染料敏化太阳能电池(DSSCs)是利用染料敏化剂吸收太阳光,从而将太阳能转化为电能的一种新型太阳能电池,具有成本低、制作工艺简单、光电转换效率较高等优势,引起了全世界的广泛关注。如何提高有机染料敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性是目前DSSCs研究的两个关键问题。本论文通过引入三种不同的额外缺电子基团,合成了五个系列以芳胺为电子给体的D.A-π-A型染料以及吡啶为吸附基团的染料,并将其应用于染料敏化太阳能电池中,系统地测试了其光电性能,并对其器件性能进行了优化。第一章,简要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、电解质和对电极的发展状况,综述了近几年来具有高光电转换效率的D-A-π-A型有机敏化染料的研究进展,在此基础上提出了本论文的设计思路和研究内容。第二章,将窄能隙的异靛蓝引入到小分子染料敏化剂中,设计并合成了以三苯胺为给体,异靛蓝为辅助受体,噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的六个新型的具有D-A-π-A结构的染料敏化剂(ID1-ID6),并对其进行了核磁共振氢谱、碳谱和高分辨质谱的表征。通过光物理性能的测试,发现该系列化合物都有较宽的吸收光谱,部分化合物在TiO2膜上的光电响应甚至延伸至近红外区域(波长大于780nm)；电化学性能测试表明给体和π-链的改变可以方便调节HOMO和LUMO能级。在AM1.5(100mW cm-2)光强条件下,基于ID1-ID6染料敏化太阳能电池的光电转换效率为3.33-5.35%。通过改变CDCA的浓度对器件的性能进行优化,浓度为20mM的CDCA共吸附的ID6敏化电池获得最高光电转换效率为5.98%(Jsc=14.77mA cm-2,Voc=644mV,ff=0.63).电化学交流阻抗谱测试进一步证实：在异靛蓝染料中添加适当浓度的CDCA可以减少电子的复合,延长电子寿命,提高开路电压。第三章,为了进一步拓宽异靛蓝染料敏化剂的吸收光谱,提高摩尔消光系数,增大开路电压,设计合成了吲哚啉为给体、2-乙基己基叉链取代的异靛蓝为额外受体、噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的新型D-A-π-A结构的染料敏化剂(ID7-ID9)。研究发现,强给体的引入使染料的吸收光谱红移,增大了短路电流；2-乙基己基叉链的引入,减少了染料的聚集,有效阻止了电荷的复合,提高了开路电压。在AM1.5(100mW cm-2)光强条件下,基于ID7染料敏化的电池最大光电转换效率达到5.83%(短路电流为13.58mA cm-2,开路电压为602mV,填充因子为0.71)。第四章,设计合成了一系列吡啶并[3,4-b]吡嗪(PP)为辅助受体、含有不同给体和不同π-链的D-A-π-A型染料敏化剂(PP-I和APP-Ⅰ～Ⅳ)与PP核相比,甲氧基苯取代的APP能增加电池的短路电流和开路电压；在APP-Ⅰ～Ⅳ体系中,苯环的引入可以提高化合物的开路电压；三苯胺给体上引入辛氧基链不仅能使染料光谱拓宽,增大短路电流,还能提高开路电压。在AM1.5(100m W cm-2)光强条件下,APP-Ⅳ染料敏化的电池光电转换效率达到7.12%(短路电流为13.56mA cm-2,开路电压为691mV,填充因子为0.76)。此外,APP-Ⅳ染料还被应用于离子液体电解质电池,得到12.28mA cm-2的短路电流、0.648V的开路电压、0.76的填充因子和6.20%的光电转换效率,且在60C持续光照射1000小时,电池效率仍保持在97%,呈现了很好的稳定性。第五章,为了进一步提高电池的开路电压,把吡啶并吡嗪核上的甲氧基苯换成辛氧基苯,设计合成了一系列三苯胺为给体、辛氧基苯取代的吡啶并[3,4-b]吡嗪为额外受体、噻吩(呋喃、苯)为π-链、氰基乙酸为受体的D-A-π-A型染料敏化剂(OPP-Ⅰ～Ⅲ),并与染料APP-Ⅰ进行对比。实验结果表明,用辛氧基取代甲氧基,能有效减少染料在Ti02表面的聚集,同时能阻止电解质和Ti02导带的接触,抑制电荷复合,提高了开路电压。在AM1.5(100m W cm-2)光强条件下,OPP-Ⅰ敏化的电池最大光电转换效率为6.57%(短路电流为11.7mA cm-2,开路电压为717mV,填充因子为0.78)。第六章,将吸电子能力更强的[1,2,5]噻二唑并[3,4-c]吡啶(PT)作为辅助受体引入到染料中,合成了以三苯胺(二苯胺噻吩)为给体,PT为辅助受体，噻吩和苯为π-链的D-A-π-A结构染料敏化剂(PT1-PT4).研究了三苯胺和二苯胺噻吩给体、噻吩和苯共轭桥链对化合物吸收光谱、能级的影响。实验结果表明,给体或桥链改变可以调节染料的吸收光谱波长和能级。在AM1.5(100m W cm-2)光强条件下,PT1-PT4染料敏化的电池效率分别为2.40%,4.23%,0.64%和1.23%。二苯胺噻吩强给体的引入并没有达到预期效果,短路电流和开路电压都有不同程度下降。可能是由于其摩尔消光系数低和电荷复合快所致；此外,还对PT2进行器件优化,通过改变CDCA的浓度和电解质的配比来提高电池效率。研究发现,在LP和E1两种电解质条件下,加入一定量的CDCA能大大提高染料的短路电流和效率。使用LP电解质能一定程度提高开路电压但会引起短路电流的减小。最终,在E1电解质条件下,20mM的CDCA处理的PT2敏化电池获得最高效率6.11%(短路电流为12.61mA cm-2,开路电压为668mV,填充因子为0.74)。第七章,将新型受体吡啶(氰基吡啶)引入到染料中,合成了4个染料敏化剂(PY1-PY4)。测试了化合物的紫外吸收、电化学和光电性能。同时对吡啶上的氰基对染料性能的影响进行了讨论。实验结果表明,氰基的引入不仅能使染料吸收光谱拓宽,还能提高染料的摩尔消光系数。将PY1-PY4染料敏化的电池在AM1.5(100m W cm-2)光强下进行性能测定,PY1获得了2.14%的效率。虽然氰基取代的吡啶类染料电池有更高的短路电流,但是开路电压有所下降,总的光电转换效率值比PY1略低,进一步的器件优化测试正在进行中。