MIT vyvíjí ultratenké solární články

Solární energie je nejrozšířenějším zdrojem energie na světě a vývoj účinných a stabilních solárních článků může významně zmírnit globální energetickou krizi a technologie solárních článků je považována za klíčový pilíř přechodu na čistou energii. V budoucnu budou solární články hrát stále důležitější roli v technologickém vývoji a životnosti nejen pro střechy a solární farmy, ale také pro napájení automatizovaných leteckých strojů, jako jsou letadla a satelity.

Spolu s vývojem výrobních procesů pro polovodičové elektronické součástky svět zaznamenal mimořádné množství výzkumu v oblasti solárních článků a široké škály výrobních technologií. Mezi nimi jsou solární články s ultratenkými články jedinečným příslibem v této oblasti, protože je lze aplikovat na různé nepravidelné, zakřivené nebo jinak nevhodné povrchy a mohou snížit spotřebu materiálu a výrobní požadavky, což přímo snižuje náklady.

V nedávném článku publikovaném v posledním čísle časopisu Small Methods inženýři z Massachusettského technologického institutu (MIT) uvedli, že vyvinuli ultratenký solární článek, který dokáže rychle a snadno proměnit jakýkoli povrch ve zdroj energie. Solární článek, který je tenčí než lidský vlas a přilne ke kousku látky, váží pouze setinu běžného solárního panelu, ale produkuje 18krát více elektřiny na kilogram a lze jej integrovat do lodních plachet, stanů a plachet pro pomoc při katastrofách, křídla dronů a povrchy různých budov.

Typická střešní solární instalace v Massachusetts má asi 8,{1}} wattů,“ říká Mayuran Saravanapavanantham, spoluautor článku. Abychom vyrobili stejné množství elektřiny, naše látková fotovoltaická zařízení potřebuje pouze asi 20 kg (44 liber ), které mají být přidány na střechu domu."

Vytvoření ultratenkých solárních článků

Tým MIT stojící za technologií se snažil navázat na své předchozí pokroky ve vědě o materiálech a v roce 2016 dokončil ultratenký solární článek, který je dostatečně těžký, aby seděl na mýdlové bublině, aniž by se rozbil. Tradiční techniky výroby solárních článků vyžadují vakuové komory a drahé metody nanášení par. Tentokrát se vědci kvůli rozšíření technologie obrátili na tisknutelné nanomateriály založené na e-ink, aby proces zjednodušili.

Ultratenké solární články

V nano-čisté místnosti vědci použili vytlačovací potahovací zařízení k nanášení vrstev nanoelektronického materiálu na substrát o tloušťce 3 mikrony, po kterém následoval sítotisk k vytištění elektrod a dokončení solárního modulu, po kterém následovalo odloupnutí tištěného modulu, který má tloušťku asi 15 mikronů, z plastového substrátu, aby vytvořil modul ultralehkého solárního zařízení. S tímto tenkým, samostatně stojícím solárním modulem se však obtížně manipuluje a snadno se roztrhne, což ztěžuje nasazení.

Výzkumníci proto sloupli a přilepili modul k látkovému substrátu, který poskytoval mechanickou pevnost potřebnou k zabránění roztržení. Lehký, flexibilní substrát, založený na kompozitním materiálu Dyneema, váží pouhých 13 gramů na metr čtvereční a dokáže k němu přilepit solární články. Přidáním vrstvy vytvrzovacího lepidla o tloušťce pouhých několika mikronů lze solární moduly přilepit k Dyneema, což má za následek ultralehkou a robustní solární strukturu.

Vynikající výkon a široké možnosti použití

Tento odolný látkový fotovoltaický systém má tloušťku 50 mikronů a váží méně než 1 gram plochy modulu (ekvivalent plošné hustoty 105 g/m2). Experimentální testy ukázaly, že samostatně stojící ultratenké solární články mohou produkovat 730 wattů na kilogram, a pokud jsou připojeny k vysoce pevné tkanině „Power Horse“, mohou také dosáhnout specifického výkonu 370 wattů na kilogram, což je 18krát. u konvenčních solárních článků. Integrace ultratenkých modulů do kompozitní tkaniny je činí mechanicky flexibilními a tyto látkové fotovoltaické systémy si zachovávají svůj výkon i po 500 cyklech navíjení s více než 90 procenty své původní kapacity pro výrobu energie. Kromě toho lze tento způsob výroby článků rozšířit na výrobu flexibilních článků s většími plochami.

Obrázek: Modul OPV a samostatné zařízení Parylene. A) Fotografie hotového OPV modulu na PET substrátu. B) Proudově-napěťová charakteristika řídicího zařízení (PET-IMI, PET-AgNW) a Parylen na PET zařízení před a po sejmutí z PET nosiče.

Ultratenké solární články daly impuls k hledání alternativních zdrojů energie. Protože jsou tyto solární články tak tenké a lehké, lze je připevnit na mnoho různých povrchů. Mohou být například integrovány do lodních plachet, aby poskytovaly energii na moři, přilepeny ke stanům a plachtám nasazeným při operacích obnovy po katastrofě nebo aplikovány na křídla dronů pro prodloužení jejich letového dosahu. Tato lehká solární technologie může být také snadno integrována do zastavěného prostředí a může mít významný dopad na budoucí design a konstrukci stavebnictví. Kromě toho mohou být tyto přenosné solární články napájeny jako nositelné energetické struktury na cestách nebo mohou být přepravovány a rychle rozmístěny v odlehlých oblastech, aby poskytovaly pomoc v nouzových situacích.

Budoucí výzvy

Vědci tvrdí, že ačkoli jsou jejich solární články lehčí a flexibilnější než běžné články, musí být obaleny jiným materiálem, aby byly chráněny před okolním prostředím. A organický materiál na bázi uhlíku používaný k výrobě těchto článků lze změnit interakcí s vlhkostí a kyslíkem ve vzduchu, což by mohlo snížit výkon buněk.

Foto: Testujeme ultratenké solární články

Podle Jeremiaha Mwaury, vědeckého pracovníka z Electronics Research Laboratory MIT, by zapouzdření těchto solárních článků do těžkého skla, jak je standardní praxí u tradičních křemíkových solárních článků, minimalizovalo hodnotu současných pokroků, takže tým v současné době vyvíjí ultratenké obaly. řešení pro řešení degradace článků vlivem vlivů na životní prostředí, která by přidala ultralehká zařízení jen o zlomek hmotnosti.

Jeremiah Mwaura dodal: "Snažíme se odstranit co nejvíce nesolárního aktivního materiálu, a přitom zachovat tvar a výkon těchto ultralehkých a flexibilních solárních struktur. Víme například, že výrobní proces může být dále zjednodušený tiskem uvolnitelných substrátů, což je ekvivalentní procesu, který používáme k výrobě ostatních vrstev v našich zařízeních. To urychlí přenos této technologie na trh.“

Vzhledem k tomu, že úroveň vědy a techniky se neustále vyvíjí, objevování a používání široké škály nových materiálů, technologií a zdrojů energie bude jistě i nadále pohánět vývoj aplikací solárních článků. Ultratenké solární články také v blízké budoucnosti vytvoří větší hodnotu pro společnost.