当前地球人口数量在逐年攀升，化石能源将无法满足人类日益增长的能源需求。寻找并利用可再生能源是全球所关注和研究的热点。在所有的可再生能源中，太阳能是未来最有可能的能源供给方式，其最主要的利用途径是太阳能发电。近年来，染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells, DSC）因其较低的生产成本与较高的光电转换效率引起了人们的广泛关注，并被认为是最有潜力的第三代太阳能电池。当前，DSC的性能还无法与传统晶体硅太阳能电池相比拟，因此挖掘其性能上的潜力是一项重要而有意义的工作。当今，大量研究者对DSC性能的研究多立足于材料、器件结构等，很少涉及DSC的内部物理机制。探寻DSC器件的物理机制对提升DSC性能有着重要的促进作用。本文从DSC器件物理研究出发，提出了精确、有效的DSC物理机制分析方法与内部物理参数测试方法，并以此为基础探寻提高器件性能的有效途径。首先，基于DSC的等效电路模型，研究了影响DSC光电转换效率的关键因素。利用单结等效电路模型，首次采用遗传算法（Genetic Algorithm, GA）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO）和差分算法（Differential Evolution, DE）分别对DSC的等效电路参数进行了分析和提取。研究发现， PSO算法具有较高的参数精度、抗噪能力和计算效率，是一种准确、高效的DSC参数提取方法。该方法有效解决了DSC器件参数精确提取的技术难题。通过对电路参数的精确提取，发现DSC的内部串联电阻Rs是影响器件性能的重要参数之一。因此，要实现DSC更高的光电转换效率，必须研究降低器件Rs值的有效方法，这为DSC的研究工作指明了方向。其次，研究了通过抑制复合反应提高DSC性能的器件物理机制。复合反应速率与DSC的能量转换效率密切相关，通过抑制复合反应能有效提升光阳极中的有效电子浓度，提高扩散电流密度，增强光阳极中的电子输运能力，亦即降低电池中的Rs。为定量研究复合反应与光阳极中有效电子浓度的对应关系，需对光阳极中自由电子寿命进行准确测量和分析。作为表征复合反应最重要的参数，通常的测量方法和数据处理都比较复杂。本文结合瞬态光电测试方法和Savitzky-Golay滤波技术，提出采用可变级微分平滑方法分析计算DSC中的电子寿命。该研究首次实现了对DSC电子寿命的精确、高速测量，为定量表征DSC的内部复合机制提供了一种可靠的方法。再次，提出了基于稀土元素掺杂的新型氧化物半导体DSC光阳极材料，并对材料的电学、光学性能进行了数值模拟。通过第一性原理计算，发现经稀土元素La掺杂的ZnO材料自由电子密度增加，呈现金属化特性，有效增强了光阳极的电子输运和收集能力，降低了光阳极电阻。同时，La掺杂后ZnO带隙变宽，吸收边蓝移，拓宽了光阳极的透射波段，减少了入射光损失，材料的光吸收率、光反射率也有所降低。这些都有利于提升光吸收层中的入射光子数量，从而实现器件更高的输出电流和能量转换效率。该研究不但揭示了一条提高DSC光电转换效率的有效途径，还揭示了ZnO作为DSC光阳极材料具有很大的应用潜力。最后，提出了利用光学运筹的方法，通过调控光阳极界面来提高DSC的性能。采用光化学催化法在TiO2光阳极镀上薄层银纳米颗粒，通过控制光催化镀银时间以调节纳米颗粒的覆盖量。银纳米颗粒的散射增大光在光阳极中的有效传输距离，提升了太阳光利用率，提高了器件的短路电流密度。降低TiO2纳米颗粒的表面态密度，将减缓光生电子与电解液中氧化物的复合反应，改善光生电子在介孔TiO2薄膜内的传输，从而降低内部串联电阻Rs。研究结果表明，利用该方法，DSC的光电转换效率由5.97％提升至6.86％。该研究所提出的DSC光阳极界面调控技术，能有效提高器件的光电转换效率，并对DSC设计工作有重要的指导意义。