เซลล์แสงอาทิตย์เป็นเทคโนโลยีสำคัญในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงอาทิตย์โดยตรงและใช้ทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล จึงกลายเป็นความหวังสำคัญสำหรับการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงานในอนาคต อย่างไรก็ตาม แม้จะมีศักยภาพที่น่าจับตามอง แต่ก็ยังมีช่องว่างอีกมากสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของเซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุโฟโตโวลตาอิกที่มีอยู่มักประสบปัญหาเรื่องความเสถียรในระยะยาวต่ำและการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วระหว่างการใช้งานเป็นเวลานาน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยจึงกำลังสำรวจวัสดุขั้นสูงอย่างแข็งขัน ในด้านนี้ การเกิดขึ้นของโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOFs) ได้เปิดโอกาสใหม่ ๆ ในการเพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียรของเซลล์แสงอาทิตย์

MOF และอนุพันธ์ของ MOF ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีและทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในการจัดเก็บและแปลงพลังงาน ประกอบด้วยโหนดโลหะที่เชื่อมต่อกันด้วย ตัวเชื่อมต่ออินทรีย์วัสดุเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลเนื่องจากการสังเคราะห์ที่ง่าย ความสามารถในการปรับแต่งสูง และความเข้ากันได้กับการดัดแปลงในภายหลัง ในขณะที่ MOF ส่วนใหญ่ถูกมองว่าเป็นฉนวนไฟฟ้า ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการสังเคราะห์ได้ทำให้เกิดการพัฒนา MOF ที่นำไฟฟ้าได้อย่างก้าวกระโดด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง บริษัท Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ได้ประสบความสำเร็จในการผลิต MOF ที่นำไฟฟ้าในปริมาณมาก ซึ่งเป็นการขยายขอบเขตการใช้งานในเทคโนโลยีการแปลงพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ

ในบรรดาเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทต่างๆ เซลล์แสงอาทิตย์แบบย้อมสี (DSSCs) และเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอร์รอฟสไกต์ไฮบริดอินทรีย์-อนินทรีย์ (PVSCs) ได้รับความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย และมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานค่อนข้างสูง จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมแทนอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์แบบอนินทรีย์ทั่วไป โดยนำเสนอโซลูชันด้านพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนมากขึ้น

โดยทั่วไป DSSC ประกอบด้วยโฟโตแอโนด เคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (CE) และอิเล็กโทรไลต์รีดอกซ์ การเลือกชนิดของโลหะ การควบคุมขนาดของกลุ่มโลหะ และการปรับตัวเชื่อมประสานอินทรีย์ สามารถปรับแต่งคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และลักษณะการดูดซับแสงของ MOF ได้อย่างยืดหยุ่น ทำให้ MOF มีบทบาทสำคัญในฐานะหนึ่งในสามองค์ประกอบหลักใน DSSC

โดยทั่วไปแล้ว โฟโตแอนโนดจะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำออกไซด์โลหะที่มีรูพรุน (เช่น TiO₂) ที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวตัวนำโปร่งใส ฟิล์มบางของโลหะออกไซด์จะแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านการดูดซับโฟตอนโดยสีย้อมที่ไวต่อแสง MOF และอนุพันธ์ของมันทำหน้าที่หลายอย่างในโฟโตแอนโนด ได้แก่ ทำหน้าที่เป็นสารไวต่อแสง สารดูดซับสีย้อมกึ่งตัวนำ หรือชั้นกระจายแสง ตัวอย่างเช่น การผสมผสานระหว่าง MOF MIL-125 (Ti) และ MoS₂ ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ยอดเยี่ยมถึง 8.96% ซึ่งสูงกว่า TiO₂ บริสุทธิ์ (4.41%) อย่างมาก

ขั้วไฟฟ้าตรงข้ามถูกสร้างขึ้นโดยใช้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบอยู่บนพื้นผิวตัวนำ ซึ่งทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้างคู่รีดอกซ์ในอิเล็กโทรไลต์ขึ้นใหม่ ปัจจุบันแพลทินัม (Pt) เป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับขั้วไฟฟ้าตรงข้าม แต่ต้นทุนที่สูงทำให้การใช้งานในวงกว้างเป็นไปได้ยาก เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้พัฒนาวัสดุคอมโพสิต MOF เป็นทางเลือกแทนขั้วไฟฟ้าตรงข้ามที่ใช้ Pt ตัวอย่างเช่น การทำให้ MOF เป็นคาร์บอน ซิฟ-8 ภายใต้บรรยากาศไนโตรเจน สามารถผลิตวัสดุ ZnO-Nitrogen-Doped Carbon (ZnO-NC) ได้สำเร็จ วัสดุเหล่านี้แสดงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยม ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพ 9.16% ซึ่งสูงกว่าขั้วไฟฟ้า Pt แบบดั้งเดิมประมาณ 20% ที่สำคัญ บริษัท Guangdong Tanyu New Materials Co., Ltd. ได้ประสบความสำเร็จในการผลิตวัสดุ MOF ดังกล่าวในปริมาณมากด้วยต้นทุนที่ควบคุมได้แล้ว การนำไปใช้ในการผลิตขั้วไฟฟ้าช่วยให้ประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมากโดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุนอย่างมีนัยสำคัญ

