太阳能电池在能源转化，存在何种必要性？其发展现状如何？

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利用自然存在的能源是未来实现碳中和社会不可或缺的解决方案。太阳中的太阳能是一种极其丰富的可再生绿色能源，可以提供足够的能量来满足整个世界的需求。

最大的挑战是开发具有成本效益的耐用材料，以实现太阳能到电力的高效转化。作为最有前途的能量收集装置光生伏打效应太阳能电池可以有效地将太阳光转化为电能，这项技术在最近几十年里发展迅速。

具有最佳性能的材料是各种太阳能电池实现高效太阳能驱动性能的关键。金属有机框架(MOFs)及其衍生物具有传统材料难以实现的形态、物理化学和半导体性质的巨大共生性，由于其内在的多孔结构、巨大的无机-有机性质和功能的奇妙多样性，在过去十年中被广泛探索用于能量储存和转换应用。

基于MOFs和衍生品光伏设备，尤其是太阳能电池，已经显示出在提高稳定性的同时增强太阳能到电能转换性能的非凡潜力。

本文综述了MOFs及其衍生物在包括染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池被系统地记录下来。

能源危机是人类目前面临的主要挑战之一。可再生能源，主要包括太阳能、潮汐能和风能，已经成为未来能源需求不可或缺的解决方案。在各种可再生能源中，太阳能因其零污染、无资源和经济的特点而成为最重要的能源。

太阳能电池是最容易获得的能量转换装置之一，可以将太阳能转换成实际可用的电能。然而，目前的太阳能电池由于其高成本、低效率和有限的规模还不能令人满意。如今，硅基太阳能电池是开发和商业化程度最高的光伏设备将太阳能转化为电能。

贝尔实验室于1954年开发出第一块硅基太阳能电池，效率为6%，现在报道的最高效率高达27.6%。尽管硅基太阳能电池在室外条件下工作良好，但在室内却变得低效，主要是因为它的带隙与室内照明光谱不匹配，室内照明的光强比室外太阳光弱300-3000倍。

其他新兴替代技术，包括染料敏化太阳能电池(DSSC), 钙钛矿太阳能电池(PSC)和有机太阳能电池(OSC)在过去的几年中引起了极大的关注，现在被认为是新一代的太阳能电池。

金属-有机骨架(MOFs)是一类通过金属离子和有机配体之间的化学相互作用形成的有趣的多孔材料。

MOFs可以提供大的比表面积、高孔隙率、可调节的孔道和可定制的功。它们已经在许多典型的多孔材料的应用，如气体吸附和储存，药物输送催化作用离子交换和分离，和传感。

此外，MOFs可以提供一个很好的平台，通过热转化生成各种纳米结构的MOF衍生物。MOF衍生物，例如多孔碳基材料、金属，金属氧化物, 金属硫族化物(金属硫化物和硒化物)、金属磷化物和金属碳化物以及各种碳基复合材料在包括催化、环境修复，光催化能量储存和转换。

然而，与传统应用相比，MOFs及其衍生物在光伏器件中的应用受到的关注相对较少，因此该领域的发展仍处于起步阶段。

自从2007年关于在完全设计的太阳能电池中使用MOFs作为活性材料的第一份报告以来通过优化基于MOFs的光阳极和对电极，已经投入了很多努力来提高DSSC的性能效率。

对MOF敏化太阳能电池的研究显示出快速增长，术语“MOFSC”和“MSSC”分别在2016年和2017年发表的论文中使用。

通常，MOFs不仅可以用作光阳极中的活性材料、主体、界面改性剂或前体，还可以用作活性位点或导电材料在反电极中。

此外，由于光电子的MOFs的性质可以通过控制组成金属离子和有机连接体来调节，最近，具有高化学和热稳定性的MOFs在PSC中的应用引起了相当大的关注。

MOFs和衍生物通常可在PSC中用作界面层(中间层)中的支撑体、电子和空穴传输材料，电子输运层、空穴传输层和异质结钙钛矿/MOF层。

然而，与在DSSC和PSC中使用MOF基和衍生材料的快速发展不同，在OSC中使用MOF的研究很少总的来说，MOFs及其衍生物在太阳能电池中的发展仍处于早期阶段，非常需要概述最近的进展并为MOFs和太阳能电池社区提供前景。

近年来，一些出版物部分综述了MOFs或MOF衍生物在太阳能电池中的应用。例如，2016年，Deep等人概述了配位聚合物和MOFs在光伏应用方面的进展在DSSC中使用MOF作为准固体电解质和反电极/工作电极，以及在钙钛矿评述了太阳能电池。

