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染料敏化纳米晶半导体太阳电池由于其制备工艺简单,制造成本低廉,成为近年来太阳能光电转换领域的研究热点。目前普遍采用的光敏染料为钌多吡啶配合物,但它们合成和提纯困难,且贵金属钌的来源受限制。有机染料种类多,光物理性质调控方便,易于制备和提纯,其使用有望提高电池的效率和降低电池的成本。半胱氨酸、高半胱氨酸、半胱氨酸-甘氨酸、谷胱甘肽等一些低分子量巯基氨基酸在生物体系内具有非常重要的作用。氰化物为环境中公认的无机剧毒物,对环境的污染尤其是水资源的污染已成为一个严重的问题。因此发展可选择性识别它们的比色及荧光化学敏感器已成为了科学家们的重要研究课题。本论文合成了三类染料分子,探索了它们在染料敏化太阳电池和比色化学敏感器方面的应用。具体结果如下:1.设计合成了四个基于薁的新型光敏染料,详细研究了它们的光物理和电化学性质,并首次用于敏化TiO2纳晶电极。这四个光敏染料都在可见光区呈两个吸收带,其中强的吸收带为S0-S2跃迁,弱吸收带为S0-S1跃迁,吸收谱带的归属与密度泛函理论计算相吻合。采用脱氧胆酸与染料共吸附或在薁环上引入烷基可以减少染料在TiO2电极上的吸附量,有效地抑制染料的聚集,进而显著地改善薁类染料在DSSC中的光电化学性能。延长薁基团与吸附基团氰基乙酸之间的共轭双键,不仅使化合物的吸收光谱发生红移,提高电池的短路光电流,同时使电池的开路光电压也得到提高。实验还发现染料的电子注入效率随波长的变化而变化,说明S2态直接参与了电子注入过程。2.设计合成了吸电子基团(2-氰基-2-羧基乙烯基)修饰的三联噻吩3T-CCV,研究了它的光物理和光电化学性质,密度泛函计算证明3T-CCV受光激发可有效地发生分子内电荷分离。在模拟太阳光AM1.5(70 mW cm-2)照射下,以3T-CCV作为光敏剂的纳晶TiO2太阳电池的光电转换效率达到3.25%。3T-CCV在染料敏化太阳电池中的光电化学行为说明:齐聚噻吩通过在其一端引入带有羧基的吸电子基团,可以实现对纳晶TiO2电极的有效敏化。3.合成了一种在近红外波段(700-900 nm)有强的吸收特性的克酮酸类染料分子CR-1,发现在乙醇/水(70/30,pH 5.7)体系中,CR-1可以选择性识别低分子量巯基氨基酸;当溶液pH值调至9时,排除一些含活性巯基化合物的干扰,CR-1还可以选择性识别剧毒氰根离子。CR-1与两当量被检测物作用后,近红外光区的吸收消失,肉眼即可观察到溶液颜色的变化。该褪色现象是被检测物对CR-1的中心五员环的亲核反应造成的。此外,在相同的实验条件下,CR-1灵敏度远远大于与其结构类似的方酸化合物SQ-1。