在保证能源消耗的前提下,为达到减少碳排放和实现碳中和,能源发展的趋势是减少化石能源的消耗和开发清洁再生能源技术。染料敏化太阳能电池（DSSCs）因制备工艺简单、生产成本低、电池透光和颜色可调等特点,适合分散式能源供应。目前正逐步应用在建筑物玻璃幕墙、消费电子设备和传感器供电等方面。染料作为DSSCs中的功能材料,决定着吸收太阳光子和将光生电子注入到外电路的功能。染料性能的好坏直接决定了电池的光电转化效率。经过三十年的发展,高效染料的开发面临的挑战是在增强染料捕光能力的同时,抑制染料聚集和注入电子的回传。本论文将柱芳烃通过共轭键接入到染料分子中,利用其刚性柱状结构来抑制染料分子间的聚集和注入电子的回传,从而达到提高电池开路电压(VOC)的目的。分别将柱芳烃接入到染料给体-π桥-受体（D-π-A）结构中的给体尾部和π桥中,研究了柱芳烃在染料不同位置对染料性质和电池性能的影响。进一步探索了染料与电解液之间的主客体作用对DSSCs性能的调控。最后,通过扩大染料的共轭结构和引入辅助电子受体,以期筛选出与柱芳烃染料光吸收互补的高效染料。完成的研究工作主要包括以下内容:第二章中,在不影响染料共轭骨架的前提下,将柱芳烃接入到染料D-π-A结构的给体尾端,构建出染料PPI;进一步的,在柱芳烃上同时接入两个D-π-A捕光单元提高染料的吸光效率,合成出染料PPII。通过参比于无柱芳烃结构的染料PI,实验证实,柱芳烃的接入显著抑制了染料的聚集。受到柱芳烃大体积的影响,柱芳烃染料的吸附量较PI大幅下降,导致PPI电池的单色光转化效率低于PI。PPII在PPI的基础上增加了一个捕光单元,捕光能力的增幅弥补并超过了吸附量降低导致捕光能力的降低,最后PPII获得了超过PPI和PI的单色光转化效率（IPCE）和短路电流(JSC)。电化学阻抗谱进一步证明,柱芳烃接入到染料中能显著地提高电子回传阻力,延长注入电子的寿命。最后,染料PPII敏化的电池较PI和PPI同时提高了VOC和JSC,获得了8.36%的光电转换效率。第三章,以第二章合成的染料为基础,设计和调配了两组共六种电解液E1–6,研究了柱芳烃染料与电解组分之间的主客体作用对DSSCs性能的影响。首先,通过调节电解液的溶剂,发现电解液的溶剂为乙腈:戊腈=85:15（v/v）比乙腈（100%）作为溶剂时,更有利于抑制注入电子的回传。随后,通过~1H NMR确定了柱[5]芳烃与电解液客体组分间的相互作用。进一步,通过调整电解液中的碘化咪唑鎓的组分、结合阻抗分析,发现染料与咪唑鎓之间的互相作用影响着DSSCs的性能。作用机制是,柱芳烃空腔络合咪唑鎓离子后,提高了周围I-离子浓度,促进氧化态染料的再生。但柱芳烃离Ti O2表面过近,亦将会加快注入电子到电解液氧化态组分I3-的回传。第四章,柱芳烃作为染料π桥的一部分,通过柱芳烃环绕染料的π桥来抑制染料的聚集,同时研究了π桥上不同取代基对染料性质和DSSCs性能的影响,设计合成了染料CB（无取代基）、CA（乙基取代基）、CO（乙氧基取代基）和CP（柱芳烃）。实验发现,当取代基通过氧原子接入时,可降低相邻芳香环之间的二面角、增强π桥上的电子密度,促使吸收红移并降低氧化电位。取代基通过碳原子接入,则会增大π桥的扭转角,不利于分子内电子转移,导致吸光范围的蓝移。取代基的接入都可以显著增大注入电子的回传阻力,分子内的扭转角则影响着注入Ti O2的电子寿命。柱芳烃接入到染料的π桥后,具有最大的回传阻力和电子寿命,但受到分子内过大扭转角的影响,其VOC没有在染料CA的基础上进一步提升。最后,在与CDCA共吸附的基础上,基于染料CO的电池获得了该体系中最高6.01%的光电转化效率。第五章,通过扩大共轭体系和接入辅助电子受体的策略,设计合成了染料PS1、PS2、PD1、PD2、PID1、PID2和参比染料R5,希望筛选出与PPI光吸收互补的高效染料。研究结果发现,随着辅助受体的接入,染料的吸光范围有大幅的拓展,并且染料PID1和PID2实现了宽光谱吸收。同时,IPCE谱发现靛红作为辅助受体的染料PD1和PD2,激发态电子不能导入外电路;异靛作为辅助受体的染料PID1和PID2获得的单色光转化效率不到20%,表明激发态电子缺乏足够的驱动力注入到Ti O2。在染料R5基础上,扩大共轭结构的染料PS1和PS2均表现出不同程度的聚集,最后与CDCA共吸附后,基于噻吩并[3,2-b]噻吩扩大共轭结构的染料PS2敏化的电池获得了最高6.09%的光电转化效率。这也证明通过刚性的稠环噻吩并[3,2-b]噻吩较柔性的2,2’-联噻吩扩大π桥共轭结构更有利于提高DSSCs的性能。