The reduced graphene oxide (RGO)-hierarchical ZnO hollow sphere composites are prepared through a simple ultrasonic treatment of the solution containing graphene oxide (GO), Zn(CH3COO)2, DMSO, and H2O. The GO is reduced to RGO effectively, and the ZnO hollow spheres consisting of nanoparticles are uniformly dispersed on the surface of RGO sheets during the ultrasonic process. The optimum synergetic effect of RGO-ZnO composites is found at a RGO mass ratio of 3.56%, and the photocurrent and photodegradation efficiency on methylene blue of RGO-ZnO composites are improved by five times and 67%, respectively, compared with those of pure ZnO hollow spheres. The enhancements of photocurrent and photocatalytic activity can be attributed to the suppression of charge carriers recombination resulting from the interaction between ZnO and RGO.

Hierarchical anatase TiO2 nanowire (HNW) arrays consisting of long single crystalline nanowire trunks and short single crystalline nanorod branches have been synthesized on Ti-foil substrate via a two-step hydrothermal growth process. The formation of the HNW arrays based on anatase TiO2 nanowire (NW) arrays can be ascribed to the crystallographic relationship between trunk and branch. The power conversion efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on such a HNW photoelectrode (4.51%) shows a significant enhancement compared to TiO2 nanowire (NW) array photoelectrode (3.12%) with similar thickness (∼15 μm in nanowire length), which can be attributed to more dye loading, superior light scattering ability and comparable electron transport rate for the former. Furthermore, flexible DSSC using TiO2 HNW arrays on Ti substrate as working electrode and transparent PEDOT/ITO-PET prepared via in situelectrodeposition as counter electrode shows a comparable photovoltaic performance to the rigid Pt/FTO-glass cell. A power conversion efficiency as high as 4.32% (Jsc = 7.91 mA cm−2, Voc = 796 mV, FF = 0.69) is obtained for the first time for fully flexible DSSC based on hierarchical TiO2 nanowire arrays and Pt-free counter electrode.

Hierarchical anatase TiO2 nano-architecture arrays consisting of long TiO2 nanowire trunk and numerous short TiO2 nanorod branches on transparent conductive fluorine-doped tin oxide glass are successfully synthesized for the first time through a facile one-step hydrothermal route without any surfactant and template. Dye-sensitized solar cells based on the hierarchical anatase TiO2 nano-architecture array photoelectrode of 18 μm in length shows a power conversion efficiency of 7.34% because of its higher specific surface area for adsorbing more dye molecules and superior light scattering capacity for boosting the light-harvesting efficiency. The present photovoltaic performance is the highest value for the reported TiO2 nanowires array photoelectrode.

Hierarchical anatase TiO2 spheres consisting of nanorods and nanoparticles are successfully prepared via a simple acid thermal method using titanium n-butoxide and acetic acid, which will overcome the kinetic and light-scattering limitations of nanoparticles and the surface area limitations of one-dimensional nanostructures, as photoelectrodes for dye-sensitized solar cells. The as-prepared and calcined hierarchical spheres were characterized by transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and X-ray powder diffraction. The DSSC based on hierarchical TiO2 spheres as the photoelectrode shows a highly efficient power conversion efficiency (10.34%) accompanied by 18.78 mA cm−2 in short-circuit photocurrent density and 826 mV in open-circuit voltage. The great improvements of photocurrent density and power conversion efficiency for hierarchical TiO2 spheres compared to P25 nanoparticle photoelectrodes are mainly attributed to a considerable surface area, a higher light scattering ability, and faster electron transport rates and slower recombination rates for the former.

Metal halide perovskites and organic nonlinear optical materials have showcased enormous potential in many kinds of optoelectronic applications, such as solar cells, light-emitting diodes, and patterned displays. However, further enhancement of optoelectronic performances has been largely limited by the intractable issues of these materials including high defect densities, unstable crystallographic structure, harsh fabrication conditions, and unfavorable biocompatibility and environmental sustainability. Encouragingly, several recent works have demonstrated an effective supramolecular host-guest inclusion strategy could ideally address abovementioned concerns by nesting optoelectronic materials within the cavities of cyclodextrin molecules and their analogs. Specifically, the supramolecule hosts embedded with multiple functional groups and/or crosslinked networks could robustly interact with those optoelectronic materials, which play multifaceted roles in terms of chemical chelation, spatial confinement, structural stabilization, defect passivation, ion immobilization and compensation, thus resulting in comprehensive enhancement of optoelectronic performances and sustainability. The current challenging issues and potential solutions are also discussed to provide a roadmap for achieving more durable and sustainable optoelectronics toward practical applications and real commercialization.