TiO₂原子团簇是指由几个甚至几十个[TiO₂]单元通过Ti-O键形成的原子聚集体,是Ti、O原子形成晶体之前的一个相对稳定的聚集状态。其物理和化学性质随所含的[TiO₂]_n的n值变化而变化。TiO₂原子团簇具有超小尺寸（1-5nm）;具有很高的比表面积;形成了类似晶体的能带结构且电子结构零缺陷;表现出量子尺寸效应及其它不同于晶体（包括纳米晶）的特殊性质。本论文采用简单易控的低温液相化学方法合成出尺寸小于5 nm的具有明显量子尺寸效应的TiO₂原子团簇,通过TEM、XRD、XPS、BET、紫外可见吸收光谱等技术表征并探索其微观结构影响因素,分析了其合成机理。着眼于它的超小尺寸、量子尺寸效应、介稳性所带来的高比表面积和超强表面活性,将其作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料,通过IMPS/IMVS、EIS等光电化学技术研究了它的电子输运性能并测试了电池的光电转换性能。研究发现,所合成TiO₂原子团簇尺寸在2 nm左右,原子排列呈现出有序性,为锐钛矿型结构;团簇中Ti原子价态为Ti⁴⁺,且不存在氧空位缺陷;BET Langmuir法比表面为269.28 m²g^-1;具有3.57 eV的光学带隙,表现出明显的量子尺寸效应。TiO₂原子团簇作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料,扩散系数为7.1×10^-5 cm²s^-1,自由电子寿命为6.48×10^-2 s,自由电子扩散长度为12.94μm,表现出较好的电子输运性能。电化学阻抗谱测试表明,电池在稳定工作状态下,具有极小的正向电子传输电阻值R_ct1=4.96Ω和相对较大的电荷复合效应电阻值R_ct2=170.2Ω,R_ct2/R_ct1可达34.31,表现出极高的光电子传输效率和光生电荷分离效率。与纳米晶TiO₂制备的光阳极材料比较起来,电子输运性能明显提高。