注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析
作为第三代太阳能电池的主要分支之一，染料敏化太阳能电池（DSSC）问世近三十年来，由于其成本低廉、易于修饰等优点一直受到广泛的关注。研究初期，DSSC的染料主要为含钌配合物。虽然实现了较高的光电转换效率，但贵金属钌的使用使其成本较高的同时也不利于环保。因此，相关研究人员的目光转向了无贵金属的有机染料开发。卟啉类和N-稠芘类染料因其优异的性质，与其相关的研究不断见诸报道。但是这类染料由于结构复杂，需要很长的合成步骤（常常需要十步以上），其总合成产率很低，合成成本较高，限制了其实际应用。如果能够开发出易于合成的高效染料，对于DSSC的产业化将有重要的意义。
近期，南京理工大学的方敬坤课题组与中科院福建物质结构研究所庞爱英副研究员以及中山大学邵光副教授等合作，报道了一系列以双(4-苯乙烯基)苯基氨基作为电子给体的新型小分子有机染料（SMOD）FWD4~FWD6。该系列染料由廉价的4-溴三苯胺出发，经4步反应合成得到，总产率为13~39%，合成成本仅为38~125元/克，远低于明星染料N719和YD2，是一类十分廉价的有机染料。该系列染料由于不含稠环单元，最大吸收波长最大仅为461 nm，却在较窄的光谱吸收范围下实现了最高7.62%的光电转换效率。
最为值得关注的是，该系列染料分子的密度泛函理论（DFT）计算结果表明，分子偶极矩(μ)与组装的DSSCs器件的光电转换效率(η)之间存在着近乎完美的线性关系（η = 0.817μ – 0.370, R2 = 0.999）。采用另外两种器件组装条件，同样得到了良好的线性关系，表明这并非偶然现象。通过分析已见报道的研究，作者发现，对于结构相似度高的有机染料分子，分子的偶极矩与DSSC的光电转换效率确实存在着明显的线性关系。这应该是因为结构相近的分子具有类似的行为，从而分子偶极矩成为了影响光电转换效率的直接因素并表现出良好的线性关系。论文研究成果为通过理论计算来预测光电转换效率揭开了巧妙的一页。
这一成果近期发表在Solar RRL上，并被选为封面文章（Front Cover）。论文的共同第一作者分别是南京理工大学本科生应昕彤、刘逸飞和凌俐。
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Low-Cost, High-Efficiency and Efficiency Predictable Small Molecule Organic Dyes with Bis(4-styryl)phenyl Amino Donor for Dye-Sensitized Solar Cells
Xintong Ying, Yifei Liu, Li Ling, Mengchen Xu, BenZhou Bao, Xin Bao, Aiying Pang, Guang Shao, Yingjun Zhang, and Jing-Kun Fang
Solar RRL, 2019, DOI: 10.1002/solr.201900066
方敬坤博士简介
方敬坤，南京理工大学化学系副教授，教育部学位与研究生教育发展中心通讯评议专家。2010年于湖南大学取得博士学位，2007~2009年受国家留学基金委资助在日本(Okayama University of Science)留学两年。毕业后就职于长沙矿冶研究院，2013年3月起就职于南京理工大学。2017年前往澳大利亚国立大学短期访问3个月。
主要研究方向为D-π-A类有机光电功能分子的设计合成及应用。已在Solar RRL, Electrochim. Acta, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Appl. Energy Mater., Sensor Actuat. B-Chem., Chem.-Eur. J., Inorg. Chem. Front., Inorg. Chem.等知名期刊发表SCI收录论文近30篇。Applied Energy, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Medicinal Chemistry, Physica D: Nonlinear Phenomena等知名期刊审稿人，Outstanding reviewer of Applied Energy (Awarded 2017)。
https://www.x-mol.com/university/faculty/21325
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，目前用于染料敏化太阳能电池的很多有机染料分子都具有比较复杂的结构，其合成路线往往很长，不管是合成的时间成本还是经济成本都比较高。我们的出发点主要是得到低成本，易于合成的优秀小分子染料，向实现产业化的方向往前迈一小步。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：在我们刚刚发现染料分子的偶极矩(μ)与DSSCs器件的光电转换效率(η)之间的着近乎完美的线性关系的时候，我们对此也是深表怀疑的，认为这可能仅仅是一个巧合，毕竟能够影响DSSCs器件的光电转换效率的因素众多。对此，我们一方面通过改变器件组装条件，来验证这个线性关系的适用范围，避免结果的偶然性。另一方面，对过查阅大量文献资料，我们发现，其实这个线性关系在以前其他报道中是存在的，只不过大家只是指出了偶极矩和光电转换效率之间的正相关性，未能发现他们之间的线性关系。我们通过对这个细节的关注，使得二者之间的关系从“定性”提升到了“半定量”。所谓“半定量”，意思是我们还不能仅凭一个分子的偶极矩就能计算出光电转换效率，而是需要通过几个结构相近的染料分子的实验结果构建出线性方程之后，才能进一步地进行定量预测。是否以后能够进一步的实现真正的“定量”，则充满了未知与挑战。
Q：本项研究成果的主要意义在于？最有可能的重要应用有哪些？
A：一直以来，由于影响因素太多，所以通过理论计算对功能分子的器件性能进行预测都是比较困难的。我们从结构相近的染料分子出发，发现了偶极矩和光电转换效率之间线性关系，为该类预测打开了另一种思路。结构相近的分子很可能可以在相同的器件环境下表现出相近的行为，因此影响器件性能的关键可以只是分子本身的内在属性，而无需将众多外在因素考虑进去，拉近了理论与实际的距离。所以本项研究成果的主要意义可能就在于找开了一种新的思路。期望能有更多类似的成果被发现。
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