MIT розробляє ультратонкі сонячні елементи

Сонячна енергія є найпоширенішим у світі джерелом енергії, і розробка ефективних і стабільних сонячних батарей може значно пом’якшити глобальну енергетичну кризу, а технологія сонячних батарей розглядається як ключова основа переходу до чистої енергії. У майбутньому сонячні батареї відіграватимуть усе більш важливу роль у технологічному розвитку та виробничому житті не лише для дахів і сонячних електростанцій, але й для живлення автоматизованих аерокосмічних машин, таких як літаки та супутники.

Разом із розвитком виробничих процесів для напівпровідникових електронних компонентів, у світі було проведено надзвичайну кількість досліджень сонячних батарей і широкого спектру виробничих технологій. Серед них сонячні батареї з ультратонкими осередками мають унікальну перспективу в цій галузі, оскільки їх можна застосовувати на різноманітних нерівних, вигнутих або іншим чином непридатних поверхнях і можуть зменшити споживання матеріалів і вимоги до виробництва, безпосередньо знижуючи витрати.

У нещодавній статті, опублікованій в останньому номері журналу Small Methods, інженери з Массачусетського технологічного інституту (MIT) кажуть, що вони розробили ультратонкий сонячний елемент, який може швидко та легко перетворити будь-яку поверхню на джерело енергії. Сонячна батарея, яка тонша за людську волосину і прикріплена до шматка тканини, важить лише соту частину звичайної сонячної панелі, але виробляє у 18 разів більше електроенергії на кілограм і може бути вбудована у вітрила човнів, намети для допомоги при стихійних лихах і брезенти, крила дронів і поверхні різних будівель.

Типова сонячна установка на даху в Массачусетсі має потужність близько 8,000 Вт", - каже Маюран Сараванапаванантхам, один із провідних авторів статті. Щоб виробити таку саму кількість електроенергії, нашій фотоелектричній панелі потрібно лише близько 20 кг (44 фунти). ) добудувати на даху будинку».

Створення ультратонких сонячних батарей

Команда Массачусетського технологічного інституту, яка розробила цю технологію, намагалася спиратися на свої попередні досягнення в матеріалознавстві, і в 2016 році вона розробила надтонкий сонячний елемент, який достатньо важкий, щоб сидіти на мильній бульбашці, не розбиваючись. Традиційні технології виробництва сонячних елементів вимагають вакуумних камер і дорогих методів осадження з парової фази. Цього разу, щоб розширити технологію, вчені звернулися до наноматеріалів для друку на основі електронних чорнил, щоб спростити процес.

Ультратонкі сонячні елементи

У наночистій кімнаті дослідники використовували екструзійний пристрій для нанесення покриття, щоб нанести шари наноелектронного матеріалу на підкладку товщиною 3 мікрони, після чого виконували трафаретний друк, щоб роздрукувати електроди та завершити сонячний модуль, а потім відшаровувати надрукований модуль, який має товщину близько 15 мікрон, з пластикової підкладки, щоб сформувати ультралегкий модуль сонячного пристрою. Але цей тонкий автономний сонячний модуль важко використовувати, він легко рветься, що ускладнює його розгортання.

Тому дослідники відклеїли та приклеїли модуль до тканинної підкладки, яка забезпечила механічну міцність, необхідну для запобігання розриву. Легка, гнучка підкладка на основі композитного матеріалу Dyneema важить лише 13 грамів на квадратний метр і може прикріпити до неї сонячні елементи. Додавши шар затверджуючого адгезиву товщиною лише кілька мікрон, сонячні модулі можна прикріпити до Dyneema, створюючи надлегку та міцну сонячну структуру.

Відмінна продуктивність і широкі перспективи застосування

Ця міцна тканинна фотоелектрична система має товщину 50 мікрон і важить менше 1 грама площі модуля (еквівалент площі щільності 105 г/м2). Експериментальні випробування показали, що автономні ультратонкі сонячні батареї можуть виробляти 730 Вт на кілограм, а якщо їх прикріпити до високоміцної тканини Power Horse, вони також можуть досягти питомої потужності 370 Вт на кілограм, у 18 разів що у звичайних сонячних батарей. Інтеграція надтонких модулів у композитну тканину робить їх механічно гнучкими, і ці тканинні фотоелектричні системи зберігають свою продуктивність після 500 циклів згортання, виробляючи понад 90 відсотків своєї початкової потужності генерації електроенергії. Крім того, цей метод виробництва клітин можна розширити для виробництва гнучких клітин з більшою площею.

Ілюстрація: модуль OPV і окремий пристрій Parylene. A) Фотографія завершеного модуля OPV на підкладці з ПЕТ. Б) Вольт-амперні характеристики контрольного пристрою (PET-IMI, PET-AgNW) і парилену на ПЕТ-пристрої до та після від’єднання від ПЕТ-носія.

Ультратонкі сонячні батареї дали поштовх для пошуку альтернативних джерел енергії. Оскільки ці сонячні батареї такі тонкі й легкі, їх можна прикріпити до різних поверхонь. Наприклад, їх можна інтегрувати у вітрила човнів, щоб забезпечити енергію в морі, прикріпити до наметів і брезентів, розгорнутих під час аварійно-відновлювальних операцій, або застосувати до крил дронів, щоб збільшити дальність їх польоту. Ця легка сонячна технологія також може бути легко інтегрована в архітектурне середовище та може мати значний вплив на майбутнє проектування та будівництво будівельної галузі. Крім того, ці портативні сонячні батареї можна отримувати живлення як переносні енергетичні конструкції в дорозі або їх можна транспортувати та швидко розгортати у віддалених районах для надання допомоги в надзвичайних ситуаціях.

Майбутні виклики

Дослідники кажуть, що, хоча їх сонячні батареї легші та гнучкіші, ніж звичайні батареї, їх потрібно помістити в інший матеріал, щоб захистити їх від навколишнього середовища. Органічний матеріал на основі вуглецю, який використовується для виготовлення цих клітин, може бути змінений шляхом взаємодії з вологою та киснем у повітрі, що може знизити ефективність клітин.

Фото: надтонкі сонячні елементи під час тестування

За словами Джеремії Мваури, дослідника Лабораторії досліджень електроніки Массачусетського технологічного інституту, розміщення цих сонячних елементів у щільному склі, як це є стандартною практикою для традиційних кремнієвих сонячних елементів, мінімізує цінність поточних досягнень, тому команда зараз розробляє ультратонку упаковку. рішення для усунення деградації клітин під впливом навколишнього середовища, які лише додадуть надлегкі пристрої лише на частку ваги.

Джеремія Мваура додав: «Ми намагаємося видалити якомога більше несонячного активного матеріалу, зберігаючи при цьому форму та продуктивність цих надлегких і гнучких сонячних конструкцій. Ми знаємо, наприклад, що виробничий процес може бути продовжений спрощується шляхом друку підкладок, що випускаються, еквівалентно процесу, який ми використовуємо для виготовлення інших шарів у наших пристроях. Це прискорить впровадження цієї технології на ринок».

У міру того, як рівень науки і техніки продовжує розвиватися, відкриття та використання широкого спектру нових матеріалів, технологій і джерел енергії, безсумнівно, продовжить стимулювати розвиток застосування сонячних батарей. Ультратонкі сонячні батареї також створять більшу цінність для суспільства в найближчому майбутньому.