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染料敏化太阳能电池(DSSC)因其制备工艺简单，成本低廉等优点，在太阳能光电转换领域引起了人们极大的关注。光阳极半导体材料作为染料敏化电池核心部分的主要作用是负载光敏化染料和传输光激发电子，对其进行综合优化是当前推进DSSC实刚化进程的核心所在。传统光阳极由无序氧化钛纳米颗粒构成，具有较大的总表面积，但光激发电子向底电极的传输通道却异常曲折，使得其效率难以进一步提高。而与TiO2相比，ZnO具有电子迁移率高、制备工艺简单、制备方法多样等优点，是光阳极材料的研究热点之一。但是，ZnO在染料溶液中不稳定，易于形成Zn2+/染料聚集体，严重限制了ZnO光阳极电池的光电转化效率。如能将ZnO与TiO2两种材料复合，在传统的无序TiO2纳米颗粒光阳极中引入具有高导电能力的ZnO纳米结构，并采用合适的方式确保光阳极的高比表面积和快速电子传输，则复合光刚极基染料敏化太阳能电池的光电转换效率预期能得到显著提高。
基于上述背景，本文以ZnO-TiO2复合光阳极材料为研究对象，利用本课题组在ZnO纳米柱阵列制备方面的良好基础，将不同密度的ZnO纳米柱阵列与TiO2纳米颗粒浆料复合，制备ZnO-TiO2复合光阳极材料。重点研究复合光阳极膜层的关键制备技术及其微结构调控方法，探索能大幅度提高电池光电转换效率的新途径。在此基础上，进一步制备了新型的ZnO纳米多孔球结构，为下一步深入开展多种形式ZnO纳米结构与TiO2纳米颗粒复合光阳极材料的研究奠定了良好基础。
本文首先利用“化学浴沉积”法制箭了ZnO纳米柱阵列，通过调节前驱体溶液的pH值，得到了分布密度不同的ZnO纳米柱阵列;以上述ZnO纳米柱阵列为衬底，与水热制备的TiO2纳米颗粒浆料复合，采用“刮涂”方法制备了ZnO-TiO2复合光阳极。详细研究了ZnO阵列的密度对复合光阳极膜微观结构、光学性能以及所得电池光电转换性能的影响规律。结果表明，对基于致密ZnO纳米柱阵列的复合光阳极膜，TiO2纳米颗粒基本停留在阵列顶部，无法进入阵列间隙;而稀疏阵列则可以实现纳米柱与TiO2纳米颗粒的良好复合，但其对可见光的散射作用明显弱于致密阵列复合膜。ZnO纳米柱阵列的密度对复合光阳极基染料敏化太阳能电池的光电转换效率影响显著，基于稀疏阵列的复合光阳极效率为2.68％，远大于基于致密阵列的光阳极(0.27％)。机理分析表明，随着ZnO纳米柱阵列密度的降低，电子传输阻抗(Rw)增加，有效扩散系数(Deff)降低，说明ZnO纳米柱在光阳极中的引入有利于电子输运，但ZnO在染料溶液中的不稳定性可能导致总体转换效率的损失。因此ZnO-TiO2复合光阳极中的ZnO需保持较低的含量。
为解决ZnO在染料溶液及电解液中不稳定的问题，并改善ZnO纳米柱和TiO2间的界面结构，我们采用改进的连续离子层吸附与反应(SILAR)法在ZnO纳米柱表面包覆一层TiO2薄层。结果表明，SILAR与溶胶-凝胶技术结合，可以成功实现TiO2薄层在ZnO纳米柱表面的致密沉积，同时，纳米柱与TiO2本体膜之间的界面结构得到了明显改善。电池性能测试表明，包覆后ZnO-TiO2复合电池的转换效率(3.01％)比未包覆复合电池有显著提高(2.68％)，比纯TiO2电池(2.93％)也有小幅增大。电化学交流阻抗谱(EIS)分析表明，纳米柱表面包覆TiO2的复合光阳极的电子传输阻抗低于纯TiO2，电子寿命更长。开路电压衰减谱表明，表面改性复合光阳极的电压损耗更慢，光生电子与电解液中复合中心的复合速率更慢。上述因素共同导致了基于稀疏纳米柱阵列的新型ZnO-TiO2复合光阳极基染料敏化太阳能电池具有比致密阵列和纯TiO2纳米颗粒电池更好的光电转换效率。
此外，本文还研究了新型ZnO多孔球的可控制备技术。采用超声化学方法，从简单的醋酸锌、六亚甲基四胺(HMT)水溶液中制备了ZnO纳米球，系统考察了超声辐照功率和前驱体溶液预处理温度对所得ZnO纳米结构形貌的影响。结果表明，采用超声化学法可以简单、快速地制备ZnO纳米多孔球，其直径约200nm，由20nm左右的小颗粒堆聚而成，对可见光具有良好的散射特性。超声的功率、预热温度、预热时间等参数对ZnO纳米多孔球的形貌和结构影响显著。ZnO纳米多孔球的最佳工艺参数为:超声功率:100W，预热温度:70℃，预热时间:45min。
本文工作对于推动染料敏化太阳能电池的新型纳米结构光阳极研究，开拓提高光阳极电子传输效率和光电转换效率的思路和方法，具有一定的积极意义。同时，关于ZnO、TiO2纳米结构形貌调控方面的研究结果，对锂离子电池、超级电容器等相关领域的学者也具有参考价值。