竞争，且载流子复合动力学与所用染料无关，而主要取决于TiO2表面束缚电子及膜内电子的输运。目前，国际上对此还缺乏统一的定论，因此，研究TiO2薄膜界面及膜内电子输运的机理，对于进一步提高染料敏化太阳电池的转化效率具有重要意义。
对于TiO2晶体的研究源于光解水制氢和光催化降解污染的发现，目前这方面的研究主要集中于水在TiO2晶体表面的吸附形态、被激发后载流子的运动，以及反应后的生成物。本论文采用时间分辨瞬态中红外光谱仪对TiO2晶体进行的机理研究，为太阳能制氢及光催化降解污染进一步实用化奠定了理论基础。
本文以TiO2纳米薄膜以及TiO2金红石晶体为主要研究对象，以时间分辨可见及中红外光谱仪为主要测试手段，对于TiO2薄膜界面及薄膜内电子输运的机理进行了深入的研究。主要工作为：
I.对比研究了TiO2纳米薄膜和TiO2-xSiO2核壳纳米薄膜的光致载流子。采用SiO2钝化了TiO2纳米颗粒的表面，减少了表面缺陷态，同时有效阻止了TiO2纳米颗粒间载流子的输运。通过红外吸收光谱的光强/波长关系，对于TiO2薄膜导带电子及浅束缚态的电子做了区分；通过可见光谱，指认了650nm处的吸收峰为束缚态电子；由此，我们提出TiO2纳米薄膜的光致激发载流子的弛豫过程的模型，即发生在晶格内快的复合、对于深束缚态的填充过程(1.8μs)、以及对应于纳米颗粒间的载流子输运和深束缚态复合的慢过程。
II.研究了未加水和加入不同水的染料敏化太阳电池界面的载流子复合，特别对比了其载流子动力学；同时研究了染料敏化太阳电池的电解液中加入少量水后，电池的开路电压的升高和短路电流的降低。观测到的载流子动力学可以通过双指数拟和得到两个衰减时间常数，它们与电池的开路电压和短路电流有很好的线性相关性。这一发现对于水对电池效率的作用有了更深层次的理解和微观的解释。
III.笔者发现TiO2(001)金红石晶体在密闭重水气氛下，光致激发后出现周期为46.54μs的随时间衰减的振荡现象。为了进一步研究其产生机理，分别在甲醇、二氯乙烷、氧气、及双氧水气氛做了研究，通过淬灭电子和空穴的方式，对其产生机理进行了初步解释。这一现象的发现及机理研究，对于TiO2制氢及光催化降解污染具有重要意义。