Sebagai teknologi penting untuk memanen energi langsung dari sinar matahari dan menggantikan bahan bakar fosil, sel surya telah muncul sebagai secercah harapan untuk transisi energi masa depan. Namun, terlepas dari prospeknya yang menjanjikan, masih ada ruang yang signifikan untuk meningkatkan efisiensi dan stabilitas sel surya. Material fotovoltaik yang ada seringkali mengalami stabilitas jangka panjang yang buruk dan degradasi yang cepat selama pengoperasian yang lama. Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti secara aktif mengeksplorasi material canggih. Di bidang ini, munculnya Kerangka Logam-Organik (MOF) telah membuka cakrawala baru untuk meningkatkan kinerja dan stabilitas sel surya.

MOF dan turunannya, yang memiliki sifat elektrokatalitik dan fotokatalitik unik, telah banyak diaplikasikan dalam penyimpanan dan konversi energi. Terdiri dari simpul logam yang dihubungkan oleh Penghubung OrganikMaterial-material ini menunjukkan potensi yang luar biasa karena sintesisnya yang mudah, kemampuan penyesuaian yang tinggi, dan kompatibilitas dengan modifikasi selanjutnya. Meskipun sebagian besar MOF secara tradisional dianggap sebagai dielektrik, kemajuan dalam teknologi sintesis telah memungkinkan pengembangan terobosan MOF konduktif. Secara khusus, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. telah mencapai produksi massal MOF konduktif dalam skala besar, yang secara signifikan memperluas skenario aplikasinya dalam teknologi konversi energi.

Di antara berbagai jenis sel surya, Sel Surya Sensitif Pewarna (DSSC) dan Sel Surya Perovskit Hibrida Organik-Anorganik (PVSC) telah menarik perhatian khusus. Dicirikan oleh biaya rendah, kemudahan pembuatan, dan efisiensi konversi yang relatif tinggi, keduanya berfungsi sebagai alternatif ideal untuk perangkat surya anorganik konvensional, menawarkan solusi energi yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.

Pada umumnya, DSSC terdiri dari fotoanoda, elektroda lawan (CE), dan elektrolit redoks. Dengan memilih jenis logam yang berbeda, mengontrol ukuran gugus logam, dan menyesuaikan penghubung organik, sifat elektronik dan karakteristik penyerapan cahaya MOF dapat disesuaikan secara fleksibel, sehingga memungkinkan MOF memainkan peran penting sebagai salah satu dari tiga komponen inti dalam DSSC.

Fotoanoda biasanya terdiri dari oksida logam semikonduktor berpori (misalnya, TiO₂) yang diendapkan pada substrat konduktif transparan. Lapisan tipis oksida logam tersebut mencapai konversi fotolistrik melalui penyerapan foton oleh zat warna fotosensitif. MOF dan turunannya memiliki banyak fungsi dalam fotoanoda: mereka dapat bertindak sebagai fotosensitizer, adsorben zat warna semikonduktor, atau lapisan penghambur cahaya. Misalnya, kombinasi MOF MIL-125 (Ti) dan MoS₂ telah menunjukkan efisiensi konversi fotovoltaik yang luar biasa sebesar 8,96%, jauh melampaui TiO₂ murni (4,41%).

Elektroda lawan dibangun dengan lapisan katalitik yang diendapkan pada substrat konduktif, yang mengkatalisis regenerasi pasangan redoks dalam elektrolit. Platinum (Pt) saat ini merupakan material yang paling umum digunakan untuk elektroda lawan, tetapi biayanya yang tinggi menghambat aplikasi skala besar. Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti telah mengembangkan komposit MOF sebagai alternatif untuk elektroda lawan berbasis Pt. Misalnya, karbonisasi MOF Zif-8 Di bawah atmosfer nitrogen, material ZnO-Karbon yang Didoping Nitrogen (ZnO-NC) berhasil dihasilkan. Material ini menunjukkan aktivitas katalitik yang sangat baik, memungkinkan efisiensi sel surya sebesar 9,16%—sekitar 20% lebih tinggi daripada elektroda lawan Pt tradisional. Yang penting, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. telah mencapai produksi massal material MOF tersebut dengan biaya yang terkendali. Penerapannya dalam pembuatan elektroda lawan memungkinkan peningkatan kinerja yang substansial tanpa peningkatan biaya yang signifikan.

Elektrolit biasanya mengandung pasangan redoks I⁻/I₃⁻, yang mereduksi molekul pewarna kembali ke keadaan dasarnya setelah penyerapan foton, sehingga meregenerasi material fotoaktif. Dalam DSSC, MOF banyak digunakan sebagai aditif dalam elektrolit untuk membuat elektrolit quasi-padat, sehingga meningkatkan stabilitas jangka panjang.

Material perovskit telah memungkinkan terobosan signifikan dalam efisiensi konversi fotovoltaik PVSC, melebihi 23%. Namun, komersialisasi PVSC masih dibatasi oleh stabilitas jangka panjangnya yang buruk. Material perovskit rentan terhadap degradasi ketika terpapar kelembapan, oksigen, panas, dan cahaya—kendala yang telah menghambat penerapannya secara luas.

Konfigurasi struktural umum sel surya perovskit diilustrasikan di bawah ini:

MOF menemukan tiga aplikasi kunci dalam PVSC:

Dalam lapisan transpor muatan, MOF memiliki banyak fungsi. Misalnya, MOF dapat bertindak sebagai perancah mikropori untuk mengatur pertumbuhan lapisan perovskit dan meningkatkan kontak antarmuka. Fungsi lainnya termasuk penyaringan ultraviolet, hamburan cahaya, dan efek fotokromik. Ketika diintegrasikan ke dalam CTL, MOF secara efektif meningkatkan keselarasan antarmuka dan meningkatkan kualitas lapisan. Secara keseluruhan, penerapan MOF dalam PVSC meningkatkan efisiensi ekstraksi muatan, menekan rekombinasi muatan, dan dengan demikian meningkatkan stabilitas perangkat.

Dalam sebuah studi baru-baru ini, aplikasi partikel Metal-Organic Framework (MOF) berbasis nano-Ti (nTi-MOF) pada sel surya perovskit fleksibel telah dieksplorasi. Lapisan PCBM dilapisi pada lapisan nTi-MOF, menciptakan efek sinergis yang lebih meningkatkan kinerja Lapisan Transport Elektron (ETL). Hasilnya menunjukkan efisiensi yang luar biasa sebesar 18,94%—tertinggi yang dilaporkan untuk sel surya perovskit terintegrasi MOF. Selain itu, perangkat tersebut mempertahankan efisiensi konversi daya sebesar 17,43% setelah 700 siklus pembengkokan, menunjukkan fotostabilitas yang unggul dibandingkan dengan perangkat berbasis TiO₂ konvensional.

Sebagai kelas material yang menjanjikan, MOF dan komposit berbasis MOF tidak hanya secara signifikan meningkatkan efisiensi dan stabilitas perangkat konversi energi seperti sel surya organik-anorganik, tetapi juga menawarkan teknologi manufaktur yang mudah dan sifat fisikokimia yang dapat disesuaikan. Melalui desain struktur kerangka yang cermat, kita dapat menyesuaikan kinerjanya untuk aplikasi spesifik, sehingga semakin memajukan pengembangan teknologi sel surya.