Эти прочные, гибкие солнечные элементы, которые намного тоньше человеческого волоса, приклеены к прочной, легкой ткани, что позволяет легко устанавливать их на неподвижную поверхность. Они могут обеспечивать энергией на ходу в качестве носимого источника питания или транспортироваться и быстро развертываться в отдаленных местах для оказания помощи в чрезвычайных ситуациях. Они весят одну сотую обычных солнечных панелей, вырабатывают в 18 раз больше энергии на килограмм и изготавливаются из полупроводниковых чернил с использованием процессов печати, которые в будущем могут быть масштабированы для производства на больших площадях.

Поскольку они такие тонкие и легкие, эти солнечные элементы могут быть нанесены на множество различных поверхностей. Например, они могут быть встроены в паруса лодки для обеспечения энергией во время плавания, прикреплены к палаткам и брезенту, которые используются при операциях по восстановлению после стихийных бедствий, или нанесены на крылья беспилотных летательных аппаратов, чтобы увеличить дальность их полета. Эта легкая солнечная технология может быть легко интегрирована в застроенные помещения с минимальными потребностями в установке.

"Показатели, используемые для оценки новой технологии солнечных элементов, как правило, ограничены их эффективностью преобразования энергии и их стоимостью в долларах за ватт. Не менее важна интегрируемость - легкость, с которой новая технология может быть адаптирована. Легкие солнечные ткани обеспечивают интегрируемость, придавая импульс текущей работе. Мы стремимся ускорить внедрение солнечной энергии, учитывая нынешнюю острую необходимость в внедрении новых безуглеродных источников энергии", - говорит Владимир Булович, заведующий кафедрой новых технологий Фариборз Масих, руководитель лаборатории органической и наноструктурированной электроники (ONE Lab), директор MIT.nano и старший автор нового документ с описанием работы.

К Буловичу в работе над статьей присоединились соавторы Маюран Сараванапаванантам, аспирант Массачусетского технологического института по электротехнике и информатике, и Иеремия Мваура, научный сотрудник Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института. Исследование опубликовано сегодня в Небольшие методы.

Уменьшенная солнечная энергия

Традиционные кремниевые солнечные элементы хрупки, поэтому они должны быть заключены в стекло и упакованы в тяжелую, толстую алюминиевую раму, что ограничивает место и способ их установки.

Шесть лет назад команда ONE Lab изготовила солнечные элементы, используя новый класс тонкопленочных материалов, которые были настолько легкими, что могли помещаться поверх мыльного пузыря. Но эти ультратонкие солнечные элементы были изготовлены с использованием сложных вакуумных процессов, которые могут быть дорогостоящими и сложными в масштабировании.

В этой работе они намеревались разработать тонкопленочные солнечные элементы, полностью пригодные для печати, с использованием материалов на основе чернил и масштабируемых технологий изготовления.

Для изготовления солнечных элементов они используют наноматериалы, которые имеют форму электронных чернил, пригодных для печати. Работая в чистом помещении MIT.nano, они покрывают структуру солнечного элемента с помощью устройства для нанесения покрытий с прорезями, которое наносит слои электронных материалов на подготовленную съемную подложку толщиной всего 3 микрона. Используя трафаретную печать (метод, аналогичный тому, как рисунки наносятся на футболки с шелкографией), на конструкцию наносится электрод для завершения солнечного модуля.

Затем исследователи могут отделить печатный модуль толщиной около 15 микрон от пластиковой подложки, образуя сверхлегкое солнечное устройство.

Но такие тонкие отдельно стоящие солнечные модули сложны в обращении и могут легко порваться, что затруднит их развертывание. Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института искала легкую, гибкую и высокопрочную подложку, на которую можно было бы прикрепить солнечные элементы. Они определили ткани как оптимальное решение, поскольку они обеспечивают механическую устойчивость и гибкость при небольшом дополнительном весе.

Они нашли идеальный материал - композитную ткань, которая весит всего 13 граммов на квадратный метр, коммерчески известную как Dyneema. Эта ткань изготовлена из волокон, которые настолько прочны, что их использовали в качестве канатов для подъема затонувшего круизного лайнера Costa Concordia со дна Средиземного моря. Добавляя слой отверждаемого УФ-излучением клея толщиной всего в несколько микрон, они приклеивают солнечные модули к листам этой ткани. Это формирует сверхлегкую и механически прочную солнечную конструкцию.

"Хотя может показаться проще просто напечатать солнечные элементы непосредственно на ткани, это ограничило бы выбор возможных тканей или других приемных 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 Сараванапаванантам.

Затмение обычных солнечных элементов

Когда они протестировали устройство, исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что оно может генерировать 730 ватт энергии на килограмм в автономном режиме и около 370 ватт на килограмм, если использовать высокопрочную ткань Dyneema, что примерно в 18 раз больше энергии на килограмм, чем у обычных солнечных элементов.

"Типичная солнечная установка на крыше в Массачусетсе составляет около 8000 Вт. Чтобы генерировать такое же количество энергии, наша тканевая фотоэлектрическая система добавила бы к крыше дома всего около 20 килограммов (44 фунта)", - говорит он.

Они также проверили долговечность своих устройств и обнаружили, что даже после скручивания и разворачивания тканевой солнечной панели более 500 раз элементы по-прежнему сохраняют более 90 процентов своих первоначальных возможностей по выработке энергии.

Хотя их солнечные элементы намного легче и гораздо более гибкие, чем традиционные элементы, они должны быть заключены в другой материал, чтобы защитить их от воздействия окружающей среды. Органический материал на основе углерода, используемый для изготовления ячеек, может быть модифицирован путем взаимодействия с влагой и кислородом в воздухе, что может ухудшить их производительность.

"Упаковка этих солнечных элементов в толстое стекло, как это обычно бывает с традиционными кремниевыми солнечными элементами, сведет к минимуму ценность нынешнего усовершенствования, поэтому в настоящее время команда разрабатывает ультратонкие упаковочные решения, которые лишь незначительно увеличат вес нынешних сверхлегких устройств", - говорит Мваура.

"Мы работаем над тем, чтобы удалить как можно больше материала, не связанного с солнечной активностью, сохраняя при этом форм-фактор и производительность этих сверхлегких и гибких солнечных конструкций. Например, мы знаем, что производственный процесс может быть дополнительно упрощен за счет печати съемных подложек, что эквивалентно процессу, который мы используем для изготовления других слоев в нашем устройстве. Это ускорило бы вывод этой технологии на рынок", - добавляет он.

Это исследование частично финансируется Энергетической инициативой Массачусетского технологического института, Национальным научным фондом США и Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады.

Видео: https://youtu.be/TS9ADU0oc50