Le celle solari, tecnologia fondamentale per la raccolta diretta di energia dalla luce solare e la sostituzione dei combustibili fossili, si sono affermate come un faro di speranza per la futura transizione energetica. Tuttavia, nonostante le promettenti prospettive, vi è ancora ampio margine di miglioramento in termini di efficienza e stabilità. I ​​materiali fotovoltaici attualmente disponibili spesso presentano una scarsa stabilità a lungo termine e un rapido degrado durante il funzionamento prolungato. Per affrontare questa sfida, i ricercatori stanno esplorando attivamente materiali innovativi. In questo ambito, l'avvento dei Metal-Organic Frameworks (MOF) ha aperto nuovi orizzonti per il miglioramento delle prestazioni e della stabilità delle celle solari.

I MOF e i loro derivati, dotati di proprietà elettrocatalitiche e fotocatalitiche uniche, sono stati ampiamente applicati nell'immagazzinamento e nella conversione dell'energia. Composti da nodi metallici collegati da Legante organicoQuesti materiali mostrano un enorme potenziale grazie alla loro facile sintesi, all'elevata sintonizzabilità e alla compatibilità con successive modifiche. Mentre la maggior parte dei MOF sono tradizionalmente considerati dielettrici, i progressi nella tecnologia di sintesi hanno permesso lo sviluppo rivoluzionario di MOF conduttivi. In particolare, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ha raggiunto la produzione di massa su larga scala di MOF conduttivi, ampliando significativamente i loro scenari applicativi nelle tecnologie di conversione energetica.

Tra le varie tipologie di celle solari, le celle solari a colorante sensibilizzato (DSSC) e le celle solari ibride organiche-inorganiche a perovskite (PVSC) hanno riscosso particolare interesse. Caratterizzate da basso costo, facilità di produzione e un'efficienza di conversione relativamente elevata, rappresentano un'alternativa ideale ai dispositivi solari inorganici convenzionali, offrendo soluzioni energetiche più ecocompatibili e sostenibili.

Tipicamente, una DSSC è composta da un fotoanodo, un controelettrodo (CE) e un elettrolita redox. Selezionando diverse specie metalliche, controllando le dimensioni degli aggregati metallici e regolando i leganti organici, le proprietà elettroniche e le caratteristiche di assorbimento della luce dei MOF possono essere adattate in modo flessibile, consentendo loro di svolgere un ruolo cruciale come uno dei tre componenti principali delle DSSC.

Il fotoanodo è generalmente composto da un ossido metallico semiconduttore poroso (ad esempio, TiO₂) depositato su un substrato conduttivo trasparente. Il film sottile di ossido metallico realizza la conversione fotoelettrica attraverso l'assorbimento di fotoni da parte di coloranti fotosensibilizzanti. I MOF e i loro derivati ​​svolgono molteplici funzioni nel fotoanodo: possono agire come fotosensibilizzatori, adsorbenti per coloranti semiconduttori o strati di diffusione della luce. Ad esempio, la combinazione di MOF MIL-125 (Ti) e MoS₂ ha dimostrato un'eccezionale efficienza di conversione fotovoltaica dell'8,96%, superando significativamente il TiO₂ puro (4,41%).

Il controelettrodo è costituito da uno strato catalitico depositato su un substrato conduttivo, che catalizza la rigenerazione delle coppie redox nell'elettrolita. Il platino (Pt) è attualmente il materiale più comunemente utilizzato per i controelettrodi, ma il suo costo elevato ne ostacola le applicazioni su larga scala. Per ovviare a questo problema, i ricercatori hanno sviluppato compositi MOF come alternative ai controelettrodi a base di Pt. Ad esempio, la carbonizzazione dei MOF Zif-8 In atmosfera di azoto, è stato possibile produrre con successo materiali ZnO-carbone drogato con azoto (ZnO-NC). Questi materiali mostrano un'eccellente attività catalitica, consentendo un'efficienza delle celle solari del 9,16%, circa il 20% superiore a quella dei tradizionali controelettrodi in platino. È importante sottolineare che Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ha già raggiunto la produzione di massa di tali materiali MOF a costi controllabili. La loro applicazione nella produzione di controelettrodi consente notevoli miglioramenti delle prestazioni senza un aumento significativo dei costi.

Gli elettroliti contengono tipicamente coppie redox I⁻/I₃⁻, che riducono le molecole di colorante al loro stato fondamentale dopo l'assorbimento di fotoni, rigenerando così il materiale fotoattivo. Nelle celle solari a colorante sensibilizzato (DSSC), i MOF sono ampiamente utilizzati come additivi negli elettroliti per fabbricare elettroliti quasi solidi, migliorandone la stabilità a lungo termine.

I materiali a base di perovskite hanno permesso di raggiungere significativi progressi nell'efficienza di conversione fotovoltaica delle celle solari a perovskite (PVSC), superando il 23%. Tuttavia, la commercializzazione delle PVSC è ancora limitata dalla loro scarsa stabilità a lungo termine. I materiali a base di perovskite sono soggetti a degradazione se esposti a umidità, ossigeno, calore e luce, un ostacolo che ne ha impedito la diffusione su larga scala.

Di seguito sono illustrate le configurazioni strutturali più comuni delle celle solari a perovskite:

I MOF trovano tre applicazioni chiave nelle celle fotovoltaiche:

Nello strato di trasporto di carica, i MOF svolgono molteplici funzioni. Ad esempio, possono agire come impalcature microporose per regolare la crescita dello strato di perovskite e migliorare il contatto interfacciale. Altre funzioni includono la filtrazione dei raggi ultravioletti, la diffusione della luce e gli effetti fotocromici. Quando integrati nello strato di trasporto di carica (CTL), i MOF promuovono efficacemente l'allineamento dell'interfaccia e migliorano la qualità dello strato. Nel complesso, l'applicazione dei MOF nelle celle solari a perovskite (PVSC) migliora l'efficienza di estrazione della carica, sopprime la ricombinazione di carica e, di conseguenza, aumenta la stabilità del dispositivo.

In un recente studio, è stata esplorata l'applicazione di nanoparticelle di Metal-Organic Framework a base di titanio (nTi-MOF) in celle solari a perovskite flessibili. Uno strato di PCBM è stato depositato sullo strato di nTi-MOF, creando un effetto sinergico che ha ulteriormente migliorato le prestazioni dello strato di trasporto degli elettroni (ETL). I risultati hanno mostrato una notevole efficienza del 18,94%, la più alta mai riportata per celle solari a perovskite con MOF integrato. Inoltre, il dispositivo ha mantenuto un'efficienza di conversione di potenza del 17,43% dopo 700 cicli di flessione, dimostrando una fotostabilità superiore rispetto ai dispositivi convenzionali a base di TiO₂.

I MOF e i compositi a base di MOF, in quanto promettente classe di materiali, non solo migliorano significativamente l'efficienza e la stabilità dei dispositivi di conversione energetica come le celle solari organiche-inorganiche, ma offrono anche tecnologie di produzione convenienti e proprietà fisico-chimiche regolabili. Attraverso un'attenta progettazione delle loro strutture reticolari, possiamo adattarne le prestazioni ad applicazioni specifiche, promuovendo ulteriormente lo sviluppo della tecnologia delle celle solari.