सूर्य के प्रकाश से सीधे ऊर्जा प्राप्त करने और जीवाश्म ईंधनों को प्रतिस्थापित करने की एक महत्वपूर्ण तकनीक के रूप में, सौर सेल भविष्य के ऊर्जा परिवर्तन के लिए आशा की किरण बनकर उभरे हैं। हालांकि, उनकी आशाजनक संभावनाओं के बावजूद, सौर सेल की दक्षता और स्थिरता में सुधार की काफी गुंजाइश है। मौजूदा फोटोवोल्टिक सामग्री अक्सर कम दीर्घकालिक स्थिरता और लंबे समय तक संचालन के दौरान तेजी से क्षरण से ग्रस्त होती हैं। इस चुनौती से निपटने के लिए, शोधकर्ता सक्रिय रूप से उन्नत सामग्रियों की खोज कर रहे हैं। इस क्षेत्र में, मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) के उदय ने सौर सेल के प्रदर्शन और स्थिरता को बढ़ाने के लिए नए क्षितिज खोल दिए हैं।

अद्वितीय विद्युत उत्प्रेरक और प्रकाश उत्प्रेरक गुणों से युक्त एमओएफ और उनके व्युत्पन्न ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। धातु नोड्स से मिलकर बने होते हैं जो आपस में जुड़े होते हैं। ऑर्गेनिक लिंकरइन सामग्रियों में उनकी सरल संश्लेषण क्षमता, उच्च अनुकूलनशीलता और बाद के संशोधनों के साथ अनुकूलता के कारण अपार संभावनाएं हैं। परंपरागत रूप से अधिकांश एमओएफ को परावैद्युत पदार्थ माना जाता है, लेकिन संश्लेषण प्रौद्योगिकी में प्रगति ने प्रवाहकीय एमओएफ के अभूतपूर्व विकास को संभव बनाया है। विशेष रूप से, ग्वांगडोंग तान्यु न्यू मैटेरियल्स कंपनी लिमिटेड ने प्रवाहकीय एमओएफ का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया है, जिससे ऊर्जा रूपांतरण प्रौद्योगिकियों में उनके अनुप्रयोग परिदृश्यों का काफी विस्तार हुआ है।

विभिन्न प्रकार के सौर सेलों में, डाई-सेंसिटाइज्ड सोलर सेलों (डीएसएससी) और ऑर्गेनिक-इनऑर्गेनिक हाइब्रिड पेरोव्स्काइट सोलर सेलों (पीवीएससी) ने विशेष ध्यान आकर्षित किया है। कम लागत, आसान निर्माण क्षमता और अपेक्षाकृत उच्च रूपांतरण दक्षता जैसी विशेषताओं के कारण, ये पारंपरिक अकार्बनिक सौर उपकरणों के आदर्श विकल्प के रूप में काम करते हैं, जो अधिक पर्यावरण के अनुकूल और टिकाऊ ऊर्जा समाधान प्रदान करते हैं।

सामान्यतः, एक डीएसएससी में एक फोटोएनोड, एक काउंटर इलेक्ट्रोड (सीई) और एक रेडॉक्स इलेक्ट्रोलाइट होता है। विभिन्न धातु प्रजातियों का चयन करके, धातु क्लस्टर के आकार को नियंत्रित करके और कार्बनिक लिंकरों को समायोजित करके, एमओएफ के इलेक्ट्रॉनिक गुणों और प्रकाश अवशोषण विशेषताओं को लचीले ढंग से अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे वे डीएसएससी के तीन मुख्य घटकों में से एक के रूप में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं।

फोटोएनोड आमतौर पर एक पारदर्शी चालक सब्सट्रेट पर जमा किए गए छिद्रयुक्त अर्धचालक धातु ऑक्साइड (जैसे, TiO₂) से बना होता है। धातु ऑक्साइड की पतली परत फोटोसेंसिटाइजिंग रंगों द्वारा फोटॉन अवशोषण के माध्यम से फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण प्राप्त करती है। MOFs और उनके व्युत्पन्न फोटोएनोड में कई कार्य करते हैं: वे फोटोसेंसिटाइजर, अर्धचालक डाई एडसॉर्बेंट या प्रकाश-प्रकीर्णन परत के रूप में कार्य कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, MOF MIL-125 (Ti) और MoS₂ के संयोजन ने 8.96% की असाधारण फोटोवोल्टेइक रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित की है, जो शुद्ध TiO₂ (4.41%) से काफी बेहतर है।

