Como uma tecnologia fundamental para a captação direta de energia solar e a substituição de combustíveis fósseis, as células solares surgiram como uma esperança para a futura transição energética. No entanto, apesar de suas perspectivas promissoras, ainda há muito espaço para melhorar a eficiência e a estabilidade das células solares. Os materiais fotovoltaicos existentes frequentemente sofrem com baixa estabilidade a longo prazo e rápida degradação durante operação prolongada. Para enfrentar esse desafio, pesquisadores estão explorando ativamente materiais avançados. Nesse campo, o surgimento das Estruturas Metalorgânicas (MOFs) abriu novos horizontes para aprimorar o desempenho e a estabilidade das células solares.

Os MOFs e seus derivados, dotados de propriedades eletrocatalíticas e fotocatalíticas únicas, têm sido amplamente aplicados no armazenamento e conversão de energia. São compostos por nós metálicos conectados por Ligante orgânicoEsses materiais exibem um enorme potencial devido à sua síntese facilitada, alta capacidade de ajuste e compatibilidade com modificações subsequentes. Embora a maioria dos MOFs seja tradicionalmente considerada dielétrica, os avanços na tecnologia de síntese possibilitaram o desenvolvimento inovador de MOFs condutores. Notavelmente, a Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. alcançou a produção em larga escala de MOFs condutores, expandindo significativamente seus cenários de aplicação em tecnologias de conversão de energia.

Entre os diversos tipos de células solares, as células solares sensibilizadas por corantes (DSSCs) e as células solares de perovskita híbrida orgânica-inorgânica (PVSCs) têm recebido atenção especial. Caracterizadas pelo baixo custo, facilidade de fabricação e eficiência de conversão relativamente alta, elas servem como alternativas ideais aos dispositivos solares inorgânicos convencionais, oferecendo soluções energéticas mais sustentáveis ​​e amigas do ambiente.

Normalmente, uma DSSC consiste em um fotoânodo, um contraeletrodo (CE) e um eletrólito redox. Ao selecionar diferentes espécies metálicas, controlar os tamanhos dos aglomerados metálicos e ajustar os ligantes orgânicos, as propriedades eletrônicas e as características de absorção de luz dos MOFs podem ser flexivelmente adaptadas, permitindo que desempenhem um papel crucial como um dos três componentes principais das DSSCs.

O fotoânodo geralmente é composto por um óxido metálico semicondutor poroso (por exemplo, TiO₂) depositado sobre um substrato condutor transparente. O filme fino de óxido metálico realiza a conversão fotoelétrica por meio da absorção de fótons por corantes fotossensibilizantes. Os MOFs e seus derivados desempenham múltiplas funções no fotoânodo: podem atuar como fotossensibilizadores, adsorventes de corantes semicondutores ou camadas de dispersão de luz. Por exemplo, a combinação do MOF MIL-125 (Ti) e MoS₂ demonstrou uma eficiência de conversão fotovoltaica excepcional de 8,96%, superando significativamente o TiO₂ puro (4,41%).

O contraeletrodo é construído com uma camada catalítica depositada sobre um substrato condutor, que catalisa a regeneração de pares redox no eletrólito. A platina (Pt) é atualmente o material mais comumente usado para contraeletrodos, mas seu alto custo dificulta aplicações em larga escala. Para solucionar esse problema, pesquisadores desenvolveram compósitos de MOF como alternativas aos contraeletrodos à base de Pt. Por exemplo, a carbonização de MOF Zif-8 Sob atmosfera de nitrogênio, obtém-se com sucesso materiais de ZnO-Carbono Dopado com Nitrogênio (ZnO-NC). Esses materiais exibem excelente atividade catalítica, permitindo uma eficiência de célula solar de 9,16% — aproximadamente 20% superior à dos contraeletrodos de Pt tradicionais. É importante ressaltar que a Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. já alcançou a produção em massa desses materiais MOF com custos controláveis. Sua aplicação na fabricação de contraeletrodos possibilita melhorias substanciais de desempenho sem aumentos significativos de custo.

Os eletrólitos normalmente contêm pares redox I⁻/I₃⁻, que reduzem as moléculas do corante de volta ao seu estado fundamental após a absorção de fótons, regenerando assim o material fotoativo. Em DSSCs, os MOFs são amplamente utilizados como aditivos em eletrólitos para fabricar eletrólitos quase sólidos, aumentando a estabilidade a longo prazo.

Os materiais perovskitas possibilitaram avanços significativos na eficiência de conversão fotovoltaica das células solares de perovskita (PVSCs), ultrapassando 23%. No entanto, a comercialização das PVSCs ainda é limitada por sua baixa estabilidade a longo prazo. Os materiais perovskitas são propensos à degradação quando expostos à umidade, oxigênio, calor e luz — um gargalo que tem dificultado sua aplicação em larga escala.

As configurações estruturais comuns das células solares de perovskita são ilustradas abaixo:

Os MOFs encontram três aplicações principais em PVSCs:

Na camada de transporte de carga, os MOFs desempenham múltiplas funções. Por exemplo, podem atuar como estruturas microporosas para regular o crescimento da camada de perovskita e melhorar o contato interfacial. Outras funções incluem filtragem ultravioleta, dispersão de luz e efeitos fotocrômicos. Quando integrados à camada de transporte de carga, os MOFs promovem efetivamente o alinhamento interfacial e melhoram a qualidade da camada. De modo geral, a aplicação de MOFs em células solares de perovskita melhora a eficiência de extração de carga, suprime a recombinação de cargas e, consequentemente, aumenta a estabilidade do dispositivo.

Em um estudo recente, explorou-se a aplicação de nanopartículas de MOF à base de titânio (nTi-MOF) em células solares de perovskita flexíveis. Uma camada de PCBM foi depositada sobre a camada de nTi-MOF, criando um efeito sinérgico que melhorou ainda mais o desempenho da Camada de Transporte de Elétrons (ETL). Os resultados mostraram uma eficiência notável de 18,94% — a mais alta relatada para células solares de perovskita integradas com MOF. Além disso, o dispositivo manteve uma eficiência de conversão de energia de 17,43% após 700 ciclos de flexão, demonstrando fotoestabilidade superior em comparação com dispositivos convencionais à base de TiO₂.

Como uma classe promissora de materiais, os MOFs e os compósitos à base de MOFs não apenas aumentam significativamente a eficiência e a estabilidade de dispositivos de conversão de energia, como células solares orgânicas-inorgânicas, mas também oferecem tecnologias de fabricação convenientes e propriedades físico-químicas ajustáveis. Por meio do projeto cuidadoso de suas estruturas, podemos adaptar seu desempenho para aplicações específicas, impulsionando ainda mais o desenvolvimento da tecnologia de células solares.