Ogniwa słoneczne, będące kluczową technologią bezpośredniego pozyskiwania energii ze światła słonecznego i zastępującą paliwa kopalne, stały się iskierką nadziei dla przyszłej transformacji energetycznej. Jednak pomimo obiecujących perspektyw, wciąż istnieje wiele możliwości poprawy wydajności i stabilności ogniw słonecznych. Istniejące materiały fotowoltaiczne często charakteryzują się niską stabilnością długoterminową i szybką degradacją podczas długotrwałej eksploatacji. Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy aktywnie badają zaawansowane materiały. W tej dziedzinie rozwój struktur metaloorganicznych (MOF) otworzył nowe możliwości poprawy wydajności i stabilności ogniw słonecznych.

MOF-y i ich pochodne, obdarzone unikalnymi właściwościami elektrokatalitycznymi i fotokatalitycznymi, znalazły szerokie zastosowanie w magazynowaniu i konwersji energii. Składają się z metalowych węzłów połączonych Łącznik organicznyMateriały te wykazują ogromny potencjał ze względu na łatwość syntezy, wysoką dostrajalność i kompatybilność z późniejszymi modyfikacjami. Chociaż większość MOF-ów jest tradycyjnie uważana za dielektryki, postęp w technologii syntezy umożliwił przełomowy rozwój przewodzących MOF-ów. Warto zauważyć, że firma Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. osiągnęła masową produkcję przewodzących MOF-ów na dużą skalę, znacząco rozszerzając ich możliwości zastosowania w technologiach konwersji energii.

Spośród różnych typów ogniw słonecznych, barwnikowe ogniwa słoneczne (DSSC) oraz organiczno-nieorganiczne hybrydowe ogniwa perowskitowe (PVSC) cieszą się szczególnym zainteresowaniem. Charakteryzują się niskim kosztem, łatwością produkcji i stosunkowo wysoką wydajnością konwersji, stanowiąc idealną alternatywę dla konwencjonalnych nieorganicznych ogniw słonecznych, oferując bardziej przyjazne dla środowiska i zrównoważone rozwiązania energetyczne.

Zazwyczaj ogniwo DSSC składa się z fotoanody, przeciwelektrody (CE) i elektrolitu redoks. Poprzez dobór różnych gatunków metali, kontrolowanie rozmiarów klastrów metali i dostosowywanie łączników organicznych, właściwości elektroniczne i charakterystykę absorpcji światła ogniw MOF można elastycznie dostosowywać, co pozwala im odgrywać kluczową rolę jako jeden z trzech podstawowych komponentów ogniw DSSC.

Fotoanoda zazwyczaj składa się z porowatego półprzewodnikowego tlenku metalu (np. TiO₂) osadzonego na przezroczystym, przewodzącym podłożu. Cienka warstwa tlenku metalu osiąga konwersję fotoelektryczną poprzez absorpcję fotonów przez barwniki fotosensybilizujące. MOF-y i ich pochodne pełnią w fotoanodzie wiele funkcji: mogą działać jako fotosensybilizatory, adsorbenty barwników półprzewodnikowych lub warstwy rozpraszające światło. Na przykład połączenie MOF-ów MIL-125 (Ti) i MoS₂ wykazało wyjątkową sprawność konwersji fotowoltaicznej na poziomie 8,96%, znacznie przewyższając czysty TiO₂ (4,41%).

Przeciwelektroda jest zbudowana z warstwy katalitycznej osadzonej na przewodzącym podłożu, która katalizuje regenerację par redoks w elektrolicie. Platyna (Pt) jest obecnie najczęściej stosowanym materiałem na przeciwelektrody, ale jej wysoki koszt utrudnia zastosowania na dużą skalę. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy opracowali kompozyty MOF jako alternatywę dla ogniw elektrochemicznych na bazie Pt. Na przykład, karbonizacja MOF Zif-8 W atmosferze azotu z powodzeniem uzyskuje się materiały węglowe domieszkowane ZnO-Azotem (ZnO-NC). Materiały te charakteryzują się doskonałą aktywnością katalityczną, umożliwiając osiągnięcie sprawności ogniw słonecznych na poziomie 9,16% – około 20% wyższej niż w przypadku tradycyjnych przeciwelektrod Pt. Co ważne, firma Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. osiągnęła już masową produkcję takich materiałów MOF przy kontrolowanych kosztach. Ich zastosowanie w produkcji przeciwelektrod pozwala na znaczną poprawę wydajności bez znaczącego wzrostu kosztów.

Elektrolity zazwyczaj zawierają pary redoks I⁻/I₃⁻, które redukują cząsteczki barwnika z powrotem do stanu podstawowego po absorpcji fotonów, regenerując w ten sposób materiał fotoaktywny. W ogniwach DSSC, MOF-y są szeroko stosowane jako dodatki do elektrolitów, co pozwala na wytwarzanie quasi-stałych elektrolitów, zwiększając ich długoterminową stabilność.

Materiały perowskitowe umożliwiły znaczący przełom w zakresie wydajności konwersji fotowoltaicznej PVSC, przekraczając 23%. Jednak komercjalizacja PVSC jest nadal ograniczona przez ich niską stabilność długoterminową. Materiały perowskitowe są podatne na degradację pod wpływem wilgoci, tlenu, ciepła i światła – wąskie gardło, które utrudnia ich powszechne zastosowanie.

Poniżej zilustrowano typowe konfiguracje strukturalne ogniw perowskitowych:

MOF-y znajdują trzy główne zastosowania w PVCS:

W warstwie transportu ładunku, MOF-y pełnią wiele funkcji. Na przykład, MOF-y mogą pełnić funkcję mikroporowatych rusztowań, regulując wzrost warstwy perowskitu i poprawiając kontakt międzyfazowy. Inne funkcje obejmują filtrację ultrafioletową, rozpraszanie światła i efekty fotochromowe. Po zintegrowaniu z warstwą CTL, MOF-y skutecznie wspomagają wyrównanie międzyfazowe i poprawiają jakość warstwy. Ogólnie rzecz biorąc, zastosowanie MOF-ów w ogniwach PVSC poprawia wydajność ekstrakcji ładunku, hamuje rekombinację ładunku, a tym samym poprawia stabilność urządzenia.

W niedawnym badaniu zbadano zastosowanie nanocząsteczek metaloorganicznej struktury szkieletowej (nTi-MOF) na bazie tytanu w elastycznych perowskitowych ogniwach słonecznych. Na warstwę nTi-MOF nałożono warstwę PCBM, co pozwoliło uzyskać efekt synergii, który dodatkowo poprawił wydajność warstwy transportu elektronów (ETL). Wyniki wykazały imponującą sprawność na poziomie 18,94% – najwyższą odnotowaną dla perowskitowych ogniw słonecznych ze zintegrowanym MOF. Co więcej, urządzenie zachowało sprawność konwersji energii na poziomie 17,43% po 700 cyklach zginania, co świadczy o lepszej fotostabilności w porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami opartymi na TiO₂.

Jako obiecująca klasa materiałów, MOF-y i kompozyty na bazie MOF-ów nie tylko znacząco zwiększają wydajność i stabilność urządzeń przetwarzających energię, takich jak organiczno-nieorganiczne ogniwa słoneczne, ale także oferują wygodne technologie produkcji i regulowane właściwości fizykochemiczne. Dzięki starannemu zaprojektowaniu ich struktur szkieletowych, możemy dostosować ich wydajność do konkretnych zastosowań, co dodatkowo przyspiesza rozwój technologii ogniw słonecznych.