Como tecnología clave para la captación directa de energía solar y la sustitución de combustibles fósiles, las células solares se han convertido en un faro de esperanza para la transición energética futura. Sin embargo, a pesar de sus prometedoras perspectivas, aún queda mucho por mejorar en cuanto a eficiencia y estabilidad. Los materiales fotovoltaicos actuales suelen presentar una baja estabilidad a largo plazo y una rápida degradación durante su funcionamiento prolongado. Para abordar este problema, los investigadores exploran activamente materiales avanzados. En este campo, el auge de los marcos metalorgánicos (MOF) ha abierto nuevos horizontes para mejorar el rendimiento y la estabilidad de las células solares.

Los MOF y sus derivados, dotados de propiedades electrocatalíticas y fotocatalíticas únicas, se han aplicado ampliamente en el almacenamiento y la conversión de energía. Compuestos por nodos metálicos conectados por Enlace orgánicoEstos materiales exhiben un enorme potencial debido a su fácil síntesis, alta capacidad de ajuste y compatibilidad con modificaciones posteriores. Si bien la mayoría de los MOF se consideran tradicionalmente dieléctricos, los avances en la tecnología de síntesis han permitido el desarrollo revolucionario de MOF conductores. Cabe destacar que Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ha logrado la producción en masa a gran escala de MOF conductores, ampliando significativamente sus escenarios de aplicación en tecnologías de conversión de energía.

Entre los diversos tipos de células solares, las células solares sensibilizadas por colorante (DSSCs) y las células solares de perovskita híbrida orgánica-inorgánica (PVSCs) han captado especial atención. Caracterizadas por su bajo costo, facilidad de fabricación y eficiencia de conversión relativamente alta, se presentan como alternativas ideales a los dispositivos solares inorgánicos convencionales, ofreciendo soluciones energéticas más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente.

Normalmente, una celda solar sensibilizada por colorante (DSSC) consta de un fotoánodo, un contraelectrodo (CE) y un electrolito redox. Mediante la selección de diferentes especies metálicas, el control del tamaño de los cúmulos metálicos y el ajuste de los enlaces orgánicos, las propiedades electrónicas y las características de absorción de luz de los MOF se pueden adaptar de forma flexible, lo que les permite desempeñar un papel crucial como uno de los tres componentes principales de las DSSC.

El fotoánodo suele estar compuesto por un óxido metálico semiconductor poroso (por ejemplo, TiO₂) depositado sobre un sustrato conductor transparente. La película delgada de óxido metálico logra la conversión fotoeléctrica mediante la absorción de fotones por colorantes fotosensibilizadores. Los MOF y sus derivados cumplen múltiples funciones en el fotoánodo: pueden actuar como fotosensibilizadores, adsorbentes de colorantes semiconductores o capas de dispersión de luz. Por ejemplo, la combinación de MOF MIL-125 (Ti) y MoS₂ ha demostrado una eficiencia de conversión fotovoltaica excepcional del 8,96 %, superando significativamente al TiO₂ puro (4,41 %).

El contraelectrodo está construido con una capa catalítica depositada sobre un sustrato conductor, que cataliza la regeneración de pares redox en el electrolito. El platino (Pt) es actualmente el material más utilizado para los contraelectrodos, pero su alto costo dificulta las aplicaciones a gran escala. Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado compuestos MOF como alternativas a los CE basados ​​en Pt. Por ejemplo, la carbonización de MOF Zif-8 En atmósfera de nitrógeno, se obtienen con éxito materiales de ZnO-Carbono Dopado con Nitrógeno (ZnO-NC). Estos materiales presentan una excelente actividad catalítica, lo que permite alcanzar una eficiencia de celda solar del 9,16 %, aproximadamente un 20 % superior a la de los contraelectrodos de Pt tradicionales. Cabe destacar que Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ya ha logrado la producción en masa de estos materiales MOF con costes controlables. Su aplicación en la fabricación de contraelectrodos permite mejoras sustanciales en el rendimiento sin un aumento significativo de los costes.

Los electrolitos suelen contener pares redox I⁻/I₃⁻, que reducen las moléculas de colorante a su estado fundamental tras la absorción de fotones, regenerando así el material fotoactivo. En las células solares sensibilizadas por colorante (DSSC), los MOF se utilizan ampliamente como aditivos en los electrolitos para fabricar electrolitos cuasi-sólidos, lo que mejora la estabilidad a largo plazo.

Los materiales de perovskita han permitido avances significativos en la eficiencia de conversión fotovoltaica de las células solares de perovskita (PVSC), superando el 23 %. Sin embargo, la comercialización de las PVSC aún se ve limitada por su escasa estabilidad a largo plazo. Los materiales de perovskita son propensos a la degradación al exponerse a la humedad, el oxígeno, el calor y la luz, un obstáculo que ha dificultado su aplicación generalizada.

A continuación se ilustran las configuraciones estructurales comunes de las células solares de perovskita:

Los MOF encuentran tres aplicaciones clave en las células fotovoltaicas:

En la capa de transporte de carga, los MOF desempeñan múltiples funciones. Por ejemplo, pueden actuar como andamios microporosos para regular el crecimiento de la capa de perovskita y mejorar el contacto de la interfaz. Otras funciones incluyen la filtración ultravioleta, la dispersión de la luz y los efectos fotocrómicos. Al integrarse en la capa de transporte de carga, los MOF promueven eficazmente la alineación de la interfaz y mejoran la calidad de la capa. En general, la aplicación de MOF en células solares de perovskita mejora la eficiencia de extracción de carga, suprime la recombinación de carga y, por lo tanto, aumenta la estabilidad del dispositivo.

En un estudio reciente, se exploró la aplicación de nanopartículas de estructuras metalorgánicas basadas en titanio (nTi-MOF) en células solares de perovskita flexibles. Se aplicó una capa de PCBM sobre la capa de nTi-MOF, lo que generó un efecto sinérgico que mejoró aún más el rendimiento de la capa de transporte de electrones (ETL). Los resultados mostraron una eficiencia notable del 18,94 %, la más alta reportada para células solares de perovskita con MOF integrado. Además, el dispositivo mantuvo una eficiencia de conversión de potencia del 17,43 % después de 700 ciclos de flexión, demostrando una fotoestabilidad superior en comparación con los dispositivos convencionales basados ​​en TiO₂.

Como una clase prometedora de materiales, los MOF y los compuestos basados ​​en MOF no solo mejoran significativamente la eficiencia y la estabilidad de los dispositivos de conversión de energía, como las células solares orgánicas-inorgánicas, sino que también ofrecen tecnologías de fabricación convenientes y propiedades fisicoquímicas ajustables. Mediante un diseño cuidadoso de sus estructuras, podemos adaptar su rendimiento a aplicaciones específicas, impulsando así el desarrollo de la tecnología de células solares.