Солнечные элементы, как ключевая технология для непосредственного извлечения энергии из солнечного света и замены ископаемого топлива, стали маяком надежды на будущее энергетического перехода. Однако, несмотря на многообещающие перспективы, остается значительный потенциал для повышения эффективности и стабильности солнечных элементов. Существующие фотоэлектрические материалы часто страдают от плохой долговременной стабильности и быстрой деградации при длительной эксплуатации. Для решения этой проблемы исследователи активно изучают передовые материалы. В этой области появление металлоорганических каркасов (МОК) открыло новые горизонты для повышения производительности и стабильности солнечных элементов.

МОФы и их производные, обладающие уникальными электрокаталитическими и фотокаталитическими свойствами, широко применяются в системах хранения и преобразования энергии. Состоят из металлических узлов, соединенных между собой. Органический линкерБлагодаря простоте синтеза, высокой регулируемости и совместимости с последующими модификациями, эти материалы обладают огромным потенциалом. Хотя большинство MOF традиционно рассматриваются как диэлектрики, достижения в технологии синтеза позволили совершить прорыв в разработке проводящих MOF. В частности, компания Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. достигла крупномасштабного массового производства проводящих MOF, значительно расширив области их применения в технологиях преобразования энергии.

Среди различных типов солнечных элементов особое внимание привлекают солнечные элементы с сенсибилизацией красителями (DSSCs) и органическо-неорганические гибридные перовскитные солнечные элементы (PVSCs). Характеризующиеся низкой стоимостью, простотой изготовления и относительно высокой эффективностью преобразования, они служат идеальной альтернативой традиционным неорганическим солнечным устройствам, предлагая более экологичные и устойчивые решения в области энергетики.

Как правило, DSSC состоит из фотоанода, противоэлектрода (CE) и окислительно-восстановительного электролита. Путем выбора различных типов металлов, контроля размеров металлических кластеров и регулирования органических линкеров можно гибко настраивать электронные свойства и характеристики поглощения света MOF, что позволяет им играть решающую роль в качестве одного из трех основных компонентов в DSSC.

Фотоанод обычно состоит из пористого полупроводникового оксида металла (например, TiO₂), нанесенного на прозрачную проводящую подложку. Тонкая пленка оксида металла обеспечивает фотоэлектрическое преобразование за счет поглощения фотонов фотосенсибилизирующими красителями. МОФы и их производные выполняют множество функций в фотоаноде: они могут выступать в качестве фотосенсибилизаторов, полупроводниковых адсорбентов красителей или слоев, рассеивающих свет. Например, комбинация МОФ MIL-125 (Ti) и MoS₂ продемонстрировала исключительную эффективность фотоэлектрического преобразования в 8,96%, значительно превосходящую чистый TiO₂ (4,41%).

Противоэлектрод изготавливается из каталитического слоя, нанесенного на проводящую подложку, который катализирует регенерацию окислительно-восстановительных пар в электролите. Платина (Pt) в настоящее время является наиболее распространенным материалом для противоэлектродов, но ее высокая стоимость препятствует крупномасштабному применению. Для решения этой проблемы исследователи разработали композиты на основе металлоорганических каркасов (МОК) в качестве альтернативы противоэлектродам на основе платины. Например, карбонизация МОК. Зиф-8 В атмосфере азота успешно получены материалы ZnO-Nitrogen-Doped Carbon (ZnO-NC). Эти материалы демонстрируют превосходную каталитическую активность, обеспечивая эффективность солнечных элементов 9,16% — примерно на 20% выше, чем у традиционных платиновых противоэлектродов. Важно отметить, что компания Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. уже осуществила массовое производство таких MOF-материалов с контролируемыми затратами. Их применение в производстве противоэлектродов позволяет существенно улучшить характеристики без значительного увеличения стоимости.

Электролиты обычно содержат редокс-пары I⁻/I₃⁻, которые восстанавливают молекулы красителя до их основного состояния после поглощения фотона, тем самым регенерируя фотоактивный материал. В DSSC металлоорганические каркасы (MOF) широко используются в качестве добавок к электролитам для создания квазитвердых электролитов, повышая долговременную стабильность.

Перовскитные материалы позволили добиться значительных прорывов в эффективности фотоэлектрического преобразования фотоэлектрических элементов, превысив 23%. Однако коммерциализация фотоэлектрических элементов по-прежнему ограничена их низкой долговременной стабильностью. Перовскитные материалы склонны к деградации при воздействии влаги, кислорода, тепла и света — это узкое место, препятствующее их широкому применению.

Ниже представлены типичные структурные конфигурации перовскитных солнечных элементов:

В фотоэлектрических элементах на основе металлоорганических каркасов находят три ключевых применения:

В слое переноса заряда металлоорганические каркасы (МОК) выполняют множество функций. Например, МОК могут выступать в качестве микропористых каркасов, регулирующих рост перовскитного слоя и улучшающих контакт на границе раздела. Другие функции включают фильтрацию ультрафиолетового излучения, рассеяние света и фотохромные эффекты. При интеграции в слой переноса заряда МОК эффективно способствуют выравниванию границы раздела и улучшают качество слоя. В целом, применение МОК в перовскитных солнечных элементах повышает эффективность извлечения заряда, подавляет рекомбинацию заряда и, следовательно, повышает стабильность устройства.

В недавнем исследовании изучалось применение наночастиц металлоорганического каркаса на основе титана (nTi-MOF) в гибких перовскитных солнечных элементах. На слой nTi-MOF был нанесен слой PCBM, создающий синергетический эффект, который дополнительно улучшил характеристики слоя переноса электронов (ETL). Результаты показали замечательную эффективность в 18,94% — самую высокую из когда-либо зарегистрированных для перовскитных солнечных элементов с интегрированным MOF. Более того, устройство сохранило эффективность преобразования энергии в 17,43% после 700 циклов изгиба, демонстрируя превосходную фотостабильность по сравнению с традиционными устройствами на основе TiO₂.

Металлоорганические каркасы (МОК) и композиты на их основе, как перспективный класс материалов, не только значительно повышают эффективность и стабильность устройств преобразования энергии, таких как органические-неорганические солнечные элементы, но и предлагают удобные технологии производства и регулируемые физико-химические свойства. Благодаря тщательному проектированию их каркасных структур мы можем адаптировать их характеристики к конкретным областям применения, что способствует дальнейшему развитию технологии солнечных элементов.