此外，其他论文部分综述了MOF衍生物在太阳能电池中的应用，如Verpoort等人对太阳能电池中MOF衍生材料的综述。然而，据我们所知，到目前为止，还没有专门的报告来提供对基于MOF和基于MOF的应用的关键分析和概述纳米材料这对于进一步设计和开发用于高效下一代太阳能电池的新型纳米材料至关重要。

考虑到该领域的快速发展，非常需要提供MOF及其衍生物在不同类型太阳能电池应用中的最新综合概述。此外，提供该领域的当前挑战和观点将有益于相关研究人员和社区。

在这篇综述中，我们分析和讨论了MOFs基材料及其衍生物在各种太阳能电池中的最新应用进展。本文共分为六个部分:首先简要概述了用于太阳能电池的金属氧化物薄膜及其衍生物的合成和工艺，然后介绍了不同太阳能电池的基本原理和主要组成部分，包括DSSC、PSC和OSC。

然后我们分析和总结了MOFs及其衍生物在不同太阳能电池中的应用现状。特别地，我们详细讨论了用作DSSC中的光阳极、电流电极或电解质，PSC中的界面层、电子传输层、空穴传输层或异质结，以及OSC中的MOFs及其衍生物的制备策略、组分和结构分析以及性能比较。

最后，我们提供了简短的总结和结束语，并讨论了未来发展的MOFs和太阳能电池应用衍生物的前景。合成及应用财政部近几十年来发展迅速，并且已经可以控制MOFs的表面积、孔隙率、网络拓扑，使得MOFs适合许多特定应用的要求。MOFs的合成由许多因素决定，包括金属离子和有机配体的性质，以及所用合成方法的类型。

过渡金属离子，尤其是周期表第一行的那些过渡金属元素，镧系元素，以及碱土金属离子已被广泛应用于金属有机薄膜的合成。这主要是因为它们的配位数多种多样，氧化状态和具有羧酸酯、膦酸酯或磺酸酯基团的典型有机配体材料被认为是三种代表性的配位配体。

通常，含有金属盐和有机溶剂在可控条件(即合成温度和时间)下与有机配体反应，形成靶向MOFs，反应时间从几小时到几天不等。溶剂的类型、合成温度、合成时间、金属盐和有机配体的浓度以及溶液的pH值可以调节结晶度、粒度和粒子形态在合成的MOFs中。

此外，替代的合成方法如微波辅助声化电化和机械化学还开发了减少合成时间和生产更小且均匀的MOF晶体的方法。影响MOFs形成的主要参数和MOFs的合成方法总结。

在第二步中，由钙钛矿光生的电子-空穴对然后被解离并提取成ETL和HTL，进一步产生光电流和光电压。PSC的光电性能取决于2载流子迁移率2钙钛矿的结构。

值得一提的是，钙钛矿层、HTL和ETL之间的空穴复合和电子复合是不可忽略的，这会对光电性能产生负面影。因此，提高电子-空穴对的产率，防止空穴或电子的复合是PSC研究的热点。

一组韩国科学家实现了25.7%的PSC高PCE，也获得了美国国家可再生能源实验室的认证。

目前，最高的PCE记录以31.3%的值超过了30%的效率屏障，这是通过硅基钙钛矿叠层太阳能电池实现的在OSC方面(-c)，有机材料被用作半导体来从太阳产生电力。OSC由有机化合物制成，可以溶解在墨水中并印刷在薄塑料上，使制造变得简单而经济。

诸如印刷的技术，3-旋涂和喷射沉积被用于制造OSC。OSCs的PCE最近已经提高到18%以上。这种OSC具有合理设计的活性层，包括新的宽带隙聚合物施主(PBQx-TF)和新的低带隙非富勒烯受主(eC9–2Cl)。

然而，与其他类型的太阳能电池相比，PCE的价值仍然相对较低。OSC的效率限制和长期稳定性仍然是其实际应用的重大障碍。

为了减轻单结OSC中的固有传输损耗和热化损耗(留在2c)中，具有互补吸收光谱的两种不同供体材料可以结合在单层装置中，或者用作连接在多功能串联OSCs中的两个单独的子电池的活性混合物。

集光层无疑在OSCs中起着最重要的作用，它可以是供体和受体材料的混合物，也可以是两个分开的供体和受体层。它可以吸收太阳光子并将其转化为自由载流子。

而且，一个3-光敏剂+或染料材料应具有的性质包括:( 1)发光性质，在被外部光激发后从激发态返回基态的过程中能发光；(2)吸收光谱中紫外-可见(UV-vis)和近红外(NIR)区域的覆盖范围，以及(3)最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)的适当值，以匹配光阳极和氧化还原。