Sebagai teknologi penting untuk menuai tenaga secara langsung daripada cahaya matahari dan menggantikan bahan api fosil, sel solar telah muncul sebagai suar harapan untuk peralihan tenaga masa hadapan. Walau bagaimanapun, meskipun prospeknya yang cerah, ruang yang besar masih ada untuk meningkatkan kecekapan dan kestabilan sel solar. Bahan fotovoltaik sedia ada sering mengalami kestabilan jangka panjang yang lemah dan degradasi yang cepat semasa operasi yang berpanjangan. Bagi menangani cabaran ini, para penyelidik sedang giat meneroka bahan-bahan canggih. Dalam bidang ini, kebangkitan Kerangka Kerja Logam-Organik (MOF) telah membuka ufuk baharu untuk meningkatkan prestasi dan kestabilan sel solar.

MOF dan derivatifnya, yang dikurniakan sifat elektrokatalitik dan fotokatalitik yang unik, telah digunakan secara meluas dalam penyimpanan dan penukaran tenaga. Terdiri daripada nod logam yang disambungkan oleh Penghubung Organiks, bahan-bahan ini mempamerkan potensi yang luar biasa disebabkan oleh sintesisnya yang mudah, kebolehtalaan yang tinggi, dan keserasian dengan pengubahsuaian berikutnya. Walaupun kebanyakan MOF secara tradisinya dianggap sebagai dielektrik, kemajuan dalam teknologi sintesis telah membolehkan pembangunan MOF konduktif yang inovatif. Terutamanya, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. telah mencapai pengeluaran besar-besaran MOF konduktif berskala besar, mengembangkan senario aplikasi mereka dengan ketara dalam teknologi penukaran tenaga.

Antara pelbagai jenis sel suria, Sel Surya Peka Pewarna (DSSC) dan Sel Surya Perovskit Hibrid Organik-Bukan Organik (PVSC) telah mendapat perhatian khusus. Dicirikan oleh kos rendah, kebolehkilangan yang mudah dan kecekapan penukaran yang agak tinggi, ia berfungsi sebagai alternatif yang ideal untuk peranti suria bukan organik konvensional, menawarkan penyelesaian tenaga yang lebih mesra alam dan lestari.

Biasanya, DSSC terdiri daripada fotoanod, elektrod balas (CE) dan elektrolit redoks. Dengan memilih spesies logam yang berbeza, mengawal saiz gugusan logam dan melaraskan penghubung organik, sifat elektronik dan ciri penyerapan cahaya MOF boleh disesuaikan secara fleksibel, membolehkannya memainkan peranan penting sebagai salah satu daripada tiga komponen teras dalam DSSC.

Fotoanod biasanya terdiri daripada oksida logam semikonduktor berliang (contohnya, TiO₂) yang dimendapkan pada substrat konduktif lutsinar. Filem nipis oksida logam mencapai penukaran fotoelektrik melalui penyerapan foton oleh pewarna fotosensitisasi. MOF dan terbitannya mempunyai pelbagai fungsi dalam fotoanod: ia boleh bertindak sebagai fotosensitisasi, penjerap pewarna semikonduktor atau lapisan penyerakan cahaya. Contohnya, gabungan MOF MIL-125 (Ti) dan MoS₂ telah menunjukkan kecekapan penukaran fotovoltaik yang luar biasa sebanyak 8.96%, jauh mengatasi TiO₂ tulen (4.41%).

Elektrod balas dibina dengan lapisan pemangkin yang dimendapkan pada substrat konduktif, yang memangkinkan pertumbuhan semula pasangan redoks dalam elektrolit. Platinum (Pt) kini merupakan bahan yang paling biasa digunakan untuk elektrod balas, tetapi kosnya yang tinggi menghalang aplikasi berskala besar. Untuk menangani isu ini, penyelidik telah membangunkan komposit MOF sebagai alternatif kepada CE berasaskan Pt. Contohnya, pengkarbonan MOF Zif-8 Di bawah atmosfera nitrogen, bahan-bahan ini berjaya menghasilkan ZnO-Karbon Dop Nitrogen (ZnO-NC). Bahan-bahan ini mempamerkan aktiviti pemangkinan yang sangat baik, membolehkan kecekapan sel solar sebanyak 9.16%—kira-kira 20% lebih tinggi daripada elektrod balas Pt tradisional. Yang penting, Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. telah mencapai pengeluaran besar-besaran bahan MOF sedemikian dengan kos yang boleh dikawal. Aplikasinya dalam pembuatan elektrod balas membolehkan penambahbaikan prestasi yang ketara tanpa peningkatan kos yang ketara.

Elektrolit biasanya mengandungi pasangan redoks I⁻/I₃⁻, yang mengurangkan molekul pewarna kembali ke keadaan dasar selepas penyerapan foton, sekali gus menjana semula bahan fotoaktif. Dalam DSSC, MOF digunakan secara meluas sebagai bahan tambahan dalam elektrolit untuk menghasilkan elektrolit separa pepejal, sekali gus meningkatkan kestabilan jangka panjang.

Bahan perovskit telah membolehkan penemuan penting dalam kecekapan penukaran fotovoltaik PVSC, melebihi 23%. Walau bagaimanapun, pengkomersialan PVSC masih dikekang oleh kestabilan jangka panjangnya yang lemah. Bahan perovskit mudah terdegradasi apabila terdedah kepada kelembapan, oksigen, haba dan cahaya—satu kesesakan yang telah menghalang aplikasi meluasnya.

Konfigurasi struktur biasa sel solar perovskit digambarkan di bawah:

MOF menemui tiga aplikasi utama dalam PVSC:

Dalam lapisan pengangkutan cas, MOF mempunyai pelbagai fungsi. Contohnya, MOF boleh bertindak sebagai perancah mikroporous untuk mengawal pertumbuhan lapisan perovskit dan meningkatkan sentuhan antara muka. Fungsi lain termasuk penapisan ultraungu, penyerakan cahaya dan kesan fotokromik. Apabila disepadukan ke dalam CTL, MOF berkesan menggalakkan penjajaran antara muka dan meningkatkan kualiti lapisan. Secara keseluruhan, aplikasi MOF dalam PVSC meningkatkan kecekapan pengekstrakan cas, menyekat penggabungan semula cas dan dengan itu meningkatkan kestabilan peranti.

Dalam satu kajian baru-baru ini, aplikasi zarah Kerangka Logam-Organik berasaskan nano-Ti (nTi-MOF) dalam sel suria perovskit fleksibel telah diterokai. Lapisan PCBM disalut pada lapisan nTi-MOF, menghasilkan kesan sinergi yang meningkatkan lagi prestasi Lapisan Pengangkutan Elektron (ETL). Keputusan menunjukkan kecekapan yang luar biasa sebanyak 18.94%—yang tertinggi dilaporkan untuk sel suria perovskit bersepadu MOF. Selain itu, peranti ini mengekalkan kecekapan penukaran kuasa sebanyak 17.43% selepas 700 kitaran lenturan, menunjukkan kebolehfotostabilan yang unggul berbanding peranti berasaskan TiO₂ konvensional.

Sebagai kelas bahan yang berpotensi, MOF dan komposit berasaskan MOF bukan sahaja meningkatkan kecekapan dan kestabilan peranti penukaran tenaga seperti sel suria organik-bukan organik dengan ketara tetapi juga menawarkan teknologi pembuatan yang mudah dan sifat fizikokimia yang boleh ditala. Melalui reka bentuk struktur rangka kerja yang teliti, kita boleh menyesuaikan prestasinya untuk aplikasi tertentu, seterusnya memajukan lagi pembangunan teknologi sel suria.