โดยทั่วไป อิเล็กโทรไลต์จะมีคู่รีดอกซ์ I⁻/I₃⁻ ซึ่งจะรีดิวซ์โมเลกุลของสีย้อมกลับสู่สถานะพื้นฐานหลังจากดูดซับโฟตอน ทำให้วัสดุที่ไวต่อแสงกลับคืนมา ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบย้อมสี (DSSC) นั้น MOF ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างอิเล็กโทรไลต์กึ่งของแข็ง ซึ่งช่วยเพิ่มเสถียรภาพในระยะยาว

วัสดุเพอร์รอฟสไกต์ได้ก่อให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยสามารถเพิ่มขึ้นได้มากกว่า 23% อย่างไรก็ตาม การนำเซลล์แสงอาทิตย์ไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงถูกจำกัดด้วยความเสถียรในระยะยาวที่ไม่ดี วัสดุเพอร์รอฟสไกต์มีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับความชื้น ออกซิเจน ความร้อน และแสง ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญที่ขัดขวางการใช้งานอย่างแพร่หลาย

ภาพประกอบด้านล่างแสดงโครงสร้างทั่วไปของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์:

MOF มีการใช้งานหลัก 3 ประการใน PVSC:

ในชั้นนำส่งประจุ (Charge Transport Layer หรือ CTL) MOF ทำหน้าที่หลายอย่าง ตัวอย่างเช่น MOF สามารถทำหน้าที่เป็นโครงสร้างพรุนขนาดเล็กเพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของชั้นเพอร์รอฟสไกต์และปรับปรุงการสัมผัสระหว่างพื้นผิว หน้าที่อื่นๆ ได้แก่ การกรองรังสีอัลตราไวโอเลต การกระจายแสง และผลกระทบทางโฟโตโครมิก เมื่อรวมเข้ากับ CTL แล้ว MOF จะช่วยส่งเสริมการจัดเรียงพื้นผิวอย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มคุณภาพของชั้น โดยรวมแล้ว การประยุกต์ใช้ MOF ในเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ (PVSC) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดประจุ ลดการรวมตัวของประจุ และเพิ่มเสถียรภาพของอุปกรณ์

ในการศึกษาล่าสุด ได้มีการสำรวจการประยุกต์ใช้อนุภาคโครงสร้างโลหะอินทรีย์นาโนไทเทเนียม (nTi-MOF) ในเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์แบบยืดหยุ่น โดยการเคลือบชั้น PCBM บนชั้น nTi-MOF ทำให้เกิดผลเสริมฤทธิ์กันซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของชั้นนำส่งอิเล็กตรอน (ETL) ให้ดียิ่งขึ้น ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่น่าทึ่งถึง 18.94% ซึ่งเป็นประสิทธิภาพสูงสุดที่รายงานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ที่รวม MOF เข้าไว้ด้วย ยิ่งไปกว่านั้น อุปกรณ์ยังคงรักษาประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไว้ที่ 17.43% หลังจากดัดงอ 700 รอบ แสดงให้เห็นถึงความเสถียรต่อแสงที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ TiO₂ แบบดั้งเดิม

MOF และวัสดุคอมโพสิตที่ใช้ MOF เป็นส่วนประกอบ เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูง ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียรของอุปกรณ์แปลงพลังงาน เช่น เซลล์แสงอาทิตย์แบบอินออร์แกนิก-อินออร์แกนิก อย่างมีนัยสำคัญเท่านั้น แต่ยังนำเสนอเทคโนโลยีการผลิตที่สะดวกและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่สามารถปรับแต่งได้อีกด้วย ด้วยการออกแบบโครงสร้างของเฟรมเวิร์กอย่างระมัดระวัง เราสามารถปรับแต่งประสิทธิภาพของวัสดุให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะด้าน ซึ่งจะช่วยพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น