باعتبارها تقنية محورية لحصاد الطاقة مباشرة من ضوء الشمس واستبدال الوقود الأحفوري، برزت الخلايا الشمسية كمنارة أمل لانتقال الطاقة في المستقبل. ومع ذلك، ورغم آفاقها الواعدة، لا يزال هناك مجال واسع لتحسين كفاءة واستقرار هذه الخلايا. فغالباً ما تعاني المواد الكهروضوئية الحالية من ضعف الاستقرار على المدى الطويل وتدهور سريع أثناء التشغيل لفترات طويلة. ولمعالجة هذا التحدي، يبحث الباحثون بنشاط عن مواد متطورة. وفي هذا المجال، فتح ظهور الأطر المعدنية العضوية (MOFs) آفاقاً جديدة لتعزيز أداء واستقرار الخلايا الشمسية.

تُستخدم الأطر المعدنية العضوية ومشتقاتها، التي تتميز بخصائص فريدة في التحفيز الكهربائي والتحفيز الضوئي، على نطاق واسع في تخزين الطاقة وتحويلها. وهي تتكون من عقد معدنية متصلة بواسطة رابط عضويتُظهر هذه المواد إمكانات هائلة نظرًا لسهولة تصنيعها، وقابليتها العالية للتعديل، وتوافقها مع التعديلات اللاحقة. وبينما تُعتبر معظم الأطر المعدنية العضوية (MOFs) تقليديًا مواد عازلة، فقد مكّنت التطورات في تكنولوجيا التصنيع من تحقيق طفرة نوعية في تطوير أطر معدنية عضوية موصلة. والجدير بالذكر أن شركة قوانغدونغ تان يو للمواد الجديدة المحدودة قد حققت إنتاجًا ضخمًا على نطاق واسع للأطر المعدنية العضوية الموصلة، مما وسّع بشكل كبير نطاق تطبيقاتها في تقنيات تحويل الطاقة.

من بين أنواع الخلايا الشمسية المختلفة، حظيت الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة (DSSCs) والخلايا الشمسية الهجينة العضوية-غير العضوية المصنوعة من البيروفسكايت (PVSCs) باهتمام خاص. فهي تتميز بانخفاض تكلفتها وسهولة تصنيعها وكفاءتها العالية نسبيًا في تحويل الطاقة، مما يجعلها بدائل مثالية للأجهزة الشمسية غير العضوية التقليدية، وتوفر حلولًا أكثر استدامة وصديقة للبيئة في مجال الطاقة.

تتكون خلية الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة (DSSC) عادةً من قطب ضوئي موجب، وقطب مضاد، ومحلول إلكتروليتي مؤكسد-مختزل. ومن خلال اختيار أنواع مختلفة من المعادن، والتحكم في أحجام التجمعات المعدنية، وتعديل الروابط العضوية، يمكن تعديل الخصائص الإلكترونية وخصائص امتصاص الضوء للأطر المعدنية العضوية (MOFs) بمرونة، مما يُمكّنها من لعب دور حاسم كأحد المكونات الأساسية الثلاثة في خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة.

يتكون المصعد الضوئي عادةً من أكسيد معدني شبه موصل مسامي (مثل ثاني أكسيد التيتانيوم TiO₂) مُرسب على ركيزة موصلة شفافة. يحقق غشاء أكسيد المعدن الرقيق التحويل الكهروضوئي من خلال امتصاص الفوتونات بواسطة أصباغ حساسة للضوء. تؤدي الأطر المعدنية العضوية (MOFs) ومشتقاتها وظائف متعددة في المصعد الضوئي: إذ يمكنها العمل كمحسسات ضوئية، أو مواد ماصة لأصباغ أشباه الموصلات، أو طبقات لتشتيت الضوء. على سبيل المثال، أظهر مزيج MOF MIL-125 (Ti) و MoS₂ كفاءة تحويل كهروضوئي استثنائية بلغت 8.96%، متفوقًا بشكل ملحوظ على TiO₂ النقي (4.41%).

