Cienkie jak papier ogniwo słoneczne może zmienić każdą powierzchnię w źródło zasilania
Naukowcy z MIT opracowali skalowalną technikę wytwarzania ultracienkich, lekkich ogniw słonecznych, które można przykleić do dowolnej powierzchni. Źródło: Melanie Gonick, MIT
Naukowcy opracowują skalowalną technikę wytwarzania ultracienkich, lekkich ogniw słonecznych, które można bezproblemowo dodać do dowolnej powierzchni.
(Ten artykuł został po raz pierwszy opublikowany w MIT News.)
Inżynierowie MIT opracowali ultralekkie ogniwa słoneczne z tkaniny, które mogą szybko i łatwo przekształcić każdą powierzchnię w źródło zasilania.
Te trwałe, elastyczne ogniwa słoneczne, które są znacznie cieńsze niż ludzki włos, są przyklejone do mocnej, lekkiej tkaniny, dzięki czemu można je łatwo zainstalować na stałej powierzchni. Mogą dostarczać energię w podróży jako nadająca się do noszenia tkanina zasilająca lub być transportowane i szybko wdrażane w odległych lokalizacjach w celu uzyskania pomocy w sytuacjach awaryjnych. Są one jedną setną wagi konwencjonalnych paneli słonecznych, generują 18 razy więcej mocy na kilogram i są wykonane z farb półprzewodnikowych przy użyciu procesów drukowania, które można skalować w przyszłości do produkcji wielkopowierzchniowej.
Ponieważ są tak cienkie i lekkie, te ogniwa słoneczne mogą być laminowane na wielu różnych powierzchniach. Na przykład można je zintegrować z żaglami łodzi, aby zapewnić zasilanie na morzu, przykleić do namiotów i plandek, które są rozmieszczone w operacjach odzyskiwania po awarii, lub zastosować na skrzydłach dronów, aby zwiększyć ich zasięg lotu. Ta lekka technologia słoneczna może być łatwo zintegrowana ze środowiskami budowlanymi przy minimalnych potrzebach instalacyjnych.
"Wskaźniki wykorzystywane do oceny nowej technologii ogniw słonecznych są zazwyczaj ograniczone do ich wydajności konwersji energii i kosztu w dolarach na wat. Równie ważna jest integralność – łatwość, z jaką można dostosować nową technologię. Lekkie tkaniny słoneczne umożliwiają integralność, zapewniając impuls do bieżącej pracy. Dążymy do przyspieszenia adopcji energii słonecznej, biorąc pod uwagę obecną pilną potrzebę wdrożenia nowych bezemisyjnych źródeł energii "- mówi Vladimir Bulović, Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, lider Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), dyrektor MIT.nano i starszy autor nowego artykułu opisującego pracę.
Do Bulovića dołączyli współautorzy Mayuran Saravanapavanantham, absolwent elektrotechniki i informatyki na MIT; oraz Jeremiah Mwaura, naukowiec z MIT Research Laboratory of Electronics. Badania zostały opublikowane dzisiaj w Small Methods.
Odchudzone słońce
Tradycyjne krzemowe ogniwa słoneczne są kruche, dlatego muszą być zamknięte w szkle i zapakowane w grubą, grubą aluminiową ramę, która ogranicza ich miejsce i sposób ich zastosowania.
Sześć lat temu zespół ONE Lab wyprodukował ogniwa słoneczne przy użyciu nowej klasy cienkowarstwowych materiałów, które były tak lekkie, że mogły usiąść na bańce mydlanej. Ale te ultracienkie ogniwa słoneczne zostały wyprodukowane przy użyciu złożonych procesów opartych na próżni, które mogą być kosztowne i trudne do zwiększenia.
W tej pracy postanowili opracować cienkowarstwowe ogniwa słoneczne, które można w całości drukować, przy użyciu materiałów na bazie atramentu i skalowalnych technik wytwarzania.
Do produkcji ogniw słonecznych wykorzystują nanomateriały, które mają postać drukowalnych atramentów elektronicznych. Pracując w pomieszczeniu czystym MIT.nano, pokrywają strukturę ogniwa słonecznego za pomocą powlekarki szczelinowej, która osadza warstwy materiałów elektronicznych na przygotowanym, możliwym do uwolnienia podłożu o grubości zaledwie 3 mikronów. Za pomocą sitodruku (technika podobna do tego, jak wzory są dodawane do sitodrukowanych koszulek), elektroda jest osadzana na strukturze, aby uzupełnić moduł słoneczny.
