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能源发展问题始终与国际经济、政治、安全形式密切相关。进入21世纪以来,能源危机日益临近。各种能源中,太阳能具有不可比拟的优点,是各种可再生能源中最重要的基本能源,也是人类可利用的最丰富的能源。染料敏化太阳能电池具有光电转换效率高、成本低、制作工艺简单等优势而被广泛研究。染料敏化剂作为染料敏化太阳能电池中的重要组成部分,引起了世界范围内的关注。在各种敏化染料中,三苯胺类染料是染料敏化太阳能电池中应用最广泛的一类敏化剂,由于三苯胺具有很好的给电子能力以及空穴传输能力,它非常适合作为敏化剂的电子给体部分。本文设计合成了六个系列的基于三苯胺类给体染料敏化剂,并将其应用于染料敏化太阳能电池,系统地测试了其光电性能,并对其器件性能进行了优化。本研究分为七个部分： 第一章：介绍了染料敏化太阳能电池的结构和工作原理、纳米晶半导体电极、敏化剂、电解质等的发展概况,综述了近几年来具有高光电转换效率的太阳能电池敏化剂的研究进展状况,在此基础上提出了本论文的研究内容和设计思想。 第二章：为了改善电池的稳定性、防止染料聚集,设计合成了以星射状咔唑作为天线分子的染料Ⅰ以及参比染料Ⅱ和Ⅲ。它们分别以星射状咔唑、星射状三苯胺以及单独的三苯胺作为电子给体,噻吩作为桥链,氰基乙酸作为电子受体。测试了三种染料的紫外-可见吸收光谱和电化学性能,将其吸附在TiO2薄膜上并制作成电池研究了其光电性能。电化学测试的结果表明,不同的给体可以有效地调节染料的HOMO和LUMO能级。进一步研究了鹅去氧胆酸(CDCA)浓度对其光伏性能的影响,发现鹅去氧胆酸作为共吸附剂,可以降低染料的吸附量,有效阻止染料的聚集,提高开路电压。当CDCA浓度为5mM,在液态电解质中电池Ⅰ达到了4.3％的光电转换效率。此外,我们还将其应用到准固态电解质中,使用离子液体电解质的染料Ⅰ电池达到了3.09％的光电转换效率,其在1200h光照下的加速测试中,呈现了良好的稳定性。 第三章：为了扩展染料的吸收光谱范围,将绕丹宁酸作为染料敏化剂的受体部分。设计合成了一系列以星射状咔唑、三苯胺、吩噻嗪作为天线,噻吩作为桥链,绕丹宁酸作为电子受体的染料Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。测试了三种染料的紫外.可见吸收光谱和电化学性能,并将其吸附在TiO2薄膜上制作成电池测试了其光电性能。研究了共吸附剂CDCA和对叔丁基吡啶(4-TBP)浓度对电池Ⅴ光伏性能的影响,实验结果显示:CDCA的加入并不能有效地提高其电池效率,表明星射状给体的引入确实有效地阻止了染料的聚集;而叔丁基吡啶(4-TBP)浓度对其光伏性能有一定的影响,随着4-TBP浓度的增加,电池的开路电压逐渐增大,而短路电流密度逐渐减小,当4-TBP浓度为0.25M时,染料Ⅴ敏化的太阳能电池性质达到最优,在AM1.5G,100mW cm-2照射下,总的光电转换效率(η)为1.61％。 第四章：为了进一步拓宽染料的吸收光谱、防止染料聚集,将星射状体系应用于菁染料中,设计合成了以星射状三苯胺为给体的菁染料Ⅶ以及以三苯胺为给体的参比菁染料Ⅷ,并成功地将其应用于准固态染料敏化太阳能电池。对于两种染料,我们测试了其紫外可见吸收光谱和电化学性能,并将其吸附在TiO2薄膜上制作成电池测试了其光电性能。对比研究其光谱性质发现,星射状三苯胺结构的染料Ⅶ可以有效地防止菁染料的聚集;电化学测试的结果表明,更换不同的给体可以有效地调节染料的HOMO和LUMO能级。