染料分子是影响染料敏化太阳能电池(DSSC)光捕获效率及电子注入效率的关键组分。为了筛选出更加高效的染料分子,借助密度泛函及含时密度泛函理论,本论文模拟了系列潜在染料分子及染料/纳晶组装体的电子结构及光学性质,计算结果可为实验合成更加高效的染料分子提供理论依据。以Zn(II)配位的酞菁染料(TT7)为基础,本文设计出一系列具有不同中心金属离子以及边缘/轴向基团的酞菁染料分子。结果表明,中心金属离子为Al(III)的酞菁染料分子具有合适的能级排布以及良好的光吸收性能。其中,以碘离子为轴向配体,二甲氨基为边缘取代基的Al(III)酞菁染料吸收光谱红移最大。对染料分子二聚体的研究表明,Al-I-Pc染料分子间π-π堆叠作用弱于TT7二聚体,可有效降低酞菁染料在半导体表面的聚集。因此,Al-I-Pc是潜在的高效酞菁染料敏化剂。通过用不同的锚定基团取代CN11和CN12有机染料分子的羧基,本文设计出一系列新的有机染料分子。染料分子光电性能理论研究表明,以二硫代羧基(-CSSH)为锚定基团的染料分子(CN11-CSSH和CN12-CSSH)在同系列染料分子中光谱红移最大、响应范围最宽且第一激发态寿命最长。因此,二硫代羧基是设计高效染料分子的潜在锚定基团。通过采用不同的富电子以及缺电子单元取代非对称性方酸染料WCH-SQ11的3,4-亚乙基二氧噻吩(EDOT)单元,本文设计出四个新的方酸染料分子。理论研究表明,含二噻吩并吡咯(DTP)单元的WCH-SQ11-1方酸染料具有良好的光吸收、电子注入和电荷转移(CT)性能以及大的垂直偶极矩(μnormal)。与孤立WCH-SQ11-1分子相比,WCH-SQ11-1/(TiO2)38复合物的最大吸收发生红移,且在最大吸收处,WCH-SQ11-1分子以直接的方式将电子注入到TiO2半导体的导带。因此,WCH-SQ11-1是可替换WCH-SQ11的潜在染料分子之一。以含氮芘单元的JD21分子为基础,本文设计出三个以硅为核心的JD21衍生物分子。对相关体系系统的理论研究表明,含二噻吩并噻咯(DTS)单元的Y2染料分子表现出良好的光捕获能力、热力学和动力学性能,且Y2/(TiO2)38复合物具有较高的稳定性。因此,Y2分子是潜在的高效有机染料分子。计算结果同时也突显了硅原子在调控JD系列染料分子各项性能中的重要作用。