काउंटर इलेक्ट्रोड का निर्माण एक चालक सब्सट्रेट पर जमा उत्प्रेरक परत से किया जाता है, जो इलेक्ट्रोलाइट में रेडॉक्स युग्मों के पुनर्जनन को उत्प्रेरित करता है। प्लैटिनम (Pt) वर्तमान में काउंटर इलेक्ट्रोड के लिए सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली सामग्री है, लेकिन इसकी उच्च लागत बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों में बाधा डालती है। इस समस्या के समाधान के लिए, शोधकर्ताओं ने Pt-आधारित CEs के विकल्प के रूप में MOF कंपोजिट विकसित किए हैं। उदाहरण के लिए, MOF का कार्बनीकरण करके ज़िफ-8 नाइट्रोजन वातावरण में सफलतापूर्वक ZnO-नाइट्रोजन-डॉप्ड कार्बन (ZnO-NC) सामग्री प्राप्त की जा सकती है। ये सामग्रियां उत्कृष्ट उत्प्रेरक गतिविधि प्रदर्शित करती हैं, जिससे सौर सेल की दक्षता 9.16% तक पहुंच जाती है—जो पारंपरिक Pt काउंटर इलेक्ट्रोड की तुलना में लगभग 20% अधिक है। महत्वपूर्ण बात यह है कि ग्वांगडोंग तान्यु न्यू मैटेरियल्स कंपनी लिमिटेड ने नियंत्रित लागत पर ऐसी MOF सामग्रियों का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू कर दिया है। काउंटर इलेक्ट्रोड निर्माण में इनके अनुप्रयोग से लागत में उल्लेखनीय वृद्धि किए बिना प्रदर्शन में काफी सुधार संभव हो पाता है।

इलेक्ट्रोलाइट्स में आमतौर पर I⁻/I₃⁻ रेडॉक्स युग्म होते हैं, जो फोटॉन अवशोषण के बाद डाई अणुओं को उनकी मूल अवस्था में वापस अपचयित कर देते हैं, जिससे प्रकाश सक्रिय पदार्थ पुनर्जीवित हो जाता है। DSSCs में, MOFs का व्यापक रूप से इलेक्ट्रोलाइट्स में योजक के रूप में उपयोग किया जाता है ताकि अर्ध-ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का निर्माण किया जा सके और दीर्घकालिक स्थिरता को बढ़ाया जा सके।

पेरोवस्काइट सामग्रियों ने PVSC की फोटोवोल्टिक रूपांतरण दक्षता में महत्वपूर्ण प्रगति की है, जो 23% से अधिक है। हालांकि, इनकी कम दीर्घकालिक स्थिरता के कारण PVSC का व्यावसायीकरण अभी भी बाधित है। पेरोवस्काइट सामग्री नमी, ऑक्सीजन, गर्मी और प्रकाश के संपर्क में आने पर खराब हो जाती है - यह एक ऐसी बाधा है जिसने इनके व्यापक अनुप्रयोग को रोक रखा है।

पेरोवस्काइट सौर सेल की सामान्य संरचनात्मक विन्यास नीचे दर्शाई गई हैं:

PVSC में MOF के तीन प्रमुख अनुप्रयोग हैं:

चार्ज ट्रांसपोर्ट लेयर में, MOFs कई कार्य करते हैं। उदाहरण के लिए, MOFs पेरोव्स्काइट लेयर की वृद्धि को नियंत्रित करने और इंटरफ़ेस संपर्क को बेहतर बनाने के लिए माइक्रोपोर्स स्केफोल्ड के रूप में कार्य कर सकते हैं। अन्य कार्यों में पराबैंगनी फ़िल्टरेशन, प्रकाश प्रकीर्णन और फोटोक्रोमिक प्रभाव शामिल हैं। CTL में एकीकृत होने पर, MOFs प्रभावी रूप से इंटरफ़ेस संरेखण को बढ़ावा देते हैं और लेयर की गुणवत्ता को बढ़ाते हैं। कुल मिलाकर, PVSCs में MOFs का अनुप्रयोग चार्ज निष्कर्षण दक्षता में सुधार करता है, चार्ज पुनर्संयोजन को रोकता है, और इस प्रकार डिवाइस की स्थिरता को बढ़ाता है।

हाल ही में हुए एक अध्ययन में, लचीले पेरोव्स्काइट सौर सेलों में नैनो-Ti आधारित मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (nTi-MOF) कणों के अनुप्रयोग का पता लगाया गया। nTi-MOF परत पर PCBM परत चढ़ाई गई, जिससे एक सहक्रियात्मक प्रभाव उत्पन्न हुआ जिसने इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (ETL) के प्रदर्शन को और बेहतर बनाया। परिणामों ने 18.94% की उल्लेखनीय दक्षता प्रदर्शित की—जो MOF-एकीकृत पेरोव्स्काइट सौर सेलों के लिए अब तक की सबसे उच्च दक्षता है। इसके अलावा, उपकरण ने 700 बार मोड़ने के बाद भी 17.43% की विद्युत रूपांतरण दक्षता बनाए रखी, जो पारंपरिक TiO₂-आधारित उपकरणों की तुलना में बेहतर फोटोस्टेबिलिटी को दर्शाती है।

एक आशाजनक सामग्री वर्ग के रूप में, एमओएफ और एमओएफ-आधारित कंपोजिट न केवल कार्बनिक-अकार्बनिक सौर सेल जैसे ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों की दक्षता और स्थिरता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाते हैं, बल्कि सुविधाजनक निर्माण तकनीक और अनुकूलनीय भौतिक-रासायनिक गुण भी प्रदान करते हैं। उनकी संरचनात्मक रूपरेखा के सावधानीपूर्वक डिजाइन के माध्यम से, हम विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए उनके प्रदर्शन को अनुकूलित कर सकते हैं, जिससे सौर सेल प्रौद्योगिकी के विकास को और आगे बढ़ाया जा सकता है।