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染料敏化太阳能电池(DSCs)和聚合物太阳能电池(OPVs)作为第三代太阳能电池，由于其较低的制作成本、相对较高的光电转换效率、大面积柔性基底应用等优点引起了人们广泛地关注。无机纳米半导体材料，例如，TiO2和ZnO，被开发且广泛应用到这两种电池中。DSCs中的一个重要组成部分就是由多孔的、宽禁带半导体氧化物薄膜组成的光阳极，它起着吸附染料分子、接收染料分子中光生电子、并传输电子到导电玻璃基底上被收集的作用。在OPVs中，无机纳米半导体的引入显著增强了电池中电荷的迁移，并且提高了电池的物理和化学稳定性。本论文深入研究制备出新型的无机纳米半导体材料，并将其应用到这两种太阳能电池中，研究其光电转换性能;同时设计优化电极结构，改善电池内部的电子传输性能，提高电池的光电转换效率。主要研究内容如下:
1)以商业化的P25TiO2纳米粉体为原料，使用电喷雾技术成功制备出TiO2聚集体材料。这种方法可以分开控制初级颗粒的制备和聚集体的形成，成功地应用到含有不同形貌、晶型、尺寸的初级颗粒的聚集体材料的制备中，例如，TiO2纳米颗粒聚集体、ZnO纳米颗粒聚集体、ZnO纳米棒聚集体等。研究发现改变电喷雾过程中的实验参数，例如聚合物添加剂的种类、分子量，模板剂，电喷雾推进速度、施加电压等，可以影响聚集体结构尺寸分布和孔径大小。电喷雾制备出的TiO2聚集体由于颗粒效应可以产生光散射，将其应用到DSCs电池中，其光电转换效率(PCE)可以达到5.9％，与相同条件下制备出的TiO2纳米颗粒DSCs的PCE(4.8％)相比提高了22.9％。
2)在聚集体材料的基础上对DSCs电池的光阳极结构进行设计和优化，设计出了TiO2纳米颗粒和TiO2聚集体的混合电极，将聚集体作为光散射中心;系统地研究了两种材料不同的混合比例对电池光电性能的影响。混合电极的光散射程度随着TiO2聚集体质量比例的增加而增大，而染料吸附量却随着TiO2聚集体质量比的增加而减少。两方面相互作用、相互制约着混合DSCs电池的短路电流和光电转换效率。含有30wt％的TiO2聚集体和70wt％的TiO2纳米颗粒的混合电极(N0.7A0.3)DSCs电池获得了最高的PCE，7.59％。与单纯的TiO2聚集体DSCs电池的PCE(5.35％)和单纯的TiO2纳米颗粒DSCs电池的PCE(5.80％)相比，混合DSCs电池的光电转换效率取得了显著提高。另外，TiO2纳米颗粒的加入在不增加电极膜厚的基础上填补了聚集体颗粒之间的空隙，增强了颗粒之间的电子传输;不同质量比的混合DSCs电池中，N0.7A0.3电池的电子传输电阻最低，最有利于电子在电极内的传输和收集。
3)采用同轴电喷雾法成功制备出一种新型的空心半球形的TiO2聚集体(HHTAs)，并将其应用到DSCs电池中。研究发现，在相同的膜厚条件下，由于HHTAs薄膜内存在很多的空洞和间隙，其单位面积内的有效材料量低于P25TiO2纳米颗粒电极，会影响到电极的染料吸附量，从而限制电池光电转换效率的提高。因此，设计制备出以P25纳米颗粒薄膜为底层，以HHTAs薄膜为顶层的双层结构电极P25-HHTA。HHTAs顶层增强了电池的光散射，P25纳米颗粒底层提高了电池的有效比表面积，两方面的优势相结合，使得P25-HHTA电池的PCE达到6.02％，远高于相同膜厚条件下的P25电池的PCE(5.08％)和HHTA电池的PCE(5.25％)。利用电化学阻抗分析仪(EIS)分析三种电池的内部电子传输特性。采用等效电路拟合得知，HHTA电池的电子转移电阻Rct值最大，即电子复合几率最低。HHTA电极中有效的TiO2纳米颗粒质量最低，导致电极单位体积内有效的比表面积和晶界数最小，从而使得电子与电解液/染料分子复合的几率最低，相应的DSCs电池的开路电压最高。
4)系统地研究烧结温度对结晶完好的TiO2纳米颗粒薄膜电极的微观结构、表面形貌、比表面积、染料吸附量、电池的光电转换性能以及电池内部的电子传输特性的影响。当烧结温度为300℃时，薄膜电极内的有机物不能完全被分解，从而引入了包括碳在内的杂质和表面缺陷等，降低电极的染料吸附量，同时增加电子复合几率，从而使得电池获得了较低的短路电流、开路电压和光电转换效率。升高薄膜电极的烧结温度可以使得薄膜内相邻的纳米颗粒之间发生黏连，减少电极的比表面积和电极单位面积内的染料吸附量，从而降低电极的光捕获效率。但是，另一方面，相邻纳米颗粒之间的黏连可以形成良好的接触，有利于薄膜内电子的传输和收集。电子传输性能的增强和薄膜电极比表面积和染料吸附量的降低，这两者之间相互竞争，相互抵消，导致采用350℃及以上的温度烧结得到的TiO2纳米颗粒薄膜DSCs电池均获得相对稳定的PCE，大约为5.1±0.2％。因此，对于结晶良好的TiO2纳米颗粒薄膜电极来说，350℃为最优的烧结温度，主要是由于低温烧结可以节约能源，降低电池的制造成本。
5)通过水热法直接在FTO导电玻璃上成功制备出了金红石型的TiO2纳米棒，并且通过改变水热生长条件使得纳米棒的直径和长度可控。随着水热反应温度的升高或者水热反应时间的增加，TiO2纳米棒的直径跟长度都随之增加。一维的TiO2纳米棒结构具有较高的电荷迁移率，作为直接的电子传输途径，可以迅速传输电子，降低电子复合几率，将其应用到有机无机杂化聚合物太阳能电池中，最高的光电转换效率可以达到3.21％。对于长度500nm的纳米棒而言，覆盖双层体异质结聚合物可以改善电极表面的粗糙度，增加电极和金属银对电极之间的接触，电池器件的光电转换效率从单层的2.7％增加至3.07％。