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染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为一种新兴的清洁能源转换器件，因其廉价、高效、稳定性好等优势受到越来越多的关注。染料敏化剂是电池器件运转中的‘天线’，起着捕获光子、分离激子的作用，其分子结构的微调及不同染料分子间的共敏化对电池性能起着决定性作用。本文以D-A-π-A构型染料分子为主线，分别从优化光电压(VOC)、光电流(JSC)和追求光电压与光电流平衡的角度设计分子并选择染料分子共敏化，分别对分子共轭桥联、给体基团、辅助吸电子体和共敏化吸附条件等进行优化，并系统研究了分子内部结构及共敏化吸附条件对分子光谱、前线轨道能级、电化学性质及最终光电性能的影响。本论文主要研究内容如下: 论文前言主要介绍了染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究背景、结构、工作原理及性能评价指标，并系统总结了近年来卟啉染料及纯有机敏化染料分子的发展趋势，并从电池性能参数优化角度提出课题研究思路和方向。 以染料WS-5为参比，将传统的噻吩桥联替换为共轭更大的环戊联噻吩(CPDT)，并在其桥联碳原子上分别引入正辛基和甲基合成了两个染料分子WS-39和WS-43，重点研究桥联上烷基链尺寸对染料分子光谱、能级结构、电化学性质及最终光电性能的影响。结果表明，环戊联噻吩取代的染料分子WS-39和WS-43较WS-5的分子内电荷转移(ICT)峰红移近20 nm，摩尔消光系数提升一倍。同时染料WS-39和WS-43分子中CPDT优越的富电子性使得其HOMO能级较WS-5抬升了0.1V。而在光电性能方面，WS-39和WS-43中烷基链尺寸差异对其光电性能影响显著，相对于参比染料WS-5，WS-39具有更宽的IPCE响应和更高的开路电压。在优化条件下，染料WS-39效率达9.07％(JSC=16.61 mA cm-2，VOC=770 mV, FF=0.71)，而染料WS-43的IPCE平台在整个响应区间很低，因此其光电流及性能不尽如人意，这主要源于其在TiO2中较短的电子传输扩散长度，并导致严重的电子复合损失。 以苯并噻二唑为辅助电子受体，辛基环戊联噻吩为桥联，通过给体供电子能力的微调平衡染料再生和电子注入驱动力，设计并合成了三个染料分子WS-37、WS-38和WS-51，并以染料分子WS-2为参比进行系统研究。随着染料分子给体供电子能力的增强，吸收光谱的ICT峰位置逐步红移，同时摩尔消光系数递增，HOMO能级也逐步抬升，分子带隙逐渐变窄。染料分子给体微调对其光电流性能影响显著，而光电压则变化甚微。以吲哚啉为给体的染料WS-51较参比染料WS-2而言，其电流电压同步提升，在优化条件下性能达10.1％(JSC=19.69 mAcm-2，VOC=700 mV, FF=0.73)。对其吸附性质进行分析，WS-51在初始2h吸附状态下性能达常规12h吸附的94％，其快速吸附的特性可以应用到大规模生产中，避免了常规操作程序中耗时的缺点。 选取了具有高电流、低电压的染料分子WS-2和高电压、低电流特性染料WS-39共敏化，分别采取分步吸附和混合吸附两种模式系统地进行共敏化性能优化。在分步吸附中，吸附顺序、吸附时间决定了染料的性能参数。在先吸附WS-3912 h，后续吸附WS-21 h条件下，器件光电流和光电压达到有效平衡，效率达到9.48％(JSC=18.25 mA cm-2，VOC=731 mV, FF=0.71)。而在先吸附WS-2，后续吸附WS-39条件下，随着后续染料WS-39吸附时间延长，其电压参数较WS-2增幅甚微，限制了器件性能的提升。而在混合吸附程序中，采取WS-39∶WS-2=3∶1和8∶1两种比例进行混合，当提升WS-39比例时，电压提升了近20 mV，效率达8.82％。鉴于混合吸附过程操控复杂，难以实现染料单独回收等缺陷，分步吸附无疑是更具前景的共敏化方法。 由于苯并三氮唑(BTZ)为辅助受体基团的染料分子WS-39具有高电压、低电流的特点，而含苯并噻二唑(BTD)的染料分子WS-51具有高电流、低电压的特点。鉴于此，本章中选取吸电子能力介于苯并三氮唑(BTZ)和苯并噻二唑(BTD)之间的烷氧基取代苯并噻二唑作为辅助受体基团构建了染料WS-44，其光电性能中的光电压和光电流都介于两者(WS-39、WS-51)之间，实现了光电流和电压的有效平衡，效率达9.24％(JSC=17.58mA cm-2, VOC=743 mV, FF=0.71)。考虑到WS-44较窄的IPCE响应，通过宽光谱染料WS-95后续吸附进行共敏化，当后续吸附1h时，其IPCE响应拓宽明显，但平台高度急剧下降。继续优化后续染料吸附时间，将其调整为0.5 h后，其平台高度较1h提升明显，且IPCE响应宽度差别不大。在此条件下，其电流(17.76 mA cm-2)较单一分子WS-44(17.58mAcm-2)小幅提高，但其下降的电压限制了性能的提升。 鉴于给体三苯胺较弱的供电子能力，在三苯胺外围分别引入一个或两个强供电子体吲哚啉增强其给电子能力并构建了D-D-π-A型染料CQ2和CQ3。额外给体的引入有效地拓宽了分子吸收光谱，抬升了染料的HOMO能级。同时可以系统研究不同额外供电子体数目的引入对染料光电性能参数的影响，同时以三苯胺为给体基团的分子CQ1作为参比。染料分子CQ2和CQ3性能优化都需要共吸附剂CDCA，而不同结构的染料对CDCA的依赖程度不尽相同。对于CQ2而言，其在5 mM CDCA条件下达到优化性能，效率达6.38％(JSC=11.33 mA cm-2，VOC=792 mV, FF=0.71)。对于具有更宽光谱的染料CQ3而言，其也是在5 mM CDCA条件下取得最佳性能，但较无共吸附剂条件下光电流提升160％，增幅十分显著。深入分析其原因，可能是在无共敏化剂条件下，多个吲哚啉单元的引入使得给体部分过于拥挤，分子间相互作用增加，降低了其电子注入效率。而对于单吲哚啉取代的CQ2而言，其非对称的构型在某种程度上减弱了分子间的相互作用，使其在性能上更具优势。 本论文以D-A-π-A构型染料分子为主线，分别从优化光电压(VOC)、光电流（JSC）和追求光电压电流平衡角度来设计分子或进行共敏化，为以后分子结构设计或共敏化过程优化提供了新的思路。