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，華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、費林加諾貝爾獎科學(xué)家聯(lián)合研究中心解永樹教授課題組在該領(lǐng)域進行了系統(tǒng)研究，取得了系列重要進展。應(yīng)國際能源環(huán)境領(lǐng)域知名期刊Energy & Environmental Science邀請，近期發(fā)表題為“Molecular engineering strategies for fabricating efficient porphyrin-based dye-sensitized solar cells”的綜述文章。

為了提升光捕獲能力，并促進光生電子的轉(zhuǎn)移，通常將卟啉染料設(shè)計成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，解永樹教授研究團隊通過系統(tǒng)優(yōu)化電子給體及額外電子受體單元，從拓展p共軛結(jié)構(gòu)和增強分子內(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，研究人員進一步運用小分子共敏化劑彌補卟啉染料吸收缺陷，顯著提升電流。同時，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用，實現(xiàn)電池短路電流和開路電壓的協(xié)同提升，實現(xiàn)了當(dāng)時非釕染料碘電解質(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，研究人員創(chuàng)新性地設(shè)計合成出獨特的“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，更加有效地抑制了染料分子間的聚集作用，同時提升染料吸附量，從而同時實現(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，為進一步解決兩種染料共敏化時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的純有機染料通過柔性碳鏈共價連接，發(fā)展了一類全新的“協(xié)同伴侶”染料。該系列染料實現(xiàn)了從350nm到700nm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”染料還具有對橋連基團長度依賴性低、器件制備簡單、可控性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，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)邀在Energy & Environmental Science上發(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”染料等最新研究進展，并對該領(lǐng)域有待進一步改進的問題、發(fā)展方向和發(fā)展前景進行了展望。

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，并受到國家自然科學(xué)基金、上?？萍贾卮髮ｍ棥⑸虾？萍紘H合作等項目的支持。