Là một công nghệ then chốt để trực tiếp thu hoạch năng lượng từ ánh sáng mặt trời và thay thế nhiên liệu hóa thạch, pin mặt trời đã nổi lên như một ngọn hải đăng hy vọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên, bất chấp triển vọng đầy hứa hẹn, vẫn còn nhiều dư địa để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời. Các vật liệu quang điện hiện có thường gặp vấn đề về độ ổn định lâu dài và suy giảm nhanh chóng trong quá trình hoạt động kéo dài. Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu đang tích cực tìm kiếm các vật liệu tiên tiến. Trong lĩnh vực này, sự nổi lên của các khung kim loại hữu cơ (MOF) đã mở ra những chân trời mới để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của pin mặt trời.

MOF và các dẫn xuất của chúng, sở hữu các đặc tính điện xúc tác và quang xúc tác độc đáo, đã được ứng dụng rộng rãi trong lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Chúng được cấu tạo từ các nút kim loại được kết nối bởi... Chất liên kết hữu cơNhững vật liệu này thể hiện tiềm năng to lớn nhờ khả năng tổng hợp dễ dàng, tính điều chỉnh cao và khả năng tương thích với các sửa đổi tiếp theo. Mặc dù hầu hết các MOF theo truyền thống được coi là chất điện môi, nhưng những tiến bộ trong công nghệ tổng hợp đã cho phép phát triển đột phá các MOF dẫn điện. Đặc biệt, Công ty TNHH Vật liệu mới Quảng Đông Tanyu đã đạt được sản xuất hàng loạt MOF dẫn điện quy mô lớn, mở rộng đáng kể các kịch bản ứng dụng của chúng trong công nghệ chuyển đổi năng lượng.

Trong số các loại pin mặt trời khác nhau, pin mặt trời nhạy cảm với chất nhuộm (DSSCs) và pin mặt trời perovskite lai hữu cơ-vô cơ (PVSCs) đã thu hút sự chú ý đặc biệt. Với đặc điểm chi phí thấp, dễ sản xuất và hiệu suất chuyển đổi tương đối cao, chúng là những lựa chọn thay thế lý tưởng cho các thiết bị năng lượng mặt trời vô cơ truyền thống, mang đến các giải pháp năng lượng thân thiện với môi trường và bền vững hơn.

Thông thường, một DSSC bao gồm một điện cực dương quang (photoanode), một điện cực đối (CE) và một chất điện phân oxy hóa khử. Bằng cách lựa chọn các loại kim loại khác nhau, kiểm soát kích thước cụm kim loại và điều chỉnh các chất liên kết hữu cơ, các đặc tính điện tử và đặc điểm hấp thụ ánh sáng của MOF có thể được điều chỉnh linh hoạt, cho phép chúng đóng vai trò quan trọng như một trong ba thành phần cốt lõi trong DSSC.

Điện cực quang thường bao gồm một oxit kim loại bán dẫn xốp (ví dụ: TiO₂) được lắng đọng trên một chất nền dẫn điện trong suốt. Màng mỏng oxit kim loại đạt được hiệu suất chuyển đổi quang điện thông qua sự hấp thụ photon bởi các chất nhuộm nhạy sáng. MOF và các dẫn xuất của chúng đảm nhiệm nhiều chức năng trong điện cực quang: chúng có thể hoạt động như chất nhạy sáng, chất hấp phụ chất nhuộm bán dẫn hoặc lớp tán xạ ánh sáng. Ví dụ, sự kết hợp giữa MOF MIL-125 (Ti) và MoS₂ đã chứng minh hiệu suất chuyển đổi quang điện vượt trội là 8,96%, vượt xa đáng kể so với TiO₂ nguyên chất (4,41%).

