染料敏化太阳能电池是一种利用染料分子吸收太阳光实现光电转换的廉价薄膜光电器件。它主要由染料分子、半导体光阳极、电解质和对电极组成。其中染料敏化剂分子吸收太阳光、捕获光子、分离激子、产生注入电子,半导体接受注入电子并传输电子至外电路做功。染料分子和半导体的性质很大程度上决定了染料敏化太阳能电池的性能。本论文详细研究了不同氟取代对基于LJBs有机染料分子的太阳能电池效率的影响,并对半导体进行掺杂设计。以此希望通过理论方法设计出更有效的染料敏化太阳能电池。本论文内容共分为六章。第一章为绪论部分,涵盖了太阳能电池的发展史和染料敏化太阳能电池发展的重大事件,阐述了太阳能电池的工作原理,并讨论了提高短路电流密度和开路光电压的策略。第二章为基础理论计算方法说明部分,主要包括量子力学的基础理论和现代量子化学处理问题的主要计算方法。第三章到第六章则是对氟取代效应和半导体掺杂设计进行系统的模拟研究和讨论,具体研究内容如下:1.染料敏化太阳能电池中有机染料不同氟取代效应的理论研究基于合理的二氧化钛表面基底模型,我们研究了LJBs系列染料在TiO₂（101）表面不同的吸附方式并确认了合理的染料吸附在TiO₂上的连接结构。LJBs通过TiO₂表面钛原子3d轨道与染料吸附基团中N/O原子的2p轨道相互作用吸附在二氧化钛表面。结果显示染料分子更倾向于以解离形式吸附于半导体基底的表面,并且解离吸附热力学上也更稳定。此外双Ti-O键吸附模型能量要高于通过-CNTi和-CO-Ti键的吸附模型。我们研究了孤立染料与吸附体系的几何和电子结构。计算结果显示间位氟取代（LJB-Fm）极大的破坏了有机染料分子的共轭程度与平面性,这使得光收集效率下降,不利于电池的效率。邻位氟取代（LJB-Fo）则显示出增强的光吸收和更有效的分子内电荷转移,这将增大Jsc和Voc。此外,LJB-H和LJB-Fo吸附在TiO₂表面结果显示出间接机制的电子注入性质,然而LJB-Fm由于其与TiO₂半导体基底的强烈轨道耦合则表现出更倾向于直接电子注入的机制。2.关于染料敏化太阳能电池TiO₂中掺杂W⁶⁺离子以增强电子注入的理论研究给体型杂质W⁶⁺使得TiO₂的导带边缘向下移动,进而影响染料敏化太阳能电池中的电子注入过程。为了研究W⁶⁺离子掺杂对电子注入能力和效率的影响,我们进行了大量的密度泛函理论计算并详细分析了孤立和吸附的（TiO₂）12体系的几何结构和电子性质。我们构建了一个四层的（TiO₂）12基底,并对W⁶⁺掺杂在不同位置时对电子注入能力和效率的影响进行了详细分析。结果显示,W⁶⁺离子掺杂的（TiO₂）12体系中Ti-OW（OW代表与掺杂W原子相连的氧原子）键比没有掺杂的（TiO₂）12体系中对应的Ti-O键长。W⁶⁺离子掺杂的位置对体系导带边缘有着显著的影响:随着W⁶⁺位置沿着（TiO₂）12向下移动,导带能级则逐渐向上移动。对于W⁶⁺掺杂的邻苯二酚-（TiO₂）12体系,最低分子空轨道主要分布在W⁶⁺掺杂的TiO₂层。因此,钨离子掺杂位置对电子注入和电子传输过程起着至关重要的作用。在半导体中掺杂W⁶⁺将会是一个控制和改善半导体材料并提高电子注入效率的可行策略。3.关于在染料敏化太阳能电池二氧化钛中掺杂杂原子以增强电子注入的理论研究为了探索分析染料敏化太阳能电池中的杂原子掺杂的二氧化钛基底和邻苯二酚-TiO₂界面的结构、电子结构性质以及电荷转移特性,我们进行了大量的密度泛函理论计算。结果表明,W⁶⁺离子掺杂使得导带边缘向下移动,并在TiO₂导带的底部边缘引入未占据的W-5d轨道。Zn2+离子掺杂将导带边缘向上移动并在价带顶部引入占据的Zn-3d轨道。对于邻苯二酚-二氧化钛体系,W⁶⁺离子掺杂拉大了邻苯二酚LUMO与TiO₂ CB之间的能级差,而这将增大电子注入的驱动力最终会增加短路电流（Jsc）。基于Bader分析的界面间电荷转移以及界面间的电子注入动力学模拟结果都表明W⁶⁺离子掺杂的体系显示出更快也更完全的电子注入。然而,Zn2+离子掺杂显示出电荷向邻苯二酚部分回流的缺点,也减慢了电子注入过程。4.染料敏化太阳能中Eosin Y在TiO₂上的吸附构型对电子注入过程影响的理论研究我们对不同的Eosin Y染料吸附模型进行了大量的密度泛函理论计算,以此分析其几何结构,电子结构性质以及电荷转移性质。所得结果显示,当Eosin Y以构型H吸附到TiO₂上时体系总能量会更高;而当Eosin Y以构型B吸附到TiO₂时吸附能更大。因此构型B是染料敏化太阳能电池器件中更容易形成也是更有利的构型。此外,我们量化分析了静态电荷转移性质并对电荷注入动力学进行了模拟,结果表明构型B显示出更快也更完全的电荷注入性质。