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一维TiO2纳米结构因其优异的光生电荷分离与输运性质和卓越的化学稳定性在太阳能转换与利用领域受到广泛关注。特别是TiO2单晶纳米线阵列的制备与光电转换应用是近年来国内外研究的热点。本文以染料/半导体敏化TiO2纳米线太阳能电池为研究对象，从TiO2纳米线的可控制备、纳米线-纳米粒子复合结构增强光吸收和电荷分离、无序空腔散射层增强光利用、和构造半导体敏化固态电池等方面开展研究，探索利用TiO2纳米线阵列实现高效率太阳能光电转换的途径。具体研究概述如下：以钛酸纳米片作为晶种层，在SnO2:F （FTO）导电玻璃等多种衬底表面实现TiO2纳米线阵列的水热法制备，解决了TiO2纳米线的生长对衬底的依赖性问题。研究表明，钛酸纳米片晶种层的引入能够抑制纳米线在FTO上生长过程中的簇集，显著增大纳米线阵列的粗糙度；另一方面纳米片层还能够覆盖裸露的FTO电极，作为阻挡层抑制I3-电解质在FTO表面的还原。以N719染料敏化纳米线阵列制备敏化太阳能电池，在AM1.5模拟太阳光下，采用纳米片晶种层的TiO2纳米线阵列相比直接生长在FTO表面的纳米线阵列制备的电池在短路电流、开路电压和填充因子等方面均有提高，总体太阳能光电转换效率提高约3.4倍。为提高纳米线电极的光捕获效率，进一步制备了TiO2金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子复合结构。以1.4微米厚度的纳米线/纳米粒子复合结构作为光阳极，制备染料敏化太阳能电池器件。在AM1.5G模拟太阳光激发下，器件的光电转换效率达到3.8%，分别是纳米线器件的2.2倍，和纳米粒子器件的1.5倍。稳态/瞬态吸收光谱和开路光电压衰减动力学研究表明，金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子在光电转换过程中发挥着协同促进作用：一方面纳米粒子的引入提高了复合结构的光捕获效率，另一方面金红石-锐钛矿异质结能够抑制TiO2/电解液界面和TiO2/N719界面的电荷复合，从而提高光生电子的收集效率。为提高TiO2金红石纳米线和锐钛矿纳米粒子复合结构的光捕获效率，进一步在纳米线复合结构上构造具有无序空腔（空腔尺寸为200nm或450nm）结构的TiO2纳米粒子散射层。在AM1.5G模拟太阳光激发下，染料敏化太阳能电池光电转换效率从2.62%提高到3.47%（200nm空腔）和4.07%（450nm空腔）。透过/反射光谱表征以及光电流活性谱研究表明，多孔薄膜中的空腔结构是有效的光散射中心，特别是在580-700nm波长范围内散射效果明显，从而提高了染料分子对入射光的利用效率，显著提高器件的短路光电流和光电转换效率。为克服染料单分子层光吸收能力不足和使用液体电解质带来的器件不稳定性问题，以Sb2S3直接带隙半导体为敏化层，p-型CuI为空穴导体，制备了TiO2纳米线/Sb2S3/CuI/Au全固态半导体敏化太阳能电池。在AM1.5G模拟太阳光激发下，器件光电转换效率达到1.2%。IPCE测试表明器件响应阈值波长为750nm，与Sb2S3带隙一致，峰值效率达到64%，优于染料敏化体系。但是由于固态器件内部严重的界面复合，其暗态电流大大高于染料敏化电池，导致器件的开路电压和填充因子偏低，仅为0.3V和42%，限制其光电转换效率。进一步采用合理的界面工程手段抑制界面复合是提高半导体敏化固态太阳能电池性能的关键。