華東理工大學解永樹教授綜述卟啉染料敏化太陽能電池研究進展

染料敏化太陽能電池(DSSCs) 是一種具有良好應用前景的光電轉換技術。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係數和易於修飾的結構，可用於太陽能的捕獲，是一類重要的 DSSC 敏化染料。近年來，華東理工大學化學與分子工程學院、費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心解永樹教授課題組在該領域進行了系統研究，取得了系列重要進展。應國際能源環境領域知名期刊Energy & Environmental Science邀請，近期發表題為 「Molecular engineering strategies for fabricating efficient porphyrin-based dye-sensitized solar cells」 的綜述。

為了提升光捕獲能力，並促進光生電子的轉移，通常將卟啉染料設計成D π A 型 (電子給體 π 橋 電子受體) 推拉電子結構，吸附於二氧化鈦薄膜，構築 DSSCs。前期研究中，解永樹教授研究團隊通過系統優化電子給體及額外電子受體單元，從拓展 共軛結構和增強分子內電荷轉移 (ICT) 效應兩方面著手，拓展吸收光譜。在此基礎上，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複合，有效提升電壓。通過這些策略的綜合運用，實現電池短路電流和開路電壓的協同提升，實現了當時非釕染料碘電解質電池的最高光電轉換效率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，在傳統開鏈圍阻型卟啉結構基礎上，創新性地設計合成出獨特的「閉環屏縛」型卟啉結構，在卟啉環周圍引入環型碳鏈，更為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，從而同時實現了電池開路電壓、短路電流和光電轉換效率的提升(Chem. Sci., 2019, 10, 2186; J. Mater. Chem. A,2019, 7, 20854)。

在發展新型「閉環屏縛」型卟啉基礎上，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, 發展了一類全新的「協同伴侶」染料。該系列染料實現了從 350 nm 到 700 nm 的全光譜吸收, 並且兩種結構單元能夠以精準的 1:1 比例均勻、緻密地吸附於 TiO2薄膜, 有利於提升太陽能吸收與光電子收集效率，最終實現基於碘電解質 DSSCs 的最高光電轉換效率 12.4%。該類「協同伴侶」染料還具有對橋連基團長度依賴性低、器件製備簡單、可控性好、穩定性高等優勢, 從而為發展高效染料敏化電池提供了全新思路 (J. Am. Chem. Soc.,2020, 142, 5154)。

基於上述系列研究成果，解永樹教授課題組近期應邀於Energy & Environmental Science發表綜述，全面介紹了卟啉類染料分子結構的系統優化、共吸附、共敏化及「協同伴侶」染料等最新研究進展，並對該領域有待進一步改進的問題、發展方向和發展前景進行了展望。

該綜述是由博士生曾凱雯在解永樹教授指導下完成。論文撰寫過程還得到了田禾院士的悉心指導和朱為宏教授的大力支持，並受到國家自然科學基金、上海科技重大專項、上海科技國際合作以及上海高校特聘教授(東方學者) 等項目的支持。

來源 華東理工大學化學與分子工程學院

https://doi.org/10.1039/C9EE04200H

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