在AM1.5模拟太阳光下,基于染料Ⅶ制作的准固态太阳能电池得到了较好的效率:单色光最大转换效率达到83％,短路电流密度为9.12mA·cm-2,开路电压为0.54V,填充因子为0.64,总的光电转换效率为3.19％。其在1000h光照下的加速测试中,呈现了良好的稳定性。这一结果表明,星射状为给体的菁染料敏化剂是改善准固态染料敏化太阳能电池效率和稳定性的潜力染料。 第五章：进一步探索了新型受体在染料敏化太阳能电池中的应用,设计合成了以醛基作为电子受体的吡咯并吡咯烷酮(DPP)纯有机染料Ⅸ。敏化剂Ⅸ以三苯胺作为电子给体,噻吩作为共轭桥链,醛基单元作为电子受体。同时合成了相应的羧基为受体的染料Ⅹ作为对比染料。测试了两种染料的紫外可见吸收光谱和电化学性能,并将其吸附在TiO2薄膜上制作成电池测试了其光电性能。电化学测试的结果发现,更换不同的受体可以有效地调节染料的HOMO和LUMO能级,以醛基为受体的染料。Ⅸ具有较高的LUMO能级,当加入4-TBP时,尽管二氧化钛导带能级有所提高,对于染料Ⅸ而言仍然有足够的驱动力可以使电子注入到TiO2导带。而对于染料X而言,其LUMO能级只有-0.56V,加入TBP以后其电子注入驱动力明显不足,导致光电流明显下降,从而效率降低。因此添加剂4-TBP的加入进一步提高了染料Ⅸ的开路电压,使得电池效率得到进一步提升。在AM1.5标准模拟太阳光下,染料Ⅸ得到了短路电流密度6.07,开路电压568mV,填充因子0.66,总的光电转换效率(η)达到2.27％,而基于羧基吸附的染料Ⅹ电池最高转换效率为1.45％。这一结果显示,醛基作为新型受体,可以改善能级从而改善电池的光电转换效率。 第六章：设计合成了新型纯有机染料Ⅺ,它以三苯胺为电子给体,靛红为共轭桥链、氰基乙酸为电子受体。测试了染料的紫外可见吸收光谱和电化学性能,并将其制作成电池测试了其光电性能。由紫外-可见吸收光谱可知,在可见光区染料Ⅺ的摩尔消光系数很低,只有3.3×103M-1cm-1;循环伏安曲线显示染料Ⅺ的HOMO能级为0.45V vs.NHE,与电解质中I-/I3-的氧化还原电位(0.4V vs.NHE)很接近,暗示激发态染料不易被电解质中I-离子还原,染料难以再生。因此在AM1.5标准模拟太阳光下,染料Ⅺ的短路电流密度为0.37mA·cm-2,开路电压为0.476V填充因子为0.51,总的光电转换效率(η)只有0.09％。 第七章：设计合成了一系列新型的含有多个噻吩共轭链的铂乙炔类染料敏化剂Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅣ,并将其应用于染料敏化太阳能电池中。研究了这一系列敏化剂的紫外可见吸收光谱和电化学性能,并制作成电池测试了其光电性能。对比研究其光谱性质发现,增大噻吩共轭链,可以有效地拓宽吸收光谱,增加染料的摩尔消光系数;从利用共吸附剂CDCA、改变电解质中4-TBP的浓度和改变膜的厚度三个方面,对染料的光电性能进行了优化。共吸附剂CDCA的加入,短路电流都有明显的下降,导致总的光电转换效率大幅度降低。这可能是由于CDCA的加入导致的染料的吸附量明显下降;随着电解质中4-TBP的浓度升高,染料Ⅻ～ⅩⅣ的短路电流下降,而开路电压增大,并且增加膜厚可以大幅度提高染料的光电流。在液态电解质中,基于染料Ⅻ-ⅩⅣ电池的最优条件为膜厚15μm,4-TBP的浓度分别是0、0.75mM、0.25mM,染料Ⅻ-ⅩⅣ的光电转换效率分别达到了2.89％,4.33％和2.91％。另外,进一步研究了其在准固态电解质中的光电性能,染料Ⅺ-ⅩⅣ分别获得了1.85％,3.12％和2.12％的光电转换效率。