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半导体纳米材料的物理、化学结构与其光电性能之间的相互关系一直以来都是科学研究的热点之一。二氧化钛(TiO2)由于其性能稳定、价格便宜、无毒且拥有独一无二的物理化学特性，受到人们的广泛关注。它是目前最重要的半导体光电化学池和光催化剂材料之一。基于二氧化钛的染料敏化太阳能电池由于其相对低廉的价格、简单的制作工艺和高的光电转换效率，引起了科学研究和技术开发的广泛兴趣。虽然目前采用液态电解质的总转换效率已经突破了11％，然而它还存在着一些制约因素，例如液体电解质的存在引起的有机溶剂挥发，器件封装，和长时间的使用会引起染料脱附等问题。目前取代液态电解质的准固态和固态材料是非常有前景的电解质。但是目前的器件或多或少地受制于固态电解质填充进入多孔薄膜中较为困难，电导率较低，界面电接触不良等问题，一直困扰着固态染料敏化太阳能电池的发展。本论文基于TiO2多孔结构化材料的制备和有机电解质分子设计的角度，通过对薄膜孔隙结构的调控和新固态电解质分子设计，来提高染料敏化太阳能电池的光电性能。另外，我们还对复合多孔材料的光催化性能进行了一些初步的探讨。具体研究内容如下：
1.通过电流体动力学方法(EHD)制备了分级微纳结构的TiO2多孔薄膜。通过对薄膜内部结构的调控，获得优化的TiO2光阳极结构，将其组装到离子液体和准固态染料敏化太阳能电池中。采用离子液体电解质获得的总光电转换效率高达7％。详细的实验和理论分析表明：分级多孔结构薄膜提高光电器件性能的原因在于，分级结构能够改善薄膜入射光捕获效率，同时获得更快的内部离子扩散速率，从而获得高效染料敏化太阳能电池。
2.将微管网络结构引入到TiO2纳米晶多孔电极中，相比普通纳米晶薄膜制备的光电器件，其总光电器件效率提高了将近30％。这种微管电极的获得是将电纺技术制备的聚苯乙烯纳米线耦合到TiO2光阳极中，通过高温热处理，成功地将微管结构引入到TiO2纳米粒子矩阵中。由于薄膜电极中引入了微管网络结构，入射光在多孔薄膜的光学传输路径得到了显著延长，同时器件的内部阻抗得到了降低，因而有效提高薄膜的光吸收效率、离子在多孔电极中的迁移速率以及降低的电荷复合速率，从而获得了更高的光电性能。
3.我们将EHD方法制备的分级微纳TiO2薄膜和新合成的两种新的有机小分子固态电解质引入到固态染料敏化太阳能电池中，通过对光电器件的优化，两种分子获得的最高的光电转换效率分别为0.55％和2.6％。研究结果表明：基于分子结构的设计，在有机分子引入特殊的官能团，能够改善分子的物理化学性质，获得高效的固态染料敏化太阳能电池。同时我们对研究中采用的各种掺杂剂进行了详细探讨后发现，掺杂剂的引入能够有效抑止固态器件中电荷的复合，改善界面的空间电荷层，从而获得高性能的光电器件。
4.我们对EHD方法制备的TiO2分级微纳薄膜的光催化性能进行了研究。研究后发现，在薄膜中引入微纳米分级结构以后，薄膜的光催化性能得到了明显的改善。采用气相乙醛和液相苯酚作为探针进行光催化活性的研究，结果表明，相对于纳米结构薄膜，分级微纳薄膜对于乙醛和苯酚的降解的活性分别提高了40％和70％。另外，我们还采用机械搅拌的方法制备了一种大孔介孔复合的TiO2多孔泡沫材料，并对其光催化性能进行了研究，其催化活性相对于粉体材料提高了120％。多级孔结构的引入，能够有效提高体系内部光的吸收利用效率，获得大的比表面积以取得更多的反应活性位点，同时多级孔结构有利于反应物、产物、氧气能够快速的进入或逸出催化剂体系，从而光催化性能获得显著提高。