染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSC），又称“Gr(a)tzel”型电池，具有低廉、高效、稳定等优点。DSSC器件主要由四个部分组成:光阳极、染料敏化剂、电解质和对电极，其中电解质和敏化剂是高效DSSC的重要组成部分。与传统的碘电解质相比，钴配合物电解质能更好地调节氧化还原电势，近几年基于钴电解质的DSSC光电转换效率取得了巨大进展。染料敏化剂是光捕获剂，被光激发后将电子注入到半导体材料的同时也要能够高效抑制电解质中的氧化还原对与半导体电子之间的复合，因此开发出适合钴配合物电解质的高性能染料是目前DSSC研究中一个重要的课题。　　本论文从传统的碘电解质出发，分析制约基于钴电解质DSSC性能的主要原因，在此基础上设计和优化适合钴配合物电解质的高性能有机染料。在基于D-π-A型染料结构框架下，优化给体、共轭π桥链的尺寸、结构，考察这些变化对染料的光谱、能级和DSSC性能的影响，并借助电化学交流阻抗和光诱导电荷转移动力学等技术探讨DSSC各个界面之间的作用机理。　　第一章，前言部分介绍了DSSC的研究背景、结构、工作原理和性能评价参数，着重介绍了基于钴电解质DSSC的研究进展，分析了制约其性能的主要原因和解决方法，并在此基础上提出了本论文的设计思路和具体研究内容。　　第二章，喹吖啶酮是一类高性能的有机颜料，具有宽的吸收光谱和好的光、热稳定性。为了拓宽喹吖啶酮吸收光谱和增大分子内的电荷转移过程，设计并合成了三个新的含有三苯胺类基团作为给体、喹吖啶酮与呋喃作为共轭桥链和氰基乙酸作为吸附基团的染料QA1，QA2和QA3，并探讨了给体的变化对这一系列染料分子吸收光谱、电化学和DSSC光电性能的影响。实验结果表明:随着给体增强，分子吸收光谱增大，给体的变化可以容易地调节染料的能级轨道。基于三苯胺给体的染料QA1在和20 mM鹅去胆氧酸(CDCA)共敏化后得到了最高光电转换效率值(7.70％)。此外，三个染料基于离子液体的DSSC在光照1000小时老化实验中展示出了很好的稳定性。密度泛函理论(DFT)计算显示喹吖啶酮和呋喃基团之间具有高度的平面性，作为噻吩的一种替代物，呋喃被引入染料敏化剂作为共轭π桥，表现出了较好的光电性能和稳定性。　　第三章，以喹喔啉作为共轭π桥链，在吲哚啉染料IQ4的基础上引入更大体积的给体构建两个新的推-拉型吲哚啉染料YA421和YA422。二个（2，4-二己氧基）苯大给体基团的引入增加了染料空间阻挡效应，使氧化还原电解质，尤其是钴配合物电解质与二氧化钛表面的电子复合有效减少。不同尺寸大小给体的染料IQ4，YA421和YA422在钴电解质中的开路电压比在碘电解质中分别提高了34 mV，62 mV和135 mV。此外，瞬态吸收光谱和交流阻抗实验表明:大给体的引入使染料YA422的再生效率最低，但其可以更有效地降低电子复合速率，因此其光伏性能仍然得到改善。另外，电化学交流阻抗数据还表明:与铂对电极对比，溅射金层后再沉降一层石墨烯纳米片的对电极具有更低的电荷转移电阻，改善了YA422的电池器件填充因子（FF），在AM1.5标准模拟太阳光下其光电能量转化效率达到了最高值(10.65％)。　　第四章，在确定了大给体确实能有效阻碍钴配合物与TiO2表面的电子复合后，进一步研究D-π-A染料中共轭π桥链对染料DSSC性能的影响。以大吲哚啉作为给体，设计并合成出不含π桥的YA601（D-A型）和含有环戊二噻吩基团作为π桥的YA602（D-π-A型），并在YA602的基础上，引入一个喹喔啉额外受体，得到YA603（D-A-π-A型）。