随着能源危机与环境污染的日益严重,清洁无污染的可再生能源受到人们的日益关注。目前,基于晶体硅的传统太阳能电池因较高的制作成本限制了其大规模的广泛应用,而染料敏化太阳能电池(DSSC)因具有较高的光电转换效率,较低的制作成本,原材料易得,对环境无污染,同时又可柔性加工等优点,受到人们的关注。然而,其光电转换效率却仍然落后于已经商业化的传统无机硅电池,为了加快其商业化进程,我们需要进一步的提高DSSC的光电转换效率。作为DSSC的重要组成部分,光敏染料性能的好坏直接决定DSSC效率的高低。因此在本质上解释染料结构与性能之间的关系至关重要。本论文采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)研究了不同功能化基团修饰的有机D-π-A型光敏染料的几何结构,电子结构以及光物理化学性质等影响电池效率的重要参数,在合理解释实验现象的同时并对理论设计光敏染料的性能加以预测,进而构建光敏染料结构与性能之间的关系,以期能为实验工作者设计合成高效的有机光敏染料提供理论依据。本论文主要研究内容包括:1.鉴于光敏染料微小的结构差异能够引起电池效率的显著不同,因此基于DFT和TDDFT方法分析了具有不同π桥的有机染料1和2的DSSC光电转换效率出现差异的原因,并在此基础上理论设计了具有不同π桥的光敏染料3-6。讨论了染料分子结构的改变对光捕获效率,电子注入驱动力,染料分子垂直方向的偶极矩以及光激发以后注入到Ti O2中的电子数目的影响。我们发现将噻吩基团(分子1)改为并噻吩基团(分子4)以后,π共轭程度增加,尽管驱动力相差不大,但是吸收光谱红移并且光捕获能力增强,有利于短路电流的提高。同时,4增加的垂直方向偶极矩也有利于开路电压的增大,因此染料4预期是非常有潜力的高效光敏染料。2.通过DFT和TDDFT方法研究了具有不同π桥构筑单元连接顺序的三个染料分子的电子结构以及光物理性质。我们发现π桥构筑单元间连接顺序的不同对染料的光捕获能力,电子注入驱动力以及光诱导电子注入数目的影响很小,但却可以显著地影响染料垂直方向的偶极矩以及注入到半导体导带中的电子与电解质溶液中的电子受体(I2)之间的复合作用,进而影响光敏染料的性能以及电池的效率。并且计算结果与实验值吻合的很好,进一步验证了用于评估染料性能的各项理论参数的可靠性。3.基于实验合成的高效C219分子,我们理论设计了具有不同电子给体的3个染料分子。通过DFT和TDDFT方法评估了电子给体的改变对电池开路电压的影响。计算结果表明以吲哚为给体的分子2可以引起最大程度的导带移动。与电子注入及电子复合相关的半导体导带中的电子密度则随着3>2>1>C219的顺序递减。因此我们预期与C219分子相比,设计的染料分子都应表现出较大的开路电压。同时我们也研究了电子给体的改变对电池短路电流的影响。与C219分子相比,以香豆素为给体的分子3因具有较强的光捕获能力,红移的吸收光谱以及较大的激发态电子注入驱动力而表现出更大的短路电流趋势。同时考虑短路电流与开路电压的趋势,我们预期3是非常有潜力的高效有机光敏染料。4.与常规的氰基丙烯酸(CA)受体相比,对新型受体基团2-(1,1-二氰基亚甲基)罗丹宁(DCRD)的优势与劣势进行了深入的理论分析。确定了DCRD基团在(Ti O2)48(101)表面最稳定的吸附模式,随后通过研究染料/半导体/电解质之间的相互作用,讨论了受体基团的改变对电池短路电流与开路电压因素的影响。研究结果表明以DCRD基团为受体的分子1与以CA为受体的分子2相比,红移的吸收光谱可以增强染料吸收光谱与太阳发射光谱之间的匹配程度,有利于电池短路电流的提高。然而,DCRD中的S原子可以通过卤键与电解质溶液中的电子受体I2进行相互作用,进而加速了电子复合的过程。当用O原子替换DCRD中的S原子时,可以显著的降低DCRD-I2之间的相互作用,进而减慢电子复合,有利于提高电池的光电转换效率。