在当今光信息技术高速发展、新能源不断开发的时代,尤其是随着各种光源不断被开发利用,太阳能电池等光电产业迅猛发展,对光电功能材料需求的数量日趋增长,同时对此类材料性能指标的要求也较大提高,具有新型结构与优良性能的光学功能材料的设计、制备和应用已成为科研工作者日益关注的热点之一,对它的研究也以日新月异地发展着,特别是光学吸收材料的设计、制备及应用报道的数量逐年递增,已开发出像偶氮、聚炔、酞菁、方酸菁、甲川菁、金属配合物等吸收强度大、波段分布广、稳定性高的光学吸收材料,广泛应用于光电子产业甚至日常生活中,如印染、光探测器、生物探针、光动力学治疗、数据储存、光发射场效应晶体管、光信息处理、激光防护、非线性光学、太阳能的开发利用等众多领域。为了进一步探讨分子结构,特别是分子间非共价键自组装结构对材料光学性能的影响规律,本论文设计制备了偶氮和方酸菁两类不同光学吸收染料,研究其自组装结构对光学性能的影响规律,进而选择性能优良的方酸菁染料(二-N-甲基-N-羟乙基苯胺方酸菁)为比色分析探针,实现了在生理条件下对生物半胱氨酸分子的即时检测；为提高材料光学性能的稳定性,减少分子间的聚集效应,在分子水平上将无机POSS纳米核引入到方酸菁分子中,设计制备出光学性能优越、稳定性高、抗聚集效应强的近红外吸收杂化材料,为克服有机光学生色团聚集效应、提高材料光、热稳定性提供一种简洁、有效的途径；最后在相同的近红外方酸菁生色团上引入共轭程度、键合能力不同的取代基,对其光电性能研究的基础上,应用到染料敏化太阳能电池中,探讨出染料分子结构对染料敏化太阳能电池光电转换效率的影响规律。主要内容具体如下：1.简述了材料光学吸收性能的一般原理,并在总结影响材料光学吸收强度和吸收峰位的内外因素的基础上,对光学吸收材料国内外研究现状和进展进行了综述。2.为了进一步探讨分子结构、尤其是非共价键自组装作用对材料光学吸收性能(线性吸收和非线性吸收)的影响,在理论计算、模拟方案可行的基础上,设计制备了两类不同结构的染料分子(偶氮类染料和方酸菁染料),通过对氢键识别效应强弱的控制,可控自组装出规整度不同(无规、一维、二维等)的超分子自组装体,经FT-IR, SEM (or OM), TGA, UV-vis,荧光光谱,理论计算或Z-scan等方法对自组装结构与性能进行表征和分析,探讨结构对性能(光吸收性能、荧光性能、热稳定性及光学限幅等)的影响规律,结果表明：材料的自组装结构可以通过调节分子间氢键识别强弱等方法控制,如：偶氮类染料,随着分子中氢键识别效应的增加,分子间氢键作用增强,排列更加紧密、规整,材料的热稳定性增强；同时,当喹啉环上的N-原子与羟基氢原子形成氢键后,由于N-原子上电子云密度减小,吸电子能力进一步增强,这样共轭染料分子上电子云分布更均匀,即π-电子更加离域,HOMO与LUMO间的能级差降低,利于分子间电子跃迁,因而非线性吸收和光限幅性能增强。但热稳定性方面,方酸菁类染料和偶氮染料不同,随着氢键作用的加强和自组装结构规整性提高,材料的热稳定性反而减弱,可能是由于方酸四元环上的氧原子形成氢键后,破坏或减弱了共轭体系的芳香性“4n+2" Huckel规则的缘故。3.基于比色分析法的优点,尤其是近红外比色分析法背景干扰小、对人体或被检测对象无损伤等优点,选择了自吸收小、水溶性好、和待测物作用迅速的近红外染料(二-N-甲基N-羟乙基苯胺方酸菁)为比色分析探针,应用于生物半胱氨酸分子的检测,实现了在生理条件下对半胱氨酸的即时检测。结果显示：在优化条件下(pH=7.5, CSQ1.75μmol·L-1, CSDS1.0mmol·L-1以及CNaCl1.0mmol·L-1),即时检测半胱氨酸的线性回归方程为△A=6.25×10-2+4.50×10-4c(nmol·L-1),线性相关系数为0.9984,线性区间为10～700nmol·L-1,检测限为3.5nmol·L-1(n=20)。样品中半胱氨酸的回收率在96.0%～102.0%之间,检测的相对误差(R.S.D.)低于4.1%(n=5)。4.光学吸收性能好的有机材料,一般都具有较大的π-共轭体系,但较强的分子间作用力,使有机生色团易发生π-堆叠,产生H-聚集或J-聚集效应,分子间发生电荷转移,从而导致材料光学性能不稳定等负面效应。鉴于POSS是一种笼型纳米材料(尺寸大约为0.53nm),其立方Si-O-Si笼型结构的周围以共价键方式连接着八个(或十个)有机基团(功能性或惰性),具有较高的光、热稳定性,并可以在分子水平上与有机功能基团进行杂化等特点,是构筑不同结构有机-无机纳米复合材料的理想平台。通过理论计算证明,将纳米POSS与光学功能材料在分子水平上杂化后,可以有效地克服有机生色团的聚集效应,提高光热稳定性。在此基础上,以聚集效应极强的方酸菁染料为例,通过经典Heck反应和控制反应物投料比等方法,将无机纳米POSS与近红外方酸菁在分子水平上进行杂化,制备出不同结构的POSS基纳米杂化复合材料(H1和H2),并着重考察了杂化材料的聚集效应及热稳定性。结果表明：有机光学材料经共价键与无机纳米笼型POSS核在分子水平上杂化后,可以有效地增加有机生色团间的距离,减弱有机生色团间的π-π堆叠与偶极-偶极作用,阻止分子间电荷转移,从而达到解聚集效应,在保持光学材料原有优良性能的基础上,提高光学材料的光、热与化学稳定性。为可控制备聚集效应弱,光学性能稳定,热稳定性高的光学杂化材料提供基本路径。5.为研究染料敏化太阳能电池的光电转换机制,探讨染料分子结构对光电转换效率的影响,将具有不同共轭程度和键合能力的取代基引入到同一种近红外吸收方酸菁生色团上,设计合成一类光吸收性能相近,但结构不同的近红外吸收方酸菁染料。通过理论计算、吸收光谱检测和伏安特性检测等方法对其光电性能表征的基础上,做为光敏化剂应用到太阳能电池上,探讨取代基团的键合能力和共轭程度对染料敏化太阳能电池的光电转换效率的影响规律。结果表明：随着键合基团电负性和与无机材料键合能力的增强、分子内电荷的共轭程度的增大,激发态电子传输速率加快,电子界面复合几率减小,对应的染料敏化太阳能电池的光电转换效率提高。