Als Schlüsseltechnologie zur direkten Energiegewinnung aus Sonnenlicht und zur Ablösung fossiler Brennstoffe gelten Solarzellen als Hoffnungsträger für die zukünftige Energiewende. Trotz ihrer vielversprechenden Aussichten besteht jedoch noch erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich Effizienz und Stabilität von Solarzellen. Herkömmliche Photovoltaikmaterialien weisen häufig eine geringe Langzeitstabilität und einen schnellen Leistungsabfall im Dauerbetrieb auf. Um dieser Herausforderung zu begegnen, erforschen Wissenschaftler intensiv fortschrittliche Materialien. In diesem Bereich hat der Aufstieg metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) neue Perspektiven für die Verbesserung der Leistung und Stabilität von Solarzellen eröffnet.

MOFs und ihre Derivate, die über einzigartige elektrokatalytische und photokatalytische Eigenschaften verfügen, finden breite Anwendung in der Energiespeicherung und -umwandlung. Sie bestehen aus Metallknoten, die durch … verbunden sind. Organischer LinkerAufgrund ihrer einfachen Synthese, hohen Anpassbarkeit und Kompatibilität mit nachfolgenden Modifikationen weisen diese Materialien ein enormes Potenzial auf. Während die meisten MOFs traditionell als Dielektrika gelten, haben Fortschritte in der Synthesetechnologie die bahnbrechende Entwicklung leitfähiger MOFs ermöglicht. Insbesondere die Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. hat die großtechnische Massenproduktion leitfähiger MOFs erreicht und damit deren Anwendungsbereiche in der Energiewandlungstechnologie deutlich erweitert.

Unter den verschiedenen Solarzellentypen haben farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSCs) und organisch-anorganische Hybrid-Perowskit-Solarzellen (PVSCs) besondere Aufmerksamkeit erregt. Sie zeichnen sich durch niedrige Kosten, einfache Herstellbarkeit und relativ hohe Umwandlungseffizienz aus und stellen somit ideale Alternativen zu herkömmlichen anorganischen Solarzellen dar. Dadurch bieten sie umweltfreundlichere und nachhaltigere Energielösungen.

Typischerweise besteht eine DSSC aus einer Fotoanode, einer Gegenelektrode (CE) und einem Redoxelektrolyten. Durch die Auswahl verschiedener Metallspezies, die Kontrolle der Metallclustergröße und die Anpassung organischer Linker lassen sich die elektronischen Eigenschaften und die Lichtabsorptionscharakteristika von MOFs flexibel einstellen, wodurch sie eine entscheidende Rolle als eine der drei Kernkomponenten in DSSCs spielen können.

Die Fotoanode besteht üblicherweise aus einem porösen Halbleitermetalloxid (z. B. TiO₂), das auf einem transparenten, leitfähigen Substrat abgeschieden ist. Der Metalloxid-Dünnfilm bewirkt die photoelektrische Umwandlung durch Photonenabsorption mittels photosensibilisierender Farbstoffe. Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) und ihre Derivate erfüllen in der Fotoanode mehrere Funktionen: Sie können als Photosensibilisatoren, Adsorbentien für Halbleiterfarbstoffe oder Lichtstreuschichten fungieren. Beispielsweise zeigte die Kombination von MOF MIL-125 (Ti) und MoS₂ einen außergewöhnlich hohen photovoltaischen Wirkungsgrad von 8,96 %, der reines TiO₂ (4,41 %) deutlich übertrifft.

