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染料敏化太阳能电池以其低成本、高效率,最有可能成为硅太阳能电池的替代品,由此引起了人们的广泛关注。这种新型的纳米结构光电转换器件的组装涉及到诸多方面的工作,例如纳米晶介孔薄膜的制备,光敏染料的设计与合成,电解质氧化还原电对的筛选与电解质组成的优化,对电极催化性能的优化,以及器件内部各界面间电荷的转移、传输和复合的微观机理等等。本文分别针对纳米晶电极电荷传输性能,离子液体结构与添加剂对电解质性能的影响,光敏染料分子结构与电池光电转换之间关系,以及纳米晶电极过程与电池工作过程内部电路特性,分别做出如下研究：
(1)采用强碱水热法合成二氧化钛纳米管,并与二氧化钛纳米颗粒混合作为染料敏化太阳能电池电极材料,当纳米管与纳米颗粒按照1:1摩尔比混合时,经过500℃烧结1h后,转化成锐钛矿晶型：平均孔体积0.30 cm3/g,平均孔径11.42 nm,比表面积为105.58 m2/g;电极对染料的吸附量达到4.85×10-8 mol/cm2;电池的短路光电流密度8.70 mA/cm2,开路光电压0.76 V,填充因子0.60,光电转化效率3.96％。
(2)通过丝网印刷方法在FTO上沉积TiO2纳米颗粒层,然后在TiO2纳米颗粒层上低温水热生长有序ZnO纳米线。以扫描电镜观察复合电极表面结构,用电子能谱和粉末衍射确定了复合电极表面的组成。TiO2纳米颗粒层能够阻止电解质与导电基底之间的电子复合,同时,ZnO纳米线为电子传输提供了快速通道,所以FTO/TiO2纳米颗粒/ZnO纳米线复合电极结构优于FTO/ZnO纳米线电极和FTO/ZnO纳米颗粒电极。基于复合电极结构的电池性能：短路光电流密度8.04 mA/cm2,开路光电压0.67 V,填充因子0.40,光电转化效率2.15％。
(3)合成出五种1-乙烯基-3-烷基咪唑碘(A1ky1=C1-C5)离子液体,测定了它们的室温黏度和离子电导率,用量子化学方法计算1-乙烯基-3-烷基咪唑阳离子体积；随咪唑阳离子体积增大黏度增大和离子电导率减小。作为染料敏化太阳能电池电解质使用时,其中以阳离子体积最小(1.0665 nm3),黏度最低(2.31 Pa·S)和电导率最高(0.215 mS/cm)的1-乙烯基-3-甲基咪唑碘性能最佳：短路光电流密度7.90 mA/cm2,开路光电压0.77 V,填充因子0.59,光电转化效率3.59％。当向电解质体系中添加碘化锂时,电解质导电性能增强,但是同时电池的暗电流也随之增大。主要是因为电极表面吸附的锂离子会降低了亥姆霍兹层电势,导致被氧化的染料分子寿命降低造成的。所以一般认为添加碘化锂的量不宜超过0.1 M。
(4)采用钼酸铵催化固相合成法合成了2,9,16,23-四羧基酞菁锌(ZnTCPc),在二甲基亚砜饱和溶液中的Q带吸收峰为68g nm和619 nm,B带吸收峰为279 nm,从吸光光谱角度来说,ZnTCPc可以充分吸收近红外区域光能。通过循环伏安和光谱数据测定了ZnTCPc分子的HOMO能级与LUMO能级分别为-5.79 eV和-3.99 eV：通过Gauss 98计算得到ZnTCPc分子的HOMO轨道和LUMO轨道分布,因为ZnTCPc的LUMO轨道并不是分布在含有羧基的配体上。同时,HOMO轨道也不是分布在中心金属原子上。由此说明,染料在受到光激发时,不能有效的产生光生电子。所以,ZnTCPc作为光敏剂组装成DSSC时,在AM1.5模拟光照下,光电转换效率只有0.021％,最高单色光转换效率只有0.37％：在加入月桂酸抑制ZnTCPc在电极表面聚集时,光电转换效率和最高单色光转换效率分别为0.026％和0.62％。 (5)电极过程电化学阻抗谱表明:ITO/电极,ITO/TiO2电极和ITO/TiO2/ZnTCPc电极的电子传输性能依次下降；在频率范围10-2-105 Hz测量电池的电化学阻抗：高频区(1-100 kHz)主要表现为对电极与电解质界面阻抗Z1,中频区(1-1000 Hz)主要表现为介孔薄膜与电解质界面阻抗Z2,低频区(100 mHz-1 Hz)主要表现为电解质内部扩散作用频阻抗Z3：其中Z1,Z2和Z3对应的电阻分别为R1=86.3 Ω,R2=428 Ω和R3=163 Ω。频率高于105 Hz的阻抗对应的电阻为Rh=44.6 Ω。