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染料敏化太陽能電池 (DSSCs) 是一種具有良好應(yīng)用前景的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。作為自然界光合作用中心的核心組分，卟啉具有很高的摩爾消光系數(shù)和易于修飾的結(jié)構(gòu)，可用于太陽能的捕獲，是一類重要的 DSSC 敏化染料。近年來，我校化學(xué)與分子工程學(xué)院解永樹教授課題組在該領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了系列重要進(jìn)展。應(yīng)國(guó)際能源環(huán)境領(lǐng)域知名期刊 Energy & Environmental Science邀請(qǐng)，近期發(fā)表題為 “Molecular engineering strategies for fabricating efficient porphyrin-based dye-sensitized solar cells” 的綜述。
為了提升光捕獲能力，并促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，通常將卟啉染料設(shè)計(jì)成D?π?A 型 (電子給體?π 橋?電子受體) 推拉電子結(jié)構(gòu)，吸附于二氧化鈦薄膜，構(gòu)筑 DSSCs。前期研究中，解永樹教授研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)優(yōu)化電子給體及額外電子受體單元，從拓展 ? 共軛結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移 (ICT) 效應(yīng)兩方面著手，拓展吸收光譜。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用小分子共敏化劑彌補(bǔ)卟啉染料吸收缺陷，顯著提升電流。同時(shí)，引入多條烷基鏈，抑制染料聚集和電荷復(fù)合，有效提升電壓。通過這些策略的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)電池短路電流和開路電壓的協(xié)同提升，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)非釕染料碘電解質(zhì)電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率 11.5% (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10779; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 14055)。
為進(jìn)一步提升光電性能，在傳統(tǒng)開鏈圍阻型卟啉結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)合成出獨(dú)特的“閉環(huán)屏縛”型卟啉結(jié)構(gòu)，在卟啉環(huán)周圍引入環(huán)型碳鏈，更為有效地抑制了染料分子間的聚集作用，同時(shí)提升染料吸附量，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電池開路電壓、短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率的提升 (Chem. Sci., 2019, 10, 2186; J. Mater. Chem. A,2019, 7, 20854)。
在發(fā)展新型“閉環(huán)屏縛”型卟啉基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步解決兩種染料共敏化時(shí)染料吸附比例和分布難以控制等問題，創(chuàng)新性地將卟啉與其吸收互補(bǔ)的純有機(jī)染料通過柔性碳鏈共價(jià)連接, 發(fā)展了一類全新的“協(xié)同伴侶”染料。該系列染料實(shí)現(xiàn)了從 350 nm 到 700 nm 的全光譜吸收, 并且兩種結(jié)構(gòu)單元能夠以精準(zhǔn)的 1:1 比例均勻、致密地吸附于 TiO2薄膜, 有利于提升太陽能吸收與光電子收集效率，最終實(shí)現(xiàn)基于碘電解質(zhì) DSSCs 的最高光電轉(zhuǎn)換效率 12.4%。該類“協(xié)同伴侶”染料還具有對(duì)橋連基團(tuán)長(zhǎng)度依賴性低、器件制備簡(jiǎn)單、可控性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì), 從而為發(fā)展高效染料敏化電池提供了全新思路 (J. Am. Chem. Soc.,2020, 142, 5154)。
基于上述系列研究成果，解永樹教授課題組近期應(yīng)邀于 Energy & Environmental Science發(fā)表綜述，全面介紹了卟啉類染料分子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化、共吸附、共敏化及“協(xié)同伴侶”染料等最新研究進(jìn)展，并對(duì)該領(lǐng)域有待進(jìn)一步改進(jìn)的問題、發(fā)展方向和發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
該綜述是由博士生曾凱雯在解永樹教授指導(dǎo)下完成。論文撰寫過程還得到了田禾院士的悉心指導(dǎo)和朱為宏教授的大力支持，并受到國(guó)家自然科學(xué)基金、上?？萍贾卮髮ｍ?xiàng)、上?？萍紘?guó)際合作以及上海高校特聘教授(東方學(xué)者) 等項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/C9EE04200H
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