染料敏化太阳能电池原材料来源广泛,制作工艺简单,光电转化效率高,是光伏领域研究的热点。其中染料敏化剂起着十分重要的光电转化作用,是电池研究的核心方向之一。相比于传统的贵金属配合物,本论文研究的有机染料敏化剂具有结构丰富、易于设计、成本低廉和摩尔消光系数高等优点。在光照的条件下,染料吸收光子从基态跃迁到激发态,电子从给体转移到受体,然后受体通过锚合基团将电子注入到纳米半导体中。从这一过程可以看出:受体是连接染料与二氧化钛的纽带,既影响了分子内的电荷流动方向;又将电子最终传递到二氧化钛之中。不仅如此,受体还是调节染料带隙和能级的重要单元。但是相比于给体和共轭桥的研究,受体的探索相对较少,而且大多数集中在新结构的开发。本论文采用最常见的“给体-共轭桥-受体-锚合基团”的染料构型,系统地研究了受体对于光谱和能级的调节作用,以及受体与二氧化钛的相互作用对于其电池性能的影响。其具体内容如下:第一章绪论简要概述了染料敏化太阳能电池的发展历程、工作原理、性能参数及其影响因素,重点综述了染料敏化剂的发展思路及研究成果。在此基础之上,提出了本论文研究的出发点,阐述了设计思路以及研究内容。第二章主要研究了染料扭曲结构对于其光电性能的影响。通过对染料受体和锚合基团之间间隔单元的调节,得到了二者之间具有不同共轭程度的8个分子。结果表明,电池的光电转化性能随着染料主要受体与氰基乙酸间相互作用的削弱而表现出上升的趋势,并经过了“噻吩间隔体系”和“苯环间隔体系”双重验证。实验结果表明,极度扭曲的间隔单元可以有效地提高相应电池的电子寿命,抑制了氧化态染料与二氧化钛中电子的复合,极大地提高电池的电压,最终得到较高的光电转化效率。其中,扭曲程度最大的染料LI-86的效率达到了 7.35%,是平面染料电池的2.45倍。第二章工作集中在染料与二氧化钛的电子耦合强度对电池性能的影响研究。本章中首次通过调节主要受体与锚合基团之间的间隔单元性质(空间位阻、推拉电子结构性质、二者距离),成功实现了对电子耦合强度的逐步调节。通过3组共11个分子的研究发现,染料与二氧化钛之间需要合适的电子耦合强度来平衡电子的注入与回传,以获得最大的光电转化效率。其中,染料LI-87和LI-90在少量CDCA的作用下,效率分别达到了 9.07%和8.60%。第三章以三苯胺-噻吩-噻吩-苯环-羧基为基本骨架,将主要受体苯并噻二唑分别插入到相邻单元之间,得到了受体位置不同的四个染料分子,系统研究了染料受体的位置对其电池的光电性能的影响。研究表明:通过对相同组成单元排列的设计,可以有效地控制染料骨架的共轭程度,得到不同性能的染料;在染料共轭较好的情况下,受体的位置对于激发态染料的电子注入没有明显的影响,但是增大受体与二氧化钛之间的距离会一定程度上减弱氧化态染料与二氧化钛中电子的复合,提高电池的电流电压。最终共轭最好的染料LI-96因为较好的光谱覆盖范围,有效地提高了短路电流,且电压没有明显的下降,取得了 8.25%的光电转化效率。第四章主要研究了染料受体强度与受体一锚合基团距离的各自作用及二者的相互依赖关系。实验中采用了苯并噻二唑、苯并噁二唑和苯并硒二唑来调节受体强度,苯环和苯乙炔来调节与二氧化钛之间的距离。研究表明,受体部分的结构可以有效地调节染料的能级和光谱;拉电子能力弱的苯并噻二唑可以通过延长距离减弱电子的复合,且对电子注入的影响不大;拉电子能力较强的苯并噁二唑和苯并硒二唑则将使染料的LUMO轨道局域受体之上,延长距离会削弱电子耦合,导致染料电子注入能力的下降。最终染料LI-144取得了 7.9%的光电转化效率。第五章中系统地考察了含硼酸或者硼酸酯的中间体小分子的室温磷光特性。研究表明,含硼化合物是有机材料中除含羰基和卤素重原子化合物之外的一类新的室温磷光体,对于丰富这类材料具有十分重要的意义。其中4-甲氧基苯硼酸的室温磷光寿命达到了 2.27s,是目前报道室温磷光寿命最长的化合物。通过对一系列化合物的室温磷光特性和晶体堆积的系统研究发现,晶体分子的刚性结构能够有效的减弱分子的振动自由度,降低三线态的非辐射跃迁;有效的π-π堆积可以扩大分子簇的共轭,增加其亮度的同时,稳定三线态激子,获得长寿命的磷光。除此之外,本章中发展了喷墨打印技术,为材料或者器件的制作提供了快速,方便和精确的方法;比较了这类化合物相对于传统无机材料的生物毒性,为进一步的生物应用提供了一定的参考。