基于YA601-YA603的DSSC在碘和钴两种电解质中开路电压(Voc)差值为YA601(-17 mV)＜ YA602(81 mV)＜YA603(113 mV)，进一步证明增大的共轭π桥链在钴电解质中有效阻碍了其与二氧化钛表面的电子复合。光诱导电荷转移动力学研究表明:YA603由于“电荷阱”受体喹喔啉的引入降低了分子的HOMO能级，足够的驱动力得到了更高的染料再生效率。电化学交流阻抗数据显示在钴电解质中，二氧化钛上电荷收集效率随着分子共轭π桥的增加而增大，进而影响IPCE的高度和短路电流（Jsc），在AM1.5标准模拟光下，YA603的光电能量转化效率达到了10.41％。　　第五章，前两章的研究结果证明了在钴电解质里，基于大给体分子的DSSC能够明显阻碍电子的回传，提高光电转换效率。但是吲哚啉的给电子能力太强，即使与一个“电荷阱”受体连接后能一定程度上改善其稳定性，还是很难通过常规的电池加速老化实验，限制了其产业化应用的需求。基于二芴苯胺类给体的染料具有较强给电子能力，在拓宽光谱的同时，不会降低染料的稳定性。本章在芴的亚甲基和苯环位置引入多个烷基和烷氧基链构建大体积的给体结构，同时通过分子内共轭π桥（噻吩、呋喃、环戊二噻吩）的改变调节吸收光谱，设计并合成了四个染料YA423，YA424，YA425和YA426，其中含有噻吩的YA424 DSSC中的Voc达到了935 mV。环戊二噻吩的引入虽然拓宽了YA426分子的吸收光谱，提高了DSSC的短路电流（Jsc），但是其在钴电解质中的电子寿命大大降低，影响了Voc，致使Y426的光电转换效率仅略微高于YA424。值得一提的是，YA426在65℃，伴随着100％光强的持续照射1000小时后仍然保持了90％以上的初始值，表现出了很好的稳定性。　　第六章，拓宽染料的光谱是改善DSSC性能重要的手段，通过引入茚并噻吩胺类给体到D-π-A分子中既可增加给体给电子能力，也能减小分子内的二面角。引入芴和联苯类基团到茚并噻吩胺类给体、变化喹喔啉和噻吩桥链，设计并合成了一系列染料YA501，YA502，YA503，YA504和YA505，它们的最大吸收波长都在600 nm左右，大大超过了以往被认为给电子能力很强的吲哚啉给体。瞬态吸收光谱显示给体平面性更好的YA502与钴电解质的能势差较小导致驱动力不足，影响了染料的再生，从而降低了Jsc。交流阻抗实验证明YA503，YA504和YA505给体非平面的设计导致对钴配合物更好的外围阻挡能力，电子复合减少，Voc得到提高。通过在喹喔啉核引入更多的烷基链进一步降低钴配合物与TiO2表面的电子复合，在这些染料之中，YA504和YA505的DSSC都取得了超过10％的效率，YA504达到了10.70％。　　本论文研究的大给体染料较好地解决了钴电解质配合物中与TiO2表面的电子快速复合的问题，其中染料YA424最高Voc甚至达到了935 mV。YA504通过引入给电子能力强、二面角更小的茚并噻吩胺类给体使Jsc最高值达到了17.00 mA/cm2。使用金和石墨烯混合的电极取代传统的铂电极降低了钴配合物在对电极的电荷转移电阻，明显提高了FF，其值基本能保持在0.73-0.76之间，YA504最高效率也随之达到了10.70％。通过交流阻抗技术可以较为直观地分析Voc和FF变化的原因。但Jsc变化的原因分析比较复杂，最直观的为IPCE谱图，但是具体到某个过程需要借助吸收光谱（光捕获能力）、能级轨道（染料再生和电子注入驱动力）、交流阻抗技术（电荷收集效率）、光诱导电荷转移动力学（染料再生效率）等进行综合评价。