MIT opracowuje ultracienkie ogniwa słoneczne

Energia słoneczna jest najobficiej występującym źródłem energii na świecie, a rozwój wydajnych i stabilnych ogniw słonecznych może znacząco złagodzić globalny kryzys energetyczny, a technologia ogniw słonecznych jest postrzegana jako kluczowy filar przejścia na czystą energię. W przyszłości ogniwa słoneczne będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w rozwoju technologicznym i życiu produkcyjnym, nie tylko na dachach i farmach fotowoltaicznych, ale także do zasilania zautomatyzowanych maszyn lotniczych, takich jak samoloty i satelity.

Wraz z rozwojem procesów wytwarzania półprzewodnikowych elementów elektronicznych na świecie pojawiło się niezwykle dużo badań nad ogniwami słonecznymi i szeroką gamą technologii wytwarzania. Wśród nich ultracienkie ogniwa słoneczne są wyjątkowo obiecujące w tej dziedzinie, ponieważ można je stosować na różnych nieregularnych, zakrzywionych lub w inny sposób nieodpowiednich powierzchniach i mogą zmniejszyć zużycie materiałów i wymagania produkcyjne, bezpośrednio obniżając koszty.

W niedawnym artykule opublikowanym w najnowszym numerze czasopisma Small Methods inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) twierdzą, że opracowali ultracienkie ogniwo słoneczne, które może szybko i łatwo zamienić dowolną powierzchnię w źródło zasilania. Ogniwo słoneczne, które jest cieńsze niż ludzki włos i przylega do kawałka materiału, waży zaledwie jedną setną konwencjonalnego panelu słonecznego, ale wytwarza 18 razy więcej energii elektrycznej na kilogram i można je zintegrować z żaglami łodzi, namiotami ratunkowymi i plandekami, skrzydła dronów i powierzchnie różnych budynków.

Typowa instalacja fotowoltaiczna na dachu w Massachusetts ma moc około 8,000 watów” — mówi Mayuran Saravanapavanantham, współautor artykułu. Aby wytworzyć taką samą ilość energii elektrycznej, nasza tkanina fotowoltaiczna wymaga jedynie około 20 kg ) do dodania na dach domu”.

Tworzenie ultracienkich ogniw słonecznych

Zespół MIT odpowiedzialny za tę technologię starał się opierać na swoich wcześniejszych postępach w materiałoznawstwie, aw 2016 roku ukończył ultracienkie ogniwo słoneczne, które jest wystarczająco ciężkie, aby usiąść na bańce mydlanej bez pękania. Tradycyjne techniki produkcji ogniw słonecznych wymagają komór próżniowych i kosztownych metod osadzania z fazy gazowej. Tym razem, aby zwiększyć skalę technologii, naukowcy zwrócili się ku drukowalnym nanomateriałom opartym na e-atramencie, aby uprościć proces.

Ultracienkie ogniwa słoneczne

W nano-czystym pomieszczeniu naukowcy użyli maszyny do powlekania ekstruzyjnego, aby nałożyć warstwy materiału nanoelektronicznego na podłoże o grubości 3 mikronów, a następnie wykonać sitodruk w celu wydrukowania elektrod i kompletnego modułu słonecznego, a następnie odkleić wydrukowany moduł, o grubości około 15 mikronów, z plastikowego podłoża, tworząc ultralekki moduł urządzenia słonecznego. Ale ten smukły, wolnostojący moduł słoneczny jest trudny w obsłudze i łatwo się rozrywa, co utrudnia jego rozmieszczenie.

W związku z tym naukowcy oderwali i przykleili moduł do podłoża z tkaniny, które zapewniało wytrzymałość mechaniczną potrzebną do zapobiegania rozdarciom. Lekkie, elastyczne podłoże, oparte na materiale kompozytowym Dyneema, waży zaledwie 13 gramów na metr kwadratowy i może przylegać do niego ogniwa słoneczne. Dodając warstwę kleju utwardzającego o grubości zaledwie kilku mikronów, moduły fotowoltaiczne można łączyć z Dyneema, uzyskując ultra lekką i solidną konstrukcję fotowoltaiczną.

