综述：利用金属有机框架提升钙钛矿光伏器件的效率、稳定性及安全性

《Journal of Energy Chemistry》：Harnessing metal-organic frameworks to boost efficiency, stability, and safety in perovskite photovoltaics

本综述系统探讨了金属有机框架（MOFs）在解决钙钛矿太阳能电池（PSCs）关键挑战中的应用。MOFs凭借其可调控的孔结构、高比表面积及功能性基团，通过增强电荷传输、钝化界面缺陷、引导钙钛矿结晶、提升器件稳定性（耐湿/热/光）并有效固定铅离子（Pb2+），为PSCs的效率提升（认证效率>27%）、环境安全性优化提供了多功能的解决方案，推动其商业化进程。

　　

概述

自钙钛矿太阳能电池（PSCs）问世以来，这项突破性的光伏技术因其卓越的效率和快速的进展而备受关注。目前，单结PSCs的认证光电转换效率（PCE）已达到27.3%，接近传统带隙的Shockley-Queisser极限，可与单晶硅太阳能电池相媲美。然而，PSCs的商业化仍面临稳定性和安全性的严峻挑战。钙钛矿的软离子晶格在湿度、热量、光照和偏压条件下容易降解，导致器件性能迅速衰退。更严重的是，降解过程会释放出有毒的Pb²⁺离子，造成环境风险。因此，开发综合策略以系统性提升器件性能并解决现有问题至关重要。

近年来，将金属有机框架（MOFs）与PSCs集成已成为一种有前景的策略。MOFs是由金属离子或簇与有机配体配位形成的有序多孔网络材料，具有高可调性、大比表面积和良好的化学稳定性。本综述将深入探讨MOFs在PSCs中的多重作用机制。

增强电荷载流子传输

电荷载流子在决定PSCs性能方面起着至关重要的作用。MOFs可通过多种方式改善载流子传输。当被纳入电荷传输层（CTLs）时，MOFs可以形成介孔中间层，改善电子/空穴的提取，并抑制界面复合。MOF配体中的功能性基团（如–NH₂, –OH）能够钝化钙钛矿（PVK）与CTLs界面的缺陷态，减少载流子非辐射复合，从而促进更有效的电荷分离。此外，某些导电MOFs或MOF衍生材料本身具有较高的载流子迁移率，可直接参与电荷传输过程，提升器件整体性能。

界面工程与缺陷钝化

钙钛矿薄膜的晶界和界面处存在大量缺陷，这些缺陷是导致非辐射复合和器件不稳定的主要原因。MOFs巨大的比表面积为其与钙钛矿材料的充分接触提供了条件。MOF结构中的不饱和金属位点或有机配体上的官能团能够与钙钛矿中的未配位离子（如Pb²⁺、I^-）发生相互作用，有效钝化这些缺陷，降低陷阱态密度。这有助于获得更高质量的钙钛矿薄膜，减少载流子损失，进而提升开路电压和填充因子。

调控钙钛矿结晶

高质量的钙钛矿薄膜是高性能器件的基础。MOFs在钙钛矿结晶过程中可作为多孔模板。其规整的孔道结构能够限制钙钛矿前驱体溶液的流动和晶体生长方向，促进形成更大晶粒、更均匀的钙钛矿薄膜。这种受控的结晶过程有助于减少针孔和晶界，从而增强薄膜的致密性和光电性能。不同孔径和功能的MOFs可以对结晶动力学产生特异性影响，为实现理想的薄膜形貌提供了调控手段。

提升器件稳定性

PSCs的 operational 稳定性是其商业化的核心瓶颈。MOFs可通过物理屏蔽和化学作用显著增强器件的耐久性。疏水性的MOFs可以作为保护层覆盖在钙钛矿活性层上，有效阻挡环境中水分的侵入。一些具有紫外光吸收能力的MOFs可以滤除太阳光中有害的UV成分，减轻光照对钙钛矿材料的分解作用。MOFs本身良好的热稳定性也有助于器件在热应力下保持结构完整。

铅固定化

为了解决铅泄漏的环境安全问题，MOFs展现了独特优势。许多MOFs的有机配体上含有诸如硫基（–SH）、氨基（–NH₂）、羧基（–COOH）等对重金属离子有强配位能力的官能团。当钙钛矿薄膜发生降解时，释放出的Pb²⁺离子会被这些MOFs有效捕获并固定在其孔道内，从而大大减少铅向环境中的泄漏，提高PSCs技术的环境相容性。

结论与未来展望

MOFs与PSCs的融合为同时解决效率、稳定性和毒性这三大挑战提供了多功能平台。通过对过去十年中应用于PSCs的MOF配体进行分析，发现BDC、BTC和2-MIM是使用最广泛的配体，其上的–NH₂、–OH和–SH等官能团被证明能有效钝化PSCs。未来研究可关注开发新型多功能MOFs、优化集成工艺以及深入理解MOF与钙钛矿界面的原子级相互作用，从而进一步推动MOF-enabled钙钛矿光伏技术的发展。