近年来,化石燃料消耗的增长以及环境污染引起了人们对绿色能源的广泛关注和深入研究。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,具有成本低廉、可直接开发利用且不受地理条件限制等诸多优点,越来越受到科学家们的广泛关注。而染料敏化太阳能(DSSC)电池以其环境友好、易于制造及生产成本低等突出优点而成为能源领域研究热点之一。目前,DSSC的效率仍然滞后于传统硅基太阳能电池,限制了其大规模商业化应用。敏化剂作为DSSC的核心组成部分,对光捕获效率、界面电荷转移过程以及光电转换效率有着重要的影响。通过实验设计筛选敏化剂来提高电池效率进展较慢,而量子化学计算能够在分子水平下深入揭示DSSC中结构与能量转换效率关系,已成为实验研究DSSC的重要补充手段。本论文从绿色无污染、近红外强吸收角度出发,设计了中氮茚、叶绿素a及融合卟啉三个系列敏化剂作为主要研究对象,采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TDDFT)方法,从电子结构及可见及近红外区吸收光谱等评价敏化剂对电池的光捕获效率及电子注入的影响,探讨敏化剂的结构与电池性能之间的关系,以期为实验设计高性能的有机敏化剂提供理论指导。主要研究内容包括如下三部分：1、采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)方法研究了9个新的中氮茚[3,4,5-ab]异吲哚(INI)为给体的染料敏化剂性质.对影响电池效率的光捕获效率、电子注入、染料再生和电荷复合等重要因素与D5和D9染料进行了对比.计算表明,设计的1NI系列敏化剂在440-500 nm内有最大吸收峰,表现出明显的电荷分离特征,INI2具有比D9染料更高的最大理论短路电流.Fukui反应指数计算指出INI2的亲核加成最易实现.染料分子在二氧化钛(101)面吸附计算表明,染料INI2以间接注入途径实现电子注入综合计算结果,中氮茚[3,4,5-ab]异吲哚(INI)染料有希望作为性能优良的染料敏化剂而得到应用.2、首次采用调节的范围分离泛函密度泛函理论(DFT)方法对叶绿素a及其七个氮杂取代衍生物的几何结构、电子吸收光谱以及电荷转移性质进行了系统研究。通过分析前线分子轨道、电子吸收光谱以及荧光寿命,探讨改变桥氮取代的位置及数量对氮杂叶绿素a的电子吸收光谱等的影响。结果表明,采用调节参数的范围分离泛函LC-ωoPBE*(ω=0.65)泛函在6-31G(d)水平上能很好地拟合叶绿素a的Qy吸收峰；由于前线轨道能隙降低和跃迁偶极矩y方向分量的增强,氮杂叶绿素相比叶绿素a在近红外区域有更加红移和更强的Qy吸收,且卟吩环间位氮杂数目的增加有助于提高Qy带近红外吸收而提高光捕获效率。通过(TiO2)48表面吸附跃迁态分析表明,要获得高光电转换效率,除了增强Qy带长波长强度大外,应该在卟吩环三位进行羧基等拉电子基团取代,通过与半导体吸附形成分子内电荷转移从而实现有效电子注入。3、采用密度泛函理论(DFT)方法对系列不同给体的D-π-A型花酸酐融合卟啉化合物进行理论计算。探讨金属及不同给体对几何结构、前线分子轨道、电子吸收光谱及电荷转移性质与敏化剂光捕获效率的关系。计算结果表明,通过增加给体基团的给电子能力及增加共轭强度,可有效调节LUMO能级进而改变能隙的大小,电子吸收光谱和电荷转移特征。结果表明改变中心金属对卟啉衍生物的光谱性质影响较大；通过增强给体基团的给电子性,增加给体基团的共轭强度,可有效增强化合物在近红外处的吸收效率,显著提高该类化合物的光电性质。该类分子对改善太阳能的吸收效率有着重要的潜在利用价值。可以预期这里融合卟啉通过共敏化将是目前的光电转换效率进一步得到提高。