能源和环境是目前世界各国面临的主要问题。太阳能是一种清洁的可再生能源,直接将太阳能转化为电能是开发太阳能最为可行的技术途径。作为太阳能电池家族中第三代成员之一,染料敏化太阳能电池以其低成本高效率的独特优势赢得了各国科学家的青睐。染料(敏化剂)是染料敏化太阳能电池中的核心部件,其敏化能力直接影响器件的光伏性能。因此,开发低成本、环境友好、敏化能力强的染料成为光伏产业的重中之重。相比传统的联吡啶钌染料而言,有机染料分子具有可设计性强、合成简单、成本低等多重优势。在众多有机染料中,吩噻嗪类染料凭借其良好的光响应能力、较强的供电子能力以及特殊的蝴蝶型非平面共轭结构脱颖而出。而作为联吡啶钌染料的另一个替代者,金属卟啉染料具有光捕获能力强、成本较低、光稳定性好的优点。本论文选择这两种染料进行结构调整和修饰,设计合成了三个系列的吩噻嗪类染料和两个系列的金属卟啉染料,并对其太阳能电池器件进行了光伏性能的研究:第一章:关于可再生能源、太阳能电池、染料敏化太阳能电池以及光敏化剂的发展概况。第二章:新型吩噻嗪类D-D-A染料的设计合成及光伏性能研究。为提高染料分子的内部供电子能力,我们引入二硫杂环戊烯作为新的供电子基团,合成了DP-1染料;并以经典的T2-1染料作为对照,对其进行了光电化学性质和光伏性能的研究。通过对DP-1本身结构的分析,指出了DP-1作为敏化剂的不足和改进的方向。第三章:新型吩噻嗪类D-π-D-A染料的设计合成和光伏性能研究。根据上一章的结论,我们在二硫杂环戊烯和吩噻嗪环系之间引入不同电性和长度的π-共轭桥,设计合成了具备D-π-D-A结构的DPP-系列染料。我们利用光电化学技术和密度泛函理论对其进行了系统的研究比较,并阐明了分子内扭转角在改善分子内电子传输中的重要作用。第四章:新型吩噻嗪类D-A-π-A染料的设计合成和光伏性能研究。为了改善染料分子内部的电荷分离,我们在吩噻嗪类染料中引入D-A-π-A结构的理念,在吩噻嗪母核与锚定基团之间插入连有苯环的苯并噻二唑结构;同时在吩噻嗪母核的另一端增加二苯胺和烷氧基等不同的供电子基团和π-spacer(苯环)。利用光电化学等测试手段和理论计算,研究了π-spacer的作用并比较了不同电子供体的给电子能力,并对机理进行了探讨。第五章:LYD系列金属卟啉染料的设计合成和光伏性能研究。为了系统地研究不同锚定基团对金属卟啉染料光伏性能的影响,我们设计合成了以碳碳三键为电子导出桥,具有不同锚定基团的LYD-系列染料,通过光电化学等测试手段和理论计算论证了四种锚定基团的优劣,并对其原因和机理进行了探讨;第六章:具长链的金属卟啉染料的设计合成和光伏性能研究。根据LYD-系列染料中锚定基团的比较,我们选择效果最好的水杨酸结构,引入烷基和烷氧基长链,设计合成了一系列具长链的金属卟啉染料;以此改善了染料分子在二氧化钛电极表面的排布和光电子向二氧化钛导带的注入,有效地提升了其染料敏化太阳能电池的光电转换效率。