染料敏化太阳电池(DSC)的核心是吸附在二氧化钛薄膜上的有机染料。传统的染料经过了数十年的广泛研究，其器件效率进一步提升的空间十分有限。因此新概念材料系统的开发对器件效率的突破至关重要。本论文中我们创新的构建了一系列含杂原子的稠环芳烃有机染料，并实现了基于该类有机染料13％的光电转换效率。目前稠环芳烃有机染料已经成为该领域最为高效的材料系统之一，可以与锌卟啉和钌基最为成功的染料相媲美。本论文主要的研究内容如下：　　(1)首先分析DSC所涉及的动力学过程，特别是电子注入过程，我们提出了长激发态染料分子设计与合成的科学目标。汲取以往染料设计的经验，我们制定了新型染料分子设计的准则并筛选出菲并咔唑(PC)作为本论文的研究主体。　　(2)我们尝试性的将PC作为刚性平面共轭单元直接替代传统染料模型分子G221中的苯环，并结合强电子给体二苯胺和经典电子受体氰基丙烯酸合成了一种新型稠环芳烃有机染料C261。最终基于C261的器件获得了AM1.5G下8.8％的光电转换效率。通过对染料电子注入动力学的研究，我们阐明了长激发态寿命对实现分子LUMO能级降低的同时依旧保持高效电子注入的重要性。空穴注入动力学研究则表明分子HOMO能级升高不可避免的会带来空穴注入驱动力的减小。但是通过分子结构的理性设计可以有效抑制二氧化钛中的电子与氧化态染料的电荷复合从而实现高效的空穴注入。以上研究为进一步收缩染料分子前线轨道能级实现窄能隙奠定了基础。随后我们通过三个基元片段三键、苯甲酸和杂环受体BT的排列组合，构建了几种LUMO能级逐渐降低的杂环电子受体，并合成了相应的有机染料C262、C289和C290。通过对不同染料系统电子注入动力学的研究，我们发现染料分子LUMO能级的降低并没有对电子的注入效率造成大的不利影响，这主要得益于PC类染料较长的激发态寿命。而器件水平上的光吸收表明杂环类受体接枝到二氧化钛薄膜上光谱的蓝移比传统氰基丙烯酸受体显著变小，展示了杂环电子受体将受体单元和接枝基团分离在设计上的成功之处。最终基于C289的器件获得了最高10.3％的光电转换效率。综合考虑分子能级以及抑制电荷复合能力等多方面因素，随后我们将基于电子受体EBTBA进行电子给体多样化的研究。　　(3)我们以EBTBA为电子受体，以末端大体积脂肪链取代的P-PC作为电子给体合成了有机染料C272。P-PC电子给体结构简单，易于合成。结合Co-phen电解质，基于C272的器件获得了AM1.5G下10.4％的光电转换效率，这是当时PC基有机染料的最高效率。最为重要的是，我们发现末端大体积脂肪链的引入有效抑制了二氧化钛中电子的电荷复合过程，从而使器件获得了超过900 mV的开路电压。这激励我们在C272的结构上进一步调控给体分子的结构来实现效率的提升。为了提高染料分子的光吸收，我们将P-PC的苯环通过分子内的傅克烷基化反应与PC并环，从而设计了三个新颖的PAH核心:IPC、NPC和APC。借助DFT计算并依据染料分子设计的准则，我们基于这三个PAH核心构建了相应的电子给体，并合成了染料分子C275、C292和C293。通过对分子前线轨道能级的研究，我们发现给体的平面化实现了对分子HOMO能级的有序调控，因此染料分子对低能光子的捕获能力也逐渐增强。最终基于C275的器件实现了12.5％的光电转换效率，这是当时非金属有机染料的最高效率。　　(4)为了提高染料分子对近红外低能光子的利用，我们在IPC和NPC给体核心的基础上，引入富电子的噻吩单元，构建了TCC和TPPC核心。噻吩基团的引入显著提升了电子给体的HOMO能级，从而为实现给受体染料分子的窄能隙提供了条件。选择匹配的电子受体BTBA，我们合成了两个近红外有机染料C277和C278。结合Co-bpy电解质，两个分子器件均实现了对低能光子的有效利用，获得了近20 mA cm-2的短路电流密度。随后我们对反应路线进行了优化，使用对己基苯溴化镁的格氏试剂定向的合成了TCC单元，这为基于TCC结构进一步衍生化提供了条件。在TCC的基础上，我们再次引入噻吩基团，构建了DTPC单元。结合强电子受体BTEBA，我们合成了C281分子并实现了对近红外光子的有效利用。最终基于C281染料分子的器件获得了高达13.0％的光电转换效率，这是当时有机染料的最高效率。PC和噻吩相结合构建富电子PAH核心，然后借助杂环类的强电子受体从而实现近红外有机染料的设计与合成将是我们今后研究的重要目标。