染料敏化太阳能电池和光催化产氢是利用太阳光的两种有效策略。在这两个过程中,染料敏化剂起着捕获太阳光和转移电子的作用,是光电转换和光催化过程的核心。与金属配合物染料敏化剂相比,有机染料敏化剂制备简单、分子结构易于调控、摩尔消光系数较高、易于实现不同波段的光谱响应,从而引起了广泛关注。它通常是由电子给体（D）、共轭桥（π）以及电子受体（A）和锚合基团组成,给体端一般需远离半导体且易与电解质（牺牲剂）接触,促进染料分子的还原再生,受体端与半导体形成耦合以有利于电子在半导体中的注入。本论文以有机染料中的D-π-A结构为基础,对分子的给体进行修饰和拓展,系统地研究了染料分子中电子给体的结构与电池性能间的关系,并在D-π-A结构的基础上,对分子进一步优化,研究了染料分子的结构、染料分子与半导体的作用方式与光催化性能间的关系。基于这种推拉电子结构,尝试将D-A结构与室温磷光和力致发光相结合,探索分子结构-分子排列-性能之间的内在关系。主要研究内容如下:第一章绪论简要介绍了染料敏化太阳能电池和光催化产氢的发展历程、工作原理、性能参数及其影响因素,重点介绍了D-π-A结构的染料敏化剂在染料敏化太阳能电池和光催化产氢中的研究成果和发展现状。在此基础上,提出了本论文的设计思路和研究内容。第二章主要开发了一种具有特殊空间立体结构和电子特性的并吡咯结构（TAPP）作为电子给体,通过对给体端的修饰和共轭桥的调节,设计并合成了四个染料敏化剂LI-127-130,以噻吩作为共轭桥拓宽光谱响应范围,提高光电流密度;大体积且扭曲结构的三苯乙烯修饰新型给体,有利于抑制染料分子聚集和电子复合,在电流和电压平衡作用下,LI-130体现出最好的转换效率6.56%(Jsc=13.78m A cm-2,Voc=664 m V,FF=0.72),弱光条件下,LI-130的转换效率提高近2倍。第三章在TAPP结构的基础上,采用具有平面稠环结构和富电子特性的吲哚并吲哚作为电子给体,并在给体端修饰不同电子特性和空间结构的辅助给体单元,设计并合成了4个染料敏化剂LI-133-136。平面稠环结构有利于电子的传输和稳定激发态电子,辅助给体单元的引入不仅可以改善给体的电子特性,还可以优化给体的空间构型,平面稠环结构（吲哚并吲哚单元）与三维立体空间结构相结合（三苯胺单元）得到的LI-133体现出最高的转换效率8.34%(Jsc=16.75 m A cm-2,Voc=705 m V,FF=0.71),同时,这4个染料还被应用于光催化产氢研究,基于LI-133的催化剂在在8 h可见光照射的产氢总量高达1263μmol。第四章在分子LI-130的基础上,引入辅助受体苯并噻二唑以拓宽分子的吸收光谱,同时引入苯环和噻吩作为间隔基团,成功合成了两个具D-A-π-A结构的有机染料分子LI-131和LI-132。结合LI-127-130,系统地研究了分子结构与光催化产氢性能的关系,其中,LI-131光谱响应范围较宽,分子自身防复合和电子回传的能力较好,表现出最优异的产氢性能,5个小时产氢量达1301μmol。结合6个分子的产氢性能和DSCs光电转换性能综合分析可知,光催化产氢过程对分子设计的要求与DSCs对分子的需求有所不同,为后续设计合适的分子结构用于不同能源领域提供了借鉴。第五章主要通过调节染料分子与半导体的作用形式,研究两种不同的作用方式对光催化性能的影响。分子LI-137与半导体形成异质结,电子注入速率减慢,电子回传也相应减慢,基于LI-137的产氢性能达4099μmol/g。当含有羧基锚合基团的LI-138通过共价键键合到半导体表面时,分子与半导体的作用力较强,电子注入较快,但同时电子回传的速率也较快,基于LI-138的产氢量达5948μmol/g。LI-138将键合和异质结两种形式结合起来发现,光催化产氢性能有了进一步提升,同等条件下产氢性能高达6953μmol/g,并且,与键合作用相比,异质结的形成钝化了半导体表面的缺陷,降低了电子复合,稳定性有很大的改善。以上结果表明染料分子与半导体形成异质结是一种改善产氢活性与稳定性的有效作用方式。第六章将三个酯基与三苯胺（TPA）邻位单元相结合,设计并合成了分子TPA-o-3COOMe,它不仅同时具备室温磷光和力致发光两种特性,而且两种不同的性质分别体现在两种晶型里,空间群为P-1的晶体具有肉眼可见的室温磷光性质,而空间群为Pn的晶体具有ML性质。通过对两种不同排列与不同性能间的关系分析发现完全均一排列的分子内相互作用较强的二聚体有利于促进RTP的产生,而形成无序的空间立体网状排列则有利于产生ML。为了进一步对比,三个酯基分别在间位和对位与TPA结合,得到了对比分子TPA-m-3COOMe和TPA-p-3COOMe,研究发现,局部均一的层状排列,能量易于通过非辐射跃迁的方式损失,不利于ML和RTP的产生。