يُصنع القطب المضاد من طبقة محفزة مُرسبة على ركيزة موصلة، تعمل على تحفيز إعادة توليد أزواج الأكسدة والاختزال في الإلكتروليت. يُعد البلاتين (Pt) حاليًا المادة الأكثر شيوعًا في صناعة الأقطاب المضادة، إلا أن تكلفته العالية تُعيق تطبيقاته واسعة النطاق. ولمعالجة هذه المشكلة، طوّر الباحثون مركبات MOF كبدائل للأقطاب المضادة القائمة على البلاتين. على سبيل المثال، يتم استخدام كربنة MOF زيف-8 في جو من النيتروجين، تم بنجاح إنتاج مواد أكسيد الزنك المُطعّم بالكربون والنيتروجين (ZnO-NC). تتميز هذه المواد بنشاط تحفيزي ممتاز، مما يُتيح كفاءة للخلايا الشمسية تصل إلى 9.16%، أي أعلى بنحو 20% من كفاءة الأقطاب المضادة التقليدية المصنوعة من البلاتين. والجدير بالذكر أن شركة قوانغدونغ تان يو للمواد الجديدة المحدودة قد حققت بالفعل إنتاجًا ضخمًا لهذه المواد من نوع MOF بتكاليف قابلة للتحكم. ويُتيح استخدامها في تصنيع الأقطاب المضادة تحسينات كبيرة في الأداء دون زيادات ملحوظة في التكاليف.

تحتوي الإلكتروليتات عادةً على أزواج أكسدة واختزال من اليوديد (I⁻/I₃⁻)، والتي تُعيد جزيئات الصبغة إلى حالتها الأرضية بعد امتصاص الفوتون، مما يُجدد المادة الحساسة للضوء. في خلايا الطاقة الشمسية الحساسة للصبغة، تُستخدم الأطر المعدنية العضوية (MOFs) على نطاق واسع كمضافات في الإلكتروليتات لتصنيع إلكتروليتات شبه صلبة، مما يُعزز استقرارها على المدى الطويل.

أتاحت مواد البيروفسكايت تحقيق طفرات كبيرة في كفاءة تحويل الطاقة الكهروضوئية للخلايا الشمسية البيروفسكايتية، حيث تجاوزت 23%. ومع ذلك، لا يزال تسويق هذه الخلايا مقيدًا بضعف استقرارها على المدى الطويل. فمواد البيروفسكايت عرضة للتلف عند تعرضها للرطوبة والأكسجين والحرارة والضوء، وهو ما يمثل عائقًا أمام انتشار استخدامها على نطاق واسع.

يتم توضيح التكوينات الهيكلية الشائعة للخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت أدناه:

تجد الأطر المعدنية العضوية ثلاثة تطبيقات رئيسية في الخلايا الشمسية الكهروضوئية:

في طبقة نقل الشحنات، تؤدي الأطر المعدنية العضوية (MOFs) وظائف متعددة. فعلى سبيل المثال، تعمل هذه الأطر كدعامات دقيقة المسام لتنظيم نمو طبقة البيروفسكايت وتحسين التلامس بين الطبقات. وتشمل وظائفها الأخرى ترشيح الأشعة فوق البنفسجية، وتشتيت الضوء، والتأثيرات الفوتوكرومية. وعند دمجها في طبقة نقل الشحنات، تعزز الأطر المعدنية العضوية بشكل فعال محاذاة الأسطح البينية وتحسن جودة الطبقة. وبشكل عام، يُحسّن استخدام الأطر المعدنية العضوية في الخلايا الشمسية البيروفسكيتية كفاءة استخلاص الشحنات، ويُقلل من إعادة تركيبها، وبالتالي يعزز استقرار الجهاز.

في دراسة حديثة، تم استكشاف استخدام جزيئات الإطار المعدني العضوي النانوي القائم على التيتانيوم (nTi-MOF) في خلايا شمسية مرنة من البيروفسكايت. طُليت طبقة من PCBM على طبقة nTi-MOF، مما أدى إلى تأثير تآزري حسّن أداء طبقة نقل الإلكترونات (ETL). أظهرت النتائج كفاءة ملحوظة بلغت 18.94%، وهي أعلى نسبة مسجلة للخلايا الشمسية من البيروفسكايت المدمجة مع MOF. علاوة على ذلك، حافظ الجهاز على كفاءة تحويل طاقة بلغت 17.43% بعد 700 دورة انحناء، مما يدل على استقرار ضوئي فائق مقارنةً بالأجهزة التقليدية القائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂).

تُعدّ الأطر المعدنية العضوية (MOFs) والمركبات القائمة عليها فئة واعدة من المواد، فهي لا تُحسّن كفاءة واستقرار أجهزة تحويل الطاقة، مثل الخلايا الشمسية العضوية-غير العضوية، فحسب، بل تُوفّر أيضًا تقنيات تصنيع مُيسّرة وخصائص فيزيائية وكيميائية قابلة للتعديل. ومن خلال التصميم الدقيق لهياكلها، يُمكننا تخصيص أدائها لتطبيقات مُحدّدة، مما يُساهم في تطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية.