染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cells, DSSCs）是高性能低成本太阳电池的重要发展方向之一。由于DSSCs的光电转换受到一系列电子的产生、传输、聚集和复合过程的共同作用，深入研究电子在纳米多孔薄膜中的传输-复合过程，可以揭示影响DSSCs电性能的关键因素，从而为优化电池性能提供依据。电化学阻抗图谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）与单二极管模型是分析DSSCs电流-电压特性影响因素的两种重要方法。准确获取单二极管模型参数，并借助EIS来建立单二极管模型参数与DSSCs内部微观过程的关联，有助于揭示电池电性能的限制因素并由此提出优化电池性能的具体措施。将二氧化钛介晶用于构筑双层复合膜光阳极，可以借助介晶的有序构造和光散射能力来进一步提升电池性能。本文的第一部分内容提出了一种两步法以精确获取DSSCs单二极管等效电路模型参数。即通过作图法对电池的I-V特性曲线进行特定数据区域的线性化处理，从而获取具有一定精度的模型参数，以之设为最小二乘拟合过程的初值，经过多次迭代计算获取具有较高精度的拟合结果。在作图法的应用过程中发现，理论推导的线性函数关系，实际表现为离散性。本文采用对I-V特性曲线进行多项式近似处理的方法，获得了该线性关系和相应的模型参数值。拟合结果显示作图法的拟合误差约4%，经最小二乘法进一步精确后，拟合误差减小至低于1%。为了进一步验证提出的两步法的精确性，选取文献中I-V特性曲线进行拟合分析，并与文献中的拟合结果和精度进行了对比。拟合结果显示，两步法得到的模型参数值与文献中的结果有较大差别。拟合误差分析显示，文献中的拟合方法的误差约为5%，其拟合精度远低于本文提出的两步法。本论文的第二部分内容为采用EIS图谱对DSSCs的单二极管等效电路模型参数进行解析。通过分析DSSCs在三个特征工作状态下的EIS图谱，研究了单二极管模型参数的物理和电化学意义。分析显示，DSSCs中与复合过程相关的总复合电阻Rct值与电池旁路电阻Rp值较好的吻合。在最大功率点和开路电压点，电池中的复合过程主要表现为电子从TiO₂导带向电解液的转移过程；Rp主要由二极管电阻Rdiode主导。而因此可以推论，TiO₂/电解液界面的电子转移过程具有二极管单向性的特性。在短路电流点，电池中的复合过程主要表现为电子从未被TiO₂覆盖的TCO向电解液的转移过程；Rp主要由并联电阻Rsh主导。因此，并联电阻Rsh可用于表征TCO/电解液界面的电流损失。通过较高工作电压时lnRct与电极电势的线性关系获得了理想因子n值，说明二极管理想因子n主要由较高工作电压时TiO₂/电解液界面的复合特性决定。验证了串联电阻Rs由TCO衬底欧姆电阻及电荷的传输、转移、扩散电阻共四部分构成。在此基础上，模拟了DSSCs的电性能随单二极管模型参数的变化，结果显示：串联电阻Rs和理想因子n对DSSCs的填充因子FF有显著作用，进而影响电池转换效率；随着DSSCs面积的增大，串联电阻Rs和并联电阻Rsh也将分别影响电池的短路电流Isc和开路电压Voc。根据单二极管模型参数的物理和电化学意义，探讨了DSSCs性能优化的一些可行性方案。本文的第三部分内容研究了一种基于纳米多孔锐钛矿TiO₂介晶的双层复合膜光阳极DSSCs，并利用前二章发展的EIS和单二极管模型分析方法揭示了电子在多孔膜中的传输、复合过程对DSSCs性能的影响机制。首先，通过在TiO₂纳米晶水热合成中加入不同浓度的二乙烯三胺（Diethylenetriamine, DETA）来调控合成的TiO₂纳米晶的形貌，考察了TiO₂纳米晶形貌对纳米晶膜电池性能的影响。结果显示，随着DETA添加量的增加，部分纳米晶粒增大，纳米晶粒的不均匀性增高，导致纳米晶中缺陷密度的升高和薄膜中电子复合的加剧，但较快的电子传输速率仍使电池的收集效率得到改善。进一步增加DETA的添加量，染料吸附量的减小对电池性能的影响占主导地位，因此电池的性能反而随之下降。然后，采用溶剂热法合成了由纳米晶粒为基本结构单元有序聚集而成的纳米多孔锐钛矿TiO₂介晶。通过钛酸丁酯和乙酸的配比调控TiO₂介晶的形貌。选取最大比表面积的TiO₂介晶制备了多孔膜，使其覆盖在经过性能优化的纳米晶膜上，制备了双层复合膜光阳极DSSCs。考察了双层复合膜结构对电池性能的影响，并与单层纳米晶膜电池进行了对比。结果显示，由于TiO₂介晶为纳米晶粒的密集堆积，染料吸附量较小，但是介晶的三维有序结构和较少的晶界暴露使双层复合膜光阳极DSSCs具有较高的电子传输速率和电子寿命，从而获得了较大的电子收集效率。当总膜厚L同为15μm时，通过在膜厚为11μm的单层纳米晶膜上增加一层膜厚为4μm的纳米多孔锐钛矿TiO₂介晶层，得到的双层复合膜DSSCs相对单层纳米晶膜DSSCs，电池的转换效率由5.97%提升至6.35%。