Naukowcy mogą następnie oderwać wydrukowany moduł, który ma grubość około 15 mikronów, z plastikowego podłoża, tworząc ultralekkie urządzenie słoneczne.
Ale takie cienkie, wolnostojące moduły słoneczne są trudne w obsłudze i mogą łatwo się rozerwać, co utrudniłoby ich wdrożenie. Aby rozwiązać to wyzwanie, zespół MIT poszukiwał lekkiego, elastycznego i wytrzymałego podłoża, do którego mogliby przylgnąć ogniwa słoneczne. Zidentyfikowali tkaniny jako optymalne rozwiązanie, ponieważ zapewniają mechaniczną sprężystość i elastyczność przy niewielkiej dodatkowej wadze.
Znaleźli idealny materiał - tkaninę kompozytową, która waży tylko 13 gramów na metr kwadratowy, znaną w handlu jako Dyneema. Tkanina ta wykonana jest z włókien, które są tak mocne, że zostały użyte jako liny do podniesienia zatopionego statku wycieczkowego Costa Concordia z dna Morza Śródziemnego. Dodając warstwę kleju utwardzanego promieniami UV, który ma grubość zaledwie kilku mikronów, przyklejają moduły słoneczne do arkuszy tej tkaniny. Tworzy to ultralekką i mechanicznie wytrzymałą strukturę słoneczną.
"Chociaż może się wydawać, że łatwiej jest wydrukować ogniwa słoneczne bezpośrednio na tkaninie, ograniczyłoby to wybór możliwych tkanin lub innych powierzchni odbiorczych do tych, które są chemicznie i termicznie kompatybilne ze wszystkimi etapami przetwarzania potrzebnymi do wytworzenia urządzeń. Nasze podejście oddziela produkcję ogniw słonecznych od ich ostatecznej integracji", wyjaśnia Saravanapavanantham.
Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne ważą około 100 razy mniej niż konwencjonalne ogniwa słoneczne, generując jednocześnie około 18 razy więcej energii na kilogram. Źródło: Melanie Gonick, MIT
Przyćmiewa konwencjonalne ogniwa słoneczne
Kiedy przetestowali urządzenie, naukowcy z MIT odkryli, że może ono generować 730 watów mocy na kilogram, gdy jest wolnostojące i około 370 watów na kilogram, jeśli zostanie rozmieszczone na tkaninie Dyneema o wysokiej wytrzymałości, która jest około 18 razy większa moc na kilogram niż konwencjonalne ogniwa słoneczne.
"Typowa dachowa instalacja słoneczna w Massachusetts ma około 8000 watów. Aby wygenerować taką samą ilość energii, nasza fotowoltaika z tkaniny dodałaby tylko około 20 kilogramów (44 funty) do dachu domu "- mówi
Przetestowali również trwałość swoich urządzeń i odkryli, że nawet po zwinięciu i rozwinięciu paneli słonecznych z tkaniny ponad 500 razy, ogniwa nadal zachowują ponad 90 procent swoich początkowych zdolności wytwarzania energii.
Podczas gdy ich ogniwa słoneczne są znacznie lżejsze i znacznie bardziej elastyczne niż tradycyjne ogniwa, musiałyby być zamknięte w innym materiale, aby chronić je przed środowiskiem. Materiał organiczny na bazie węgla użyty do wytworzenia komórek może być modyfikowany przez interakcję z wilgocią i tlenem w powietrzu, co może pogorszyć ich wydajność.
"Zamknięcie tych ogniw słonecznych w ciężkim szkle, jak to jest standardem w przypadku tradycyjnych krzemowych ogniw słonecznych, zminimalizowałoby wartość obecnego postępu, dlatego zespół opracowuje obecnie ultracienkie rozwiązania opakowaniowe, które tylko nieznacznie zwiększyłyby wagę obecnych ultralekkich urządzeń" - mówi Mwaura.
"Pracujemy nad usunięciem jak największej ilości nieaktywnego materiału słonecznego, zachowując jednocześnie współczynnik kształtu i wydajność tych ultralekkich i elastycznych struktur słonecznych. Na przykład wiemy, że proces produkcyjny można jeszcze bardziej usprawnić, drukując uwalniane podłoża, co odpowiada procesowi, którego używamy do wytwarzania innych warstw w naszym urządzeniu. Przyspieszyłoby to przełożenie tej technologii na rynek – dodaje.