太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的可再生、无污染的天然能源,是从根本上解决世界能源危机和环境污染问题的最有效途径之一。染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的光电化学太阳能电池,具有广阔的研究和应用前景。如何提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率及稳定性是目前染料敏化太阳能电池研究的关键问题。在染料敏化太阳能电池中,光敏染料的作用是吸收太阳光并将激发态的电子注入到半导体的导带中,同时产生的氧化态染料又能很快地从电解质中的氧化还原对得到电子而被还原再生。因此,光敏染料的性能直接影响DSSC的光电转换效率,是染料敏化太阳能电池能够高效工作的重要因素之一。因此,设计稳定性好,成本低,效率高的染料敏化剂,达到真正的商业化应用已成为染料敏化太阳能电池发展的重要课题。从材料设计的角度考虑,结构决定性能。在染料敏化太阳能电池中,染料分子的结构会影响到光的捕获效率、电子注入、染料再生和电子复合等电子转移过程,从而影响DSSC的光电转换性能。理论计算辅助的性能分析和材料的设计已经成为实验科学家们必不可少的研究手段。因此,本文以提高染料敏化太阳能电池光电转换效率及稳定性为目标,设计系列新型钌配合物染料分子,利用量子化学计算方法对新型染料分子的电子结构性质、激发态性质和光谱性质,进行系统的理论研究。利用取代基修饰的N-杂环卡宾-吡啶辅助配体替代N3染料分子中的一个二联吡啶配体,设计了系列新型N-杂环卡宾-吡啶基二联吡啶钌染料分子,并利用DFT和TDDFT方法计算了该系列染料分子的几何结构,电子结构、光谱性质。计算结果表明,该系列染料分子的HOMO轨道都是由Ru原子的d轨道和NCS配体组成,而LUMO轨道则定域在带羧基的二联吡啶配体的π*轨道上。染料分子的HOMO和LUMO轨道能级分别与TiO2半导体的导带能级和电解质中的碘化物的氧化还原电位相匹配。染料分子电子结构性质有利于染料敏化太阳能电池的再生和电荷注入。在CH3CN溶液中,染料分子在紫外-可见光谱区有良好的光谱响应,并且随着N-杂环卡宾-吡啶配体上引进的取代基的给电子能力逐渐增强,染料分子的最低能吸收波长规律性红移,该吸收具有MLCT/LLCT混合跃迁性质。以N749染料为母体,保留三联吡啶配体作为附着配体,利用两齿的N-杂环卡宾-吡啶配体替代两个硫氰酸盐配体设计一系列同时含有三齿配体和两齿配体的去硫氰酸盐配体环金属联吡啶钌染料分子。利用DFT和TDDFT方法对该系列染料分子及母体分子N749的几何结构、电子结构、激发态性质和光谱性质进行了系统的理论研究。研究结果表明,与母体分子N749相比,采用N-杂环卡宾-吡啶配体替代两个NCS配体导致该系列染料分子的HOMO和LUMO轨道能量均降低,导致染料分子的HOMO-LUMO能隙变大,导致染料分子的HOMO轨道能量与电解质中的碘化物的氧化还原电位更加匹配。因此,染料分子的前线分子轨道结构及轨道的能量均满足做为染料敏化太阳能电池光敏剂的前提条件。该系列分子具有良好的光吸收性能,最低能吸收波长可达到将近800nm,吸收跃迁性质被指认为MLCT/LLCT混合跃迁。染料分子有足够的电子注入驱动力和再生驱动力完成有效的电子注射和染料再生。因此,本文设计的去硫氰酸基团的环境友好的环金属光敏染料有作为高效染料潜在的应用价值。为了研究质子化效应对去硫氰酸盐配体环金属联吡啶钌光敏染料的结构和光谱行为的影响,本章利用理论方法,系统的讨论了不同质子化程度的染料分子[Ru(Hxtcterpy)(CF3-NHC-py)(NCS)]y(x=0,1,2,3;y=-2,-1,0,1)的几何结构、电子结构和光谱性质。研究结果表明,质子化效应对电子结构有一定的影响;在CH3CN溶液中的吸收光谱中,染料分子的HOMO和LUMO轨道能量随着质子化程度的增加而降低;每一步质子化导致的LUMO轨道能量降低的幅度都比HOMO轨道大,因此,随着质子化程度的增加,染料分子的HOMO-LUMO轨道能隙逐渐减小;随着质子化程度的增加,染料分子的吸收光谱在低能区域的吸收波长规律性红移;随着质子化程度的增加,染料分子的电子注入驱动力规律性下降,而染料分子的再生驱动力是规律性变大的。因此,协同比较染料分子的电子注入驱动力和染料再生驱动力,认为双质子化的染料分子在该类去硫氰酸盐配体环金属联吡啶钌光敏染料中具有最优良的敏化性能。