Inżynierowie z MIT opracowali ultralekkie ogniwa słoneczne z tkaniny, które mogą szybko i łatwo zamienić dowolną powierzchnię w źródło zasilania.
Te trwałe, elastyczne ogniwa słoneczne, które są znacznie cieńsze niż ludzki włos, są przyklejone do mocnego, lekkiego materiału, co ułatwia ich instalację na stałej powierzchni. Mogą dostarczać energię w ruchu jako nadająca się do noszenia sieć zasilająca lub być transportowane i szybko rozmieszczane w odległych lokalizacjach w celu udzielenia pomocy w sytuacjach awaryjnych. Ważą jedną setną konwencjonalnych paneli słonecznych, generują 18 razy więcej mocy na kilogram i są wykonane z półprzewodnikowych atramentów przy użyciu procesów drukowania, które w przyszłości mogą być skalowane do produkcji wielkopowierzchniowej.
Ponieważ są tak cienkie i lekkie, te ogniwa słoneczne można laminować na wielu różnych powierzchniach. Na przykład można je zintegrować z żaglami łodzi, aby zapewnić zasilanie na morzu, przykleić do namiotów i plandek używanych w operacjach ratowniczych lub umieścić na skrzydłach dronów, aby zwiększyć ich zasięg lotu. Ta lekka technologia solarna może być łatwo zintegrowana z zabudowanymi środowiskami przy minimalnych wymaganiach instalacyjnych.
„Metryki stosowane do oceny nowej technologii ogniw słonecznych są zwykle ograniczone do wydajności konwersji energii i kosztu wyrażonego w dolarach za wat. Równie ważna jest integracja – łatwość, z jaką można dostosować nową technologię. tkaniny umożliwiają integrację, zapewniając impuls do bieżących prac. 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 i Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), dyrektor MIT.nano i główny autor nowego artykułu opisującego tę pracę.
Do Bulovicia w artykule dołączają współprowadzący autorzy Mayuran Saravanapavanantham, absolwent elektrotechniki i informatyki na MIT; oraz Jeremiah Mwaura, naukowiec z MIT Research Laboratory of Electronics. Badanie zostało opublikowane dzisiaj w Small Methods.
Odchudzona energia słoneczna
Tradycyjne krzemowe ogniwa słoneczne są kruche, dlatego muszą być zamknięte w szkle i zapakowane w ciężkie, grube aluminiowe ramy, co ogranicza miejsce i sposób ich rozmieszczenia.
Sześć lat temu zespół ONE Lab wyprodukował ogniwa słoneczne przy użyciu nowej klasy materiałów cienkowarstwowych, które były tak lekkie, że można je było umieścić na bańce mydlanej. Ale te ultracienkie ogniwa słoneczne zostały wyprodukowane przy użyciu złożonych procesów opartych na próżni, których skalowanie może być kosztowne i trudne.
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 w postaci drukowalnych atramentów elektronicznych. Pracując w pomieszczeniu czystym MIT.nano, powlekają strukturę ogniwa słonecznego za pomocą powlekarki szczelinowej, która osadza warstwy materiałów elektronicznych na przygotowanym, usuwalnym podłożu o grubości zaledwie 3 mikronów. Za pomocą sitodruku (technika podobna do techniki dodawania wzorów do sitodrukowych T-shirtów) elektroda jest osadzana na strukturze w celu uzupełnienia modułu słonecznego.
Naukowcy mogą następnie odkleić wydrukowany moduł o grubości około 15 mikronów od plastikowego podłoża, tworząc ultralekkie urządzenie słoneczne.
Jednak takie cienkie, wolnostojące moduły słoneczne są trudne w obsłudze i mogą łatwo się rozerwać, co utrudniłoby ich rozmieszczenie. Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół MIT poszukiwał lekkiego, elastycznego i wytrzymałego podłoża, do którego mógłby przylegać ogniwa słoneczne. Zidentyfikowali tkaniny jako optymalne rozwiązanie, ponieważ zapewniają one odporność mechaniczną i elastyczność przy niewielkim dodanym ciężarze.
Znaleźli idealny materiał – tkaninę kompozytową, która waży zaledwie 13 gramów na metr kwadratowy, komercyjnie znaną jako Dyneema. Tkanina ta jest wykonana z włókien, które są tak mocne, że były używane jako liny do podnoszenia zatopionego statku wycieczkowego Costa Concordia z dna Morza Śródziemnego. Dodając warstwę utwardzanego promieniowaniem UV kleju o grubości zaledwie kilku mikronów, przyklejają moduły słoneczne do arkuszy tej tkaniny. Tworzy to ultralekką i wytrzymałą mechanicznie konstrukcję słoneczną.
„Chociaż może wydawać się prostsze wydrukowanie ogniw słonecznych bezpośrednio na tkaninie, ograniczyłoby to wybór możliwych tkanin lub innych powierzchni przyjmujących do tych, które są chemicznie i termicznie kompatybilne ze wszystkimi etapami przetwarzania potrzebnymi do wytworzenia urządzeń. podejście oddziela produkcję ogniw słonecznych od ich ostatecznej integracji” — wyjaśnia Saravanapavanantham.
Przyćmiewające konwencjonalne ogniwa słoneczne
Kiedy testowali urządzenie, naukowcy z MIT odkryli, że może generować 730 watów mocy na kilogram, gdy jest wolnostojące i około 370 watów na kilogram, jeśli jest rozmieszczone na bardzo wytrzymałej tkaninie Dyneema, co daje około 18 razy więcej mocy na kilogram niż konwencjonalne ogniwa słoneczne.
„Typowa instalacja fotowoltaiczna na dachu 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 panelu słonecznego z tkaniny ponad 500 razy, ogniwa nadal zachowały ponad 90 procent swoich początkowych zdolności wytwarzania energii.
Chociaż 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 używany do produkcji komórek może być modyfikowany poprzez interakcję z wilgocią i tlenem w powietrzu, co może pogorszyć ich działanie.
„Obudowa tych ogniw słonecznych w grubym szkle, jak to jest standardem w przypadku tradycyjnych krzemowych ogniw słonecznych, zminimalizowałaby wartość obecnego postępu, dlatego zespół opracowuje obecnie ultracienkie rozwiązania w zakresie opakowań, które tylko nieznacznie zwiększyłyby wagę obecnych ultralekkich urządzeń, – mówi Mwaura.
„Pracujemy nad usunięciem jak największej ilości materiału nieaktywnego w świetle słonecznym, przy jednoczesnym zachowaniu współczynnika kształtu i wydajności tych ultralekkich i elastycznych konstrukcji słonecznych. Wiemy na przykład, że proces produkcyjny można jeszcze bardziej usprawnić, drukując uwalniane podłoża, równoważne procesowi, którego używamy do wytwarzania innych warstw w naszym urządzeniu. Przyspieszyłoby to przeniesienie tej technologii na rynek” – dodaje.
Badania te są częściowo finansowane przez Inicjatywę Energetyczną MIT, amerykańską Narodową Fundację Nauki oraz Radę Nauk Przyrodniczych i Badań Inżynieryjnych Kanady.
Wideo: https://youtu.be/TS9ADU0oc50