Тонкопленочные солнечные элементы весят примерно в 100 раз меньше, чем обычные солнечные батареи, при этом производят примерно в 18 раз больше энергии на килограмм веса. Группа исследователей разработала новый метод производства ультратонких и легких солнечных элементов, которые можно легко интегрировать на любую поверхность. Новые сверхлегкие тканевые солнечные элементы, которые могут легко и быстро превратить любую поверхность в источник энергии. Исследование было опубликовано в журнале Small Methods.
Элементы, которые намного тоньше человеческого волоса, приклеены к прочной и легкой ткани, что упрощает их установку на неподвижную поверхность. Они могут обеспечивать энергией в качестве носимой энергетической ткани, их можно быстро разворачивать в удаленных местах для оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. Они в 100 раз легче обычных солнечных панелей, генерируют в 18 раз больше энергии на килограмм и изготавливаются из полупроводниковых чернил с использованием процессов печати, которые в будущем можно масштабировать на большие площади ткани.
Солнечные элементы можно ламинировать на самые разные поверхности. Например, они могут быть интегрированы в паруса лодки для обеспечения питания в море, прикреплены к палаткам и брезентам или установлены на крыльях дронов для увеличения дальности их полета. Технология может быть легко интегрирована в застроенную среду с минимальными требованиями к установке.
Традиционные кремниевые солнечные элементы хрупки, поэтому они должны быть заключены в стеклянный корпус и упакованы в тяжелую толстую алюминиевую раму, что ограничивает возможности их установки.
Для производства солнечных элементов используются наноматериалы в виде электронных чернил, пригодных для печати. Работая в «чистой комнате» MIT.nano, исследователи создавали структуру солнечного элемента с помощью устройства для нанесения покрытий, которое наносит методом трафаретной печати слои электронных материалов на подготовленную съемную подложку толщиной всего 3 микрона.
Затем от подложки отделялся печатный модуль толщиной около 15 мн.
Со столь тонкими автономными солнечными модулями сложно обращаться – они могут легко порваться. Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института искала легкую, гибкую и высокопрочную подложку для солнечных элементов. Они определили ткани как оптимальное решение, поскольку они обеспечивают механическую устойчивость и гибкость не добавляя много веса.
Инженеры нашли идеальный материал – композитную ткань весом всего 13 г на квадратный метр, известную как Dyneema. Эта ткань изготовлена из настолько прочных волокон, что их использовали в качестве канатов для подъема затонувшего круизного лайнера Costa Concordia со дна Средиземного моря. Добавляя слой клея, затвердевающего под ультрафиолетовым излучением, толщиной всего несколько микрон, солнечные модули прикрепили к листам этой ткани.
«Хотя может показаться проще просто напечатать солнечные элементы прямо на ткани, это ограничит выбор возможных тканей или других принимающих поверхностей теми, которые химически и термически совместимы со всеми этапами обработки, необходимыми для изготовления устройств. Наш подход отделяет производство солнечных элементов от их окончательной интеграции», — объясняет соавтор исследования Маюран Сараванапаванантам, аспирант Массачусетского технологического института по электротехнике и информатике.
Тестовое энергогенерирующее устройство, собранное учеными, может вырабатывать 730 Вт энергии на килограмм само по себе, и около 370 Вт на кг при нанесении на ткань Dyneema. Это примерно в 18 раз больше показателя на единицу массы у используемых сейчас солнечных элементов.
«Типичная солнечная установка на крыше в Массачусетсе имеет мощность около 8000 Вт. Чтобы генерировать такое же количество энергии, наши тканевые фотогальваники добавят всего около 20 кг покрытия на крышу дома».
Даже после скручивания и раскручивания тканевой солнечной панели более 500 раз элементы по-прежнему сохраняют более 90% своих первоначальной выработки энергии.
Хотя новые солнечные элементы намного легче и гораздо более гибкие, чем традиционные элементы, они должны быть заключены в другой материал, чтобы защитить их от окружающей среды. Органический материал на основе углерода, используемый для изготовления элементов, может модифицироваться при взаимодействии с влагой и кислородом воздуха, что может ухудшить их работу.
«Закрытие этих солнечных элементов тяжелым стеклом, как это принято в традиционных кремниевых солнечных элементах, сведет к минимуму ценность нынешнего достижения, поэтому в настоящее время команда разрабатывает решения для ультратонкой упаковки, которые лишь незначительно увеличат вес нынешних сверхлегких устройств. Мы работаем над тем, чтобы удалить как можно больше материала, не обладающего солнечной активностью, при этом сохранив форм-фактор и характеристики этих сверхлегких и гибких солнечных структур. Например, мы знаем, что производственный процесс можно еще больше упростить, напечатав съемные подложки, что эквивалентно процессу, который мы используем для изготовления других слоев нашего устройства. Это ускорит вывод этой технологии на рынок».
Исследование финансировалось Энергетической инициативой Массачусетского технологического института, Национальным научным фондом США и Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям.
Источник: SciTechDaily