Die Gegenelektrode besteht aus einer auf einem leitfähigen Substrat abgeschiedenen Katalysatorschicht, die die Regeneration von Redoxpaaren im Elektrolyten katalysiert. Platin (Pt) ist derzeit das am häufigsten verwendete Material für Gegenelektroden, doch seine hohen Kosten verhindern großtechnische Anwendungen. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher MOF-Komposite als Alternative zu platinbasierten Gegenelektroden entwickelt. Beispielsweise durch Karbonisierung von MOF Zif-8 Unter Stickstoffatmosphäre lassen sich erfolgreich ZnO-Stickstoff-dotierte Kohlenstoffmaterialien (ZnO-NC) herstellen. Diese Materialien weisen eine exzellente katalytische Aktivität auf und ermöglichen einen Solarzellenwirkungsgrad von 9,16 % – etwa 20 % höher als der von herkömmlichen Platin-Gegenelektroden. Die Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. hat bereits die Massenproduktion solcher MOF-Materialien zu kontrollierbaren Kosten erreicht. Ihr Einsatz in der Gegenelektrodenherstellung ermöglicht deutliche Leistungssteigerungen ohne signifikante Kostensteigerungen.

Elektrolyte enthalten typischerweise I⁻/I₃⁻-Redoxpaare, die Farbstoffmoleküle nach Photonenabsorption wieder in ihren Grundzustand reduzieren und so das photoaktive Material regenerieren. In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs) werden MOFs häufig als Additive in Elektrolyten eingesetzt, um quasifeste Elektrolyte herzustellen und die Langzeitstabilität zu verbessern.

Perowskitmaterialien haben bedeutende Fortschritte bei der Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Solarzellen (PVSCs) auf über 23 % ermöglicht. Die Kommerzialisierung von PVSCs wird jedoch weiterhin durch ihre geringe Langzeitstabilität eingeschränkt. Perowskitmaterialien neigen zu Degradationsprozessen bei Einwirkung von Feuchtigkeit, Sauerstoff, Wärme und Licht – ein Problem, das ihre breite Anwendung bisher behindert hat.

Gängige Strukturkonfigurationen von Perowskit-Solarzellen sind unten dargestellt:

MOFs finden drei Hauptanwendungen in PVSCs:

In der Ladungstransportschicht erfüllen MOFs vielfältige Funktionen. Beispielsweise dienen sie als mikroporöse Gerüste, um das Wachstum der Perowskitschicht zu steuern und den Grenzflächenkontakt zu verbessern. Weitere Funktionen umfassen UV-Filterung, Lichtstreuung und photochrome Effekte. Durch die Integration in die Ladungstransportschicht fördern MOFs effektiv die Ausrichtung der Grenzfläche und verbessern die Schichtqualität. Insgesamt steigert der Einsatz von MOFs in Perowskit-Solarzellen die Ladungsextraktion, unterdrückt die Ladungsrekombination und erhöht somit die Stabilität der Bauelemente.

In einer aktuellen Studie wurde die Anwendung von nano-Ti-basierten Metall-Organischen Gerüsten (nTi-MOF) in flexiblen Perowskit-Solarzellen untersucht. Durch die Beschichtung der nTi-MOF-Schicht mit einer PCBM-Schicht wurde ein Synergieeffekt erzielt, der die Leistung der Elektronentransportschicht (ETL) weiter verbesserte. Die Ergebnisse zeigten einen bemerkenswerten Wirkungsgrad von 18,94 % – den höchsten bisher für MOF-integrierte Perowskit-Solarzellen berichteten Wert. Darüber hinaus behielt die Zelle nach 700 Biegezyklen einen Wirkungsgrad von 17,43 % bei und demonstrierte damit eine überlegene Photostabilität im Vergleich zu herkömmlichen TiO₂-basierten Zellen.

Als vielversprechende Materialklasse verbessern MOFs und MOF-basierte Komposite nicht nur die Effizienz und Stabilität von Energiewandlungsgeräten wie organisch-anorganischen Solarzellen signifikant, sondern bieten auch komfortable Herstellungsverfahren und einstellbare physikalisch-chemische Eigenschaften. Durch gezielte Gestaltung ihrer Gerüststrukturen lässt sich ihre Leistungsfähigkeit an spezifische Anwendungen anpassen und so die Entwicklung der Solarzellentechnologie weiter vorantreiben.