Massachusetts Institute of Technology
Raziskovalci so razvili razširljivo tehniko izdelave ultratankih in lahkih sončnih celic, ki jih je mogoče nemoteno dodati na katero koli površino.
Inženirji na MIT so razvili ultralahke sončne celice iz materiala, ki lahko hitro in enostavno spremeni vsako površino v vir energije. Te trpežne in prožne sončne celice, ki so veliko tanjše od človeškega lasu, so prilepljene na močno in lahko tkanino, zato jih je enostavno namestiti na fiksno površino. Kot nosljiva tkanina za napajanje lahko zagotavljajo energijo na poti ali pa jih je mogoče prevažati in hitro namestiti na oddaljenih lokacijah za pomoč v nujnih primerih. Tehtajo stotinko manj od običajnih solarnih panelov, proizvedejo 18-krat več energije na kilogram in so izdelane iz polprevodniških črnil s postopki tiskanja, ki jih je v prihodnosti mogoče razširiti na proizvodnjo na velikih površinah. Ker so te sončne celice tako tanke in lahke, jih je mogoče laminirati na različne površine. Lahko bi jih na primer vgradili v jadra čolna, da bi zagotovili energijo na morju, prilepili na šotore in ponjave, ki se uporabljajo pri odpravljanju posledic naravnih nesreč, ali pa jih namestili na krila brezpilotnih letal, da bi podaljšali njihov doseg. Ta lahka sončna tehnologija se lahko zlahka vključi v grajena okolja z minimalno potrebo po namestitvi.
“Merila, ki se uporabljajo za ocenjevanje nove tehnologije sončnih celic, so običajno omejena na učinkovitost pretvorbe energije in ceno v dolarjih na vat. Enako pomembna je tudi integriranost – enostavnost prilagoditve nove tehnologije. Lahke solarne tkanine omogočajo integracijo, kar je spodbuda za to delo. Prizadevamo si, da bi pospešili sprejetje sončnih tkanin, saj trenutno nujno potrebujemo nove vire energije brez ogljika,” pravi Vladimir Bulović, predstojnik katedre Fariborz Maseeh za nastajajoče tehnologije, vodja laboratorija za organsko in nanostrukturirano elektroniko (ONE Lab), direktor MIT.nano in glavni avtor novega članka [1], v katerem je opisano to delo. Soavtorja Bulovićevem članku sta še Mayuran Saravanapavanantham, podiplomski študent elektrotehnike in računalništva na MIT, in Jeremiah Mwaura, raziskovalec v Raziskovalnem laboratoriju za elektroniko na MIT. Raziskava je bila objavljena v reviji Small Methods.
Stanjšani sončni paneli
Tradicionalne silicijeve sončne celice so krhke, zato jih je treba zapreti v steklo in zapakirati v težke in debele aluminijaste okvirje, kar omejuje njihovo namestitev in način uporabe. Pred šestimi leti je ekipa laboratorija ONE Lab izdelala sončne celice z uporabo novega razreda tankoplastnih materialov, ki so bile tako lahke, da so se obdržale na vrhu milnega mehurčka [2]. Vendar so bile te ultratanke sončne celice izdelane s kompleksnimi postopki v vakuumu, ki so lahko dragi in jih je težko uporabiti v masovni proizvodnji. V tem delu so se odločili razviti tankoplastne sončne celice, ki jih je mogoče v celoti natisniti, pri čemer so uporabili materiale na osnovi črnila in razširljive tehnike izdelave. Za izdelavo sončnih celic uporabljajo nanomateriale, ki so v obliki elektronskih črnil, ki jih je mogoče natisniti. V čisti sobi MIT.nano [3] premažejo strukturo sončne celice z napravo za premazