سلول‌های خورشیدی به عنوان یک فناوری محوری برای برداشت مستقیم انرژی از نور خورشید و جایگزینی سوخت‌های فسیلی، به عنوان چراغ امیدی برای گذار انرژی در آینده ظهور کرده‌اند. با این حال، علیرغم چشم‌اندازهای امیدوارکننده، هنوز جای زیادی برای بهبود کارایی و پایداری سلول‌های خورشیدی وجود دارد. مواد فتوولتائیک موجود اغلب از پایداری بلندمدت ضعیف و تخریب سریع در طول عملیات طولانی مدت رنج می‌برند. برای پرداختن به این چالش، محققان به طور فعال در حال بررسی مواد پیشرفته هستند. در این زمینه، ظهور چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) افق‌های جدیدی را برای افزایش عملکرد و پایداری سلول‌های خورشیدی گشوده است.

MOFها و مشتقات آنها، با خواص الکتروکاتالیستی و فوتوکاتالیستی منحصر به فرد، به طور گسترده در ذخیره و تبدیل انرژی به کار گرفته شده‌اند. این مواد از گره‌های فلزی متصل به هم تشکیل شده‌اند. لینکر ارگانیکاین مواد به دلیل سنتز آسان، قابلیت تنظیم بالا و سازگاری با اصلاحات بعدی، پتانسیل فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند. در حالی که اکثر MOFها به طور سنتی به عنوان دی‌الکتریک در نظر گرفته می‌شوند، پیشرفت در فناوری سنتز، توسعه‌ی چشمگیر MOFهای رسانا را ممکن ساخته است. نکته‌ی قابل توجه این است که شرکت Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. به تولید انبوه MOFهای رسانا در مقیاس بزرگ دست یافته و سناریوهای کاربردی آنها را در فناوری‌های تبدیل انرژی به طور قابل توجهی گسترش داده است.

در میان انواع مختلف سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی حساس‌شده به رنگ (DSSCs) و سلول‌های خورشیدی پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی (PVSCs) توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این سلول‌ها با ویژگی‌هایی مانند هزینه کم، قابلیت ساخت آسان و راندمان تبدیل نسبتاً بالا، به عنوان جایگزین‌های ایده‌آلی برای دستگاه‌های خورشیدی معدنی مرسوم عمل می‌کنند و راه‌حل‌های انرژی سازگارتر با محیط زیست و پایدارتری را ارائه می‌دهند.

معمولاً یک DSSC از یک فوتوآند، یک الکترود شمارنده (CE) و یک الکترولیت اکسایش-کاهش تشکیل شده است. با انتخاب گونه‌های فلزی مختلف، کنترل اندازه خوشه‌های فلزی و تنظیم پیونددهنده‌های آلی، می‌توان خواص الکترونیکی و ویژگی‌های جذب نور MOFها را به صورت انعطاف‌پذیر تنظیم کرد و آنها را قادر ساخت تا به عنوان یکی از سه جزء اصلی در DSSCها نقش حیاتی ایفا کنند.

فوتوآند معمولاً از یک اکسید فلزی نیمه‌رسانای متخلخل (مثلاً TiO₂) تشکیل شده است که روی یک زیرلایه رسانای شفاف رسوب داده شده است. لایه نازک اکسید فلزی از طریق جذب فوتون توسط رنگ‌های حساس به نور، تبدیل فوتوالکتریک را انجام می‌دهد. MOFها و مشتقات آنها عملکردهای متعددی را در فوتوآند انجام می‌دهند: آنها می‌توانند به عنوان حساس‌کننده‌های نوری، جاذب‌های رنگ نیمه‌رسانا یا لایه‌های پراکنده‌کننده نور عمل کنند. به عنوان مثال، ترکیب MOF MIL-125 (Ti) و MoS₂ راندمان تبدیل فوتوولتائیک استثنایی 8.96٪ را نشان داده است که به طور قابل توجهی از TiO₂ خالص (4.41٪) بهتر است.

الکترود شمارنده با یک لایه کاتالیزوری که روی یک زیرلایه رسانا رسوب داده شده است، ساخته شده است که بازسازی زوج‌های اکسایش-کاهش را در الکترولیت کاتالیز می‌کند. پلاتین (Pt) در حال حاضر رایج‌ترین ماده مورد استفاده برای الکترودهای شمارنده است، اما هزینه بالای آن مانع از کاربردهای در مقیاس بزرگ می‌شود. برای پرداختن به این مشکل، محققان کامپوزیت‌های MOF را به عنوان جایگزینی برای CE های مبتنی بر پلاتین توسعه داده‌اند. به عنوان مثال، کربنیزه کردن MOF زیف-۸ تحت اتمسفر نیتروژن، مواد کربن آلاییده شده با نیتروژن ZnO (ZnO-NC) با موفقیت تولید می‌شوند. این مواد فعالیت کاتالیزوری عالی از خود نشان می‌دهند و راندمان سلول خورشیدی را به 9.16٪ می‌رسانند - تقریباً 20٪ بیشتر از الکترودهای شمارنده سنتی Pt. نکته مهم این است که شرکت Guangdong Tanyu New Materials Co.، Ltd. قبلاً به تولید انبوه چنین مواد MOF با هزینه‌های قابل کنترل دست یافته است. کاربرد آنها در تولید الکترود شمارنده امکان بهبود قابل توجه عملکرد را بدون افزایش قابل توجه هزینه فراهم می‌کند.

الکترولیت‌ها معمولاً حاوی زوج‌های اکسایش-کاهش I⁻/I₃⁻ هستند که مولکول‌های رنگ را پس از جذب فوتون به حالت پایه خود بازمی‌گردانند و در نتیجه ماده فعال نوری را احیا می‌کنند. در DSSCها، MOFها به طور گسترده به عنوان افزودنی در الکترولیت‌ها برای ساخت الکترولیت‌های شبه جامد استفاده می‌شوند و پایداری طولانی مدت را افزایش می‌دهند.

مواد پروسکایت پیشرفت‌های چشمگیری در راندمان تبدیل فتوولتائیک PVSCها ایجاد کرده‌اند که از 23٪ فراتر رفته است. با این حال، تجاری‌سازی PVSCها هنوز به دلیل پایداری ضعیف بلندمدت آنها محدود است. مواد پروسکایت در معرض رطوبت، اکسیژن، گرما و نور مستعد تخریب هستند - تنگنایی که مانع از کاربرد گسترده آنها شده است.

پیکربندی‌های ساختاری رایج سلول‌های خورشیدی پروسکایت در زیر نشان داده شده است:

MOFها سه کاربرد کلیدی در PVSCها دارند:

در لایه انتقال بار، MOFها عملکردهای متعددی را انجام می‌دهند. به عنوان مثال، MOFها می‌توانند به عنوان داربست‌های ریزمتخلخل عمل کنند تا رشد لایه پروسکایت را تنظیم کرده و تماس سطح مشترک را بهبود بخشند. سایر عملکردها شامل فیلتراسیون فرابنفش، پراکندگی نور و اثرات فتوکرومیک است. MOFها هنگامی که در CTL ادغام می‌شوند، به طور مؤثر تراز سطح مشترک را ارتقا داده و کیفیت لایه را افزایش می‌دهند. به طور کلی، کاربرد MOFها در PVSCها راندمان استخراج بار را بهبود می‌بخشد، نوترکیبی بار را سرکوب می‌کند و در نتیجه پایداری دستگاه را افزایش می‌دهد.

در یک مطالعه اخیر، کاربرد ذرات چارچوب فلزی-آلی مبتنی بر نانوتیتانیوم (nTi-MOF) در سلول‌های خورشیدی پروسکایت انعطاف‌پذیر بررسی شد. یک لایه PCBM روی لایه nTi-MOF پوشش داده شد و یک اثر هم‌افزایی ایجاد کرد که عملکرد لایه انتقال الکترون (ETL) را بیشتر بهبود بخشید. نتایج، راندمان قابل توجه ۱۸.۹۴٪ را نشان داد - بالاترین میزان گزارش شده برای سلول‌های خورشیدی پروسکایت یکپارچه با MOF. علاوه بر این، این دستگاه پس از ۷۰۰ چرخه خمش، راندمان تبدیل توان ۱۷.۴۳٪ را حفظ کرد که نشان‌دهنده پایداری نوری برتر در مقایسه با دستگاه‌های مبتنی بر TiO₂ معمولی است.

به عنوان یک دسته امیدوارکننده از مواد، MOFها و کامپوزیت‌های مبتنی بر MOF نه تنها به طور قابل توجهی کارایی و پایداری دستگاه‌های تبدیل انرژی مانند سلول‌های خورشیدی آلی-معدنی را افزایش می‌دهند، بلکه فناوری‌های تولید مناسب و خواص فیزیکوشیمیایی قابل تنظیمی را نیز ارائه می‌دهند. از طریق طراحی دقیق ساختارهای چارچوب آنها، می‌توانیم عملکرد آنها را برای کاربردهای خاص تنظیم کنیم و توسعه فناوری سلول‌های خورشیدی را بیشتر پیش ببریم.