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染料敏化太阳能电池(DSSCs)相比传统的光伏技术有着诸多的优势，例如其较低的制作成本、外观漂亮且对环境污染低等。然而，DSSCs目前的能量转换效率(PCE)还无法满足实际的应用需求，也明显落后与钙钛矿太阳能电池。为了提高其光电性能，需要对DSSCs中的光敏剂和还原介质进行合理有效的优化，以获得电池短路电流(JSC)和开路电压(VOC)的全面提升。本文通过染料的分子工程、共敏化策略、染料前线轨道能级调控以及对电压损失全面控制的逐步优化，构建高效率的有机染料敏化太阳能电池器件。论文主要研究内容如下: 论文前言部分首先概述了太阳能电池行业的发展，接着介绍了DSSCs的研究背景、工作原理和性能评价方法等，并系统地回顾和总结了DSSCs中关键组分的研究进展。并且从光电流和光电压两个方面出发，提出构建高效率DSSCs的研究思路。 为了进一步拓宽吲哚啉染料WS-2的光谱响应，通过合理的分子工程，即增强电子给体和延长π-桥连的共轭两种方法，设计合成了两个基于吲哚啉给体的D-A-π-A型纯有机染料WS-92和WS-95。采用更加富电子的咔唑基团取代WS-2染料吲哚啉给体上的甲苯基团使得染料的分子内电荷转移峰从550nm(WS-2)红移到554nm(WS-92)。相比之下，在WS-92桥连中引入大共轭环戊联噻吩(CPDT)单元可以使WS-95染料的ICT峰红移到了574nm，同时摩尔消光系数明显提高，光捕获能力明显增强。在标准的AM1.5光照下，对未共吸附的两个染料在碘基电解质中的光电性能测试发现，WS-95可以产生7.69％的PCE，并且共吸附CDCA对于WS-95的光电表现没有提高，表明CPDT上修饰的辛基链可以阻止染料的聚集。使用短波长的S2染料与WS-95共敏化能够弥补其单色光量子效率(IPCE)响应缺陷，进一步将电池的PCE提高至9.18％。 基于两个或者多个染料共敏化的方法是构建全光谱响应DSSCs的捷径。通常来说，应用染料分子工程将D-π-A型有机染料的吸收光谱红移到长波长和近红外区域，经常会导致染料LUMO和HOMO能级的不匹配，而方酸染料由于在可见光区吸收较弱，在近红外区表现出很强的吸收尖峰和很窄的半峰宽，能级较为匹配。因此，使用方酸染料作为共敏化剂可以有效地减小D-π-A型有机染料分子能级的束缚，获得互补的光捕获和长波长的响应。本章工作以D-A-π-A型有机染WS-1为参比，选用近红外的方酸染料VG1-C8和HSQ4与其构成光谱互补的全色电池器件。WS-1/VG1-C8和WS-1/HSQ4共敏化器件在WS-1的基础上获得了光电流和光电压的同步提高，且光谱响应覆盖整个可见光到近红外区，PCE较WS-1分别提升了43％和38％（达到9.0％和8.7％），该结果是方酸共敏化电池的高效率之一。 在设计DSSCs染料敏化剂时，采用合理的分子工程获得窄光学带隙且能级匹配的敏化剂非常重要。同时，电池的光电流和光电压之间的不协调（”trade-off”效应）仍然是限制DSSCs效率提升的一个重要因素。为此，本章通过改变染料的π-桥连和吸附受体的分子工程调节染料的能级以拓宽光谱响应，设计合成了四个D-A-π-A型纯有机染料WS-66、WS-67、WS-68和WS-69。其中WS-69染料在引入CPDT桥连和氰基乙酸受体后表现出最窄的能带隙和最大的JSC值(19.39mA cm-2)，但VOC只有696mV。为了减小JSC和VOC之间的“Trade-off”效应，采用共敏化的策略进一步增强电池的光电表现。通过对染料共吸附顺序的优化，取得了光电流和光电压的同步提升，成功地克服了“Trade-off”效应。最佳的共敏化电池在100％光强下取得了10.09％的PCE，在30％光强下达到11.12％。 激子型太阳能电池中较大的电压损失(Voltage loss，Vloss)是限制其PCE的重要因素。通过染料敏化剂和电解质的有效分子工程实现了对DSSCs中电压损失的全面调控，有望在其PCE方面获得了成功突破。对电压损失的定向调控主要从以下三个方面进行:1)通过染料分子分子工程减小电子注入的电压损失;2）通过电解质工程减小染料再生的电压损失;3）减小界面电子复合。值得注意的是，染料光学带隙和开路电压之间的“Trade-off”效应被明显减小，就此实现了电池光电表现的大幅提升。基于液态电解质器件的VOC达到1.1V，同时PCE大于11.5％，将最佳的电池器件经电解质溶剂挥发制备的全固态DSSCs更是实现了11.7％的PCE，这也是目前固态DSSCs的最高效率。 染料分子中的给体单元在提高染料光电性能方面起着至关重要的作用。为了增加WS-70染料“Hagfeldt”给体的供电子能力，进一步减小染料再生方面的电压损失，设计合成了两个具有不同给体的D-A-π-A型有机染料WS-73和WS-74。以大吲哚啉为给体的WS-74相比于芴取代三苯胺给体的WS-73表现出更加明显的ICT峰红移，而芴取代三苯胺给体对于抬高染料的HOMO能级更为明显。两个染料在铜基电解质中的VOC比钴基电解质高150-180mV，而WS-74染料由于较高的电荷收集效率，在钴基和铜基电解质中分别取得了15.6和14.0mA cm-2的JSC值，明显高于WS-73染料。最终，WS-74染料在铜电解质中的PCE达到10.6％。电化学交流阻抗实验表明芴取代三苯胺给体相比大吲哚啉具有更强的阻止电子复合的能力，进而取得更大的VOC值。