● 摘要
随着石油原料的大量消耗以及环境污染问题的日益严峻，太阳能的开发得到了各国研究人员的普遍关注。太阳能电池作为一种将光能转换为电能的器件，拥有广泛的发展前景。而染料敏化太阳能电池作为其中的一种，因为具有制备简单、价格低廉、转化效率高等优点已成为研究的热点。在染料敏化太阳能电池中，染料敏化剂起到吸收太阳光、产生光生电子、并将电子注入到TiO2导带中的作用，因此，直接影响着DSSCs的转化效率。与金属配合物染料相比，纯有机染料具有制备工艺简单、原料来源广泛、摩尔消光系数高等优点，在近几年得到了快速发展。
染料敏化剂的分子结构主要遵循供体（D）-桥链（π）-受体（A）构型，可分别通过对供体、共轭桥链和受体的结构修饰来提高染料的光电转换效率。本文以三苯胺作为供体、以苯环与噻吩及其衍生物作为共轭桥链、以氰基乙酸作为受体，合成了双供体的DT-X系列染料。另外，还合成了单供体的ST-X系列染料作为参比。研究了通过增加染料供体的数量以及延长共轭桥链的长度对染料性能的影响。主要的研究内容包括：
(1) 设计并合成了双供体DT-X系列染料与参比染料ST-X系列染料，通过MS、1H NMR、FT-IR等分析方法对目标化合物及中间体进行了结构表征。并对合成的染料进行了光物理性能、光伏性能以及电化学性能等方面的测试。
(2) 研究了增加三苯胺供体数量和延长共轭桥链长度对染料的光物理和电化学性质的影响。紫外-可见光谱分析表明：在共轭桥链中增加苯环后，ST-2的吸收光谱发生蓝移；当增加一个额外的三苯胺供体后，染料DT-1的在可见光区的吸收变弱。相比之下，以联噻吩替换单噻吩后，染料DT-2在可见光区的吸收明显变强。由电化学性能分析可知，染料的LUMO能级均高于TiO2导带能级，HOMO能级均低于I-/I3-氧化还原电位，满足染料敏化剂的能级要求。
(3) 密度泛函理论（DFT）计算发现，染料分子的电子云分布主要集中在基态的HOMO能级和激发态的LUMO能级。激发态电子能够从供体部分有效地转移到受体受体部分，并顺利注入TiO2导带中。
(4) 对染料的阻抗性能和负载量进行了测试。通过阻抗性能分析发现，增加三苯胺供体数量后，染料DT-1和DT-2能有效抑制电子复合，提高DSSCs的开路电压；通过对染料负载量的分析发现，增加三苯胺供体数量后，染料DT-1的负载量降低；然而，延长共轭桥链后，染料ST-2和DT-2的负载量又明显增大。
(5) 通过对染料的光伏性能研究发现，与ST-1相比，将苯环引入共轭桥链后，染料ST-2的短路电流明显降低，光电转化效率也有所下降。而增加三苯胺供体后，染料DT-1的开路电压虽然得到明显改善，但短路电流却有所降低，光电转化效率也因此降低。将DT-1共轭桥链中的噻吩替换为联噻吩后，染料DT-2的短路电流显著提高，并显示出良好的光伏性能（Jsc = 9.25 mA·cm-2、Voc = 0.68 V、FF = 0.63，PCE = 3.91%）。