Doskonała wydajność i szerokie perspektywy zastosowania

Ten trwały system tkaninowo-fotowoltaiczny ma grubość 50 mikronów i waży mniej niż 1 gram powierzchni modułu (co odpowiada gęstości powierzchniowej 105 g/m2). Testy eksperymentalne wykazały, że wolnostojące ultracienkie ogniwa słoneczne mogą wytwarzać 730 watów na kilogram, a jeśli są połączone z bardzo wytrzymałą tkaniną „Power Horse”, mogą również osiągnąć moc właściwą 370 watów na kilogram, 18 razy niż konwencjonalne ogniwa słoneczne. Integracja ultracienkich modułów z tkaniną kompozytową sprawia, że ​​są one mechanicznie elastyczne, a systemy fotowoltaiczne z tkaniny zachowują swoją wydajność po 500 cyklach zwijania, przy ponad 90 procentach początkowej zdolności wytwarzania energii. Ponadto tę metodę produkcji komórek można rozszerzyć, aby wytwarzać elastyczne komórki o większych powierzchniach.

Ilustracja: moduł OPV i oddzielne urządzenie Parylene. A) Zdjęcie gotowego modułu OPV na podłożu PET. B) Charakterystyki prądowo-napięciowe urządzenia sterującego (PET-IMI, PET-AgNW) i parylenu na urządzeniu PET przed i po odłączeniu od nośnika PET.

Ultracienkie ogniwa słoneczne dały impuls do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Ponieważ te ogniwa słoneczne są tak cienkie i lekkie, można je przymocować do wielu różnych powierzchni. Na przykład można je zintegrować z żaglami łodzi, aby zapewnić moc na morzu, przykleić do namiotów i plandek rozmieszczonych w operacjach ratowniczych lub zastosować na skrzydłach dronów, aby zwiększyć ich zasięg lotu. Ta lekka technologia słoneczna może być również łatwo zintegrowana ze środowiskiem zabudowanym i może mieć znaczący wpływ na przyszłe projektowanie i budowę branży budowlanej. Ponadto te przenośne ogniwa słoneczne mogą być zasilane w ruchu jako nadające się do noszenia konstrukcje zasilające lub mogą być transportowane i szybko rozmieszczane w odległych obszarach, aby zapewnić pomoc w sytuacjach awaryjnych.

Przyszłe wyzwania

Naukowcy twierdzą, że chociaż ich ogniwa słoneczne są lżejsze i bardziej elastyczne niż ogniwa konwencjonalne, muszą być zamknięte w innym materiale, aby chronić je przed środowiskiem. A materiał organiczny na bazie węgla użyty do wytworzenia tych komórek może zostać zmieniony poprzez interakcję z wilgocią i tlenem w powietrzu, co może zmniejszyć wydajność komórek.

Zdjęcie: Test ultracienkich ogniw słonecznych

Według Jeremiaha Mwaury, naukowca z Electronics Research Laboratory MIT, zamknięcie tych ogniw słonecznych w grubym szkle, co jest standardową praktyką w przypadku tradycyjnych krzemowych ogniw słonecznych, zminimalizowałoby wartość obecnych postępów, dlatego zespół opracowuje obecnie ultracienkie opakowanie rozwiązania mające na celu rozwiązanie problemu degradacji ogniw spowodowanej wpływem środowiska, które dodałyby ultralekkim urządzeniom jedynie ułamek masy.

Jeremiah Mwaura dodał: „Staramy się usunąć jak najwięcej materiału nieaktywnego energią słoneczną, zachowując jednocześnie formę i wydajność tych ultralekkich i elastycznych konstrukcji słonecznych. Wiemy na przykład, że proces produkcyjny może być bardziej uproszczone przez drukowanie rozdzielalnych podłoży, równoważne procesowi, którego używamy do wytwarzania innych warstw w naszych urządzeniach. Przyspieszy to przeniesienie tej technologii na rynek”.

Ponieważ poziom nauki i technologii stale się rozwija, odkrywanie i wykorzystywanie szerokiej gamy nowych materiałów, technologii i źródeł energii z pewnością będzie nadal napędzać rozwój zastosowań ogniw słonecznych. W niedalekiej przyszłości ultracienkie ogniwa słoneczne będą również tworzyć większą wartość dla społeczeństwa.