Điện cực đối được cấu tạo từ một lớp xúc tác được lắng đọng trên chất nền dẫn điện, có chức năng xúc tác quá trình tái tạo các cặp oxy hóa khử trong chất điện giải. Bạch kim (Pt) hiện là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho điện cực đối, nhưng chi phí cao của nó cản trở việc ứng dụng trên quy mô lớn. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các vật liệu composite MOF làm chất thay thế cho điện cực đối dựa trên Pt. Ví dụ, cacbon hóa MOF Zif-8 Trong môi trường khí nitơ, việc điều chế thành công vật liệu ZnO-Nitrogen-Doped Carbon (ZnO-NC) đã tạo ra các vật liệu này. Những vật liệu này thể hiện hoạt tính xúc tác tuyệt vời, cho phép đạt hiệu suất pin mặt trời 9,16%—cao hơn khoảng 20% ​​so với điện cực đối Pt truyền thống. Quan trọng hơn, Công ty TNHH Vật liệu Mới Quảng Đông Tanyu đã đạt được sản xuất hàng loạt các vật liệu MOF này với chi phí có thể kiểm soát được. Ứng dụng của chúng trong sản xuất điện cực đối cho phép cải thiện hiệu suất đáng kể mà không làm tăng chi phí đáng kể.

Chất điện phân thường chứa các cặp oxy hóa khử I⁻/I₃⁻, giúp khử các phân tử thuốc nhuộm trở lại trạng thái cơ bản sau khi hấp thụ photon, từ đó tái tạo vật liệu quang hoạt. Trong DSSC, MOF được sử dụng rộng rãi làm chất phụ gia trong chất điện phân để chế tạo chất điện phân bán rắn, tăng cường độ ổn định lâu dài.

Vật liệu perovskite đã tạo ra những bước đột phá đáng kể trong hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời perovskite (PVSC), vượt quá 23%. Tuy nhiên, việc thương mại hóa PVSC vẫn bị hạn chế bởi độ ổn định lâu dài kém. Vật liệu perovskite dễ bị suy thoái khi tiếp xúc với độ ẩm, oxy, nhiệt và ánh sáng - một trở ngại đã cản trở việc ứng dụng rộng rãi chúng.

Các cấu hình kết cấu phổ biến của pin mặt trời perovskite được minh họa bên dưới:

MOF có ba ứng dụng chính trong PVSC:

Trong lớp vận chuyển điện tích, MOF đóng nhiều vai trò. Ví dụ, MOF có thể hoạt động như khung vi xốp để điều chỉnh sự phát triển của lớp perovskite và cải thiện tiếp xúc giao diện. Các chức năng khác bao gồm lọc tia cực tím, tán xạ ánh sáng và hiệu ứng quang sắc. Khi được tích hợp vào lớp vận chuyển điện tích (CTL), MOF thúc đẩy hiệu quả sự sắp xếp giao diện và nâng cao chất lượng lớp. Nhìn chung, việc ứng dụng MOF trong PVSC giúp cải thiện hiệu suất trích xuất điện tích, ngăn chặn sự tái kết hợp điện tích, từ đó tăng cường độ ổn định của thiết bị.

Trong một nghiên cứu gần đây, việc ứng dụng các hạt khung kim loại hữu cơ gốc nano titan (nTi-MOF) trong pin mặt trời perovskite dẻo đã được khám phá. Một lớp PCBM được phủ lên lớp nTi-MOF, tạo ra hiệu ứng hiệp đồng giúp cải thiện hơn nữa hiệu suất của lớp vận chuyển điện tử (ETL). Kết quả cho thấy hiệu suất đáng kể là 18,94% - cao nhất được báo cáo đối với pin mặt trời perovskite tích hợp MOF. Hơn nữa, thiết bị vẫn duy trì hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 17,43% sau 700 chu kỳ uốn cong, chứng tỏ độ ổn định quang học vượt trội so với các thiết bị dựa trên TiO₂ thông thường.

Là một nhóm vật liệu đầy triển vọng, MOF và các vật liệu composite gốc MOF không chỉ giúp tăng cường đáng kể hiệu quả và độ ổn định của các thiết bị chuyển đổi năng lượng như pin mặt trời hữu cơ-vô cơ mà còn cung cấp các công nghệ sản xuất tiện lợi và các đặc tính lý hóa có thể điều chỉnh được. Thông qua việc thiết kế cẩn thận cấu trúc khung của chúng, chúng ta có thể điều chỉnh hiệu suất của chúng cho các ứng dụng cụ thể, từ đó thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của công nghệ pin mặt trời.