能源问题是人类面临的共同问题，由于化石燃料的日渐枯竭和大量化石燃料的使用造成的环境污染，已经严重威胁到人类的生存和发展。太阳能的大规模应用是解决能源问题和环境问题的关键突破口。染料敏化太阳能电池由于具有安全无毒，转化效率较高，成本低廉的优点，被认为是实现太阳能大规模利用的主要候选者。光阳极的组成和结构直接影响染料敏化太阳能电池的转化效率和长期稳定性，是电池的最重要的组成部分。各种成分和结构的纳米材料在光阳极中的应用表现，是近年来世界范围的研究热点。本文通过采用不同的结构、种类的纳米材料在光阳极中的性能表现，试图探寻适合于染料敏化太阳能的最佳材料和结构。采用测试电池的输出特性曲线和暗电流曲线，探寻影响电池转化效率的因素并分析了影响机理。主要内容如下：①采用晶体尺寸为20纳米左右的二氧化钛、氧化锌和氧化锡制备了电池，发现二氧化钛电池的转化效率最高，氧化锌其次，氧化锡电池的转化效率最低。氧化锡由于导带能级较低，电子在从染料到氧化锡的导带转移过程中自由能损失较大，电池的开路电压较低，纯氧化锡不是很好的光阳极材料。②用二氧化钛纳米管阵列、二氧化钛纳米线阵列、氧化锌纳米线阵列、氧化锌纳米线阵列和二氧化钛纳米颗粒的混合结构制备了电池并测试了电池的性能。结果发现直接生长在钛金属片上的二氧化钛纳米管很难实现高的转化效率，原因在于对电极和深色的电解液会对入射光造成强吸收。二氧化钛纳米线阵列表面积不够，纳米线本身比较粗，而且在长长的同时也会长粗，导致阵列长度达到5微米左右时在阵列的底部就会形成致密层，造成染料的吸附率不够，很难实现转化效率的大幅提升。氧化锌纳米线阵列的情况和二氧化钛相差不大，除了长度可以大得多外，比表面积并没有很大的提升。对于混合结构而言，纳米线太粗，纳米线之间的间隙不够宽，纳米颗粒很难在纳米线阵列中实现有效填充，是造成混合结构电池转化效率不够高的主要原因。③通过仔细分析氧化锌纳米线阵列电池的输出特性曲线和暗电流特性曲线，结合电池在无光照条件下电池的开路电压随时间的衰减曲线和电极上电子的寿命，得到了基于氧化锌纳米线阵列电池很低的填充因子不是由于电子的快速复合造成的，而是由于随着注入电子的积累，电子的注入效率会随电池电压的升高而降低，并由此造成注入电流的迅速减小造成的结论。通过在氧化锌纳米线的表面包覆一层二氧化钛，可以改变染料和半导体的电子耦合方式，极大地改善电池的填充因子，提高电池的转化效率。这是本文的主要创新点之一。④采用溶剂热法合成了亚微米氧化锌多孔团聚体及直径为20纳米左右的氧化锌纳米晶并用于制作电池。通过对氧化锌多孔团聚体电池和与之相似的晶体大小的单分散氧化锌纳米晶电池的转化效率的对比，发现由于亚微米多孔团聚体对光线的强烈散射，可以在相同单分散纳米晶电池的基础上有20%的效率的提升。说明亚微米团聚体是比单分散纳米晶更好的光阳极材料。⑤通过长达半年的对亚微米氧化锌多孔团聚体电池的长期稳定性研究，发现用染料N719敏化的氧化锌电池在比较温和的温度条件下，电池的稳定性相当好。这为亚微米氧化锌多孔团聚体电池的实际应用打开了一扇窗。这是本文的创新点之二。⑥通过分析比较不同氧化锌晶体大小电池的填充因子，得到了在较大的晶体上由于空间电荷层的积累造成能带弯曲，从而造成电子注入效率随电池电压的升高而迅速减小，是造成氧化锌纳米线阵列等基于较大晶体电池填充因子很低的根本原因的结论。要想获得很高的转化效率，必需采用直径为12-30纳米的纳米晶或者纳米晶团聚体或者直径小于30纳米的纳米线阵列制备光阳极。这是本文的创新点之三。⑦通过分析对比各种纳米结构的电池的转化效率，指出了亚微米二氧化钛多孔团聚体是到目前为止最好的光阳极材料。通过模型计算，如果纳米线的直径为30纳米以下，各纳米线之间分散良好且间距在5纳米左右，纳米线阵列的长度达到20微米以上，电极的比表面积与由直径为20纳米的单分散纳米晶制备的厚度为10微米膜的比表面积相当。基于这样的纳米线阵列的电池极有可能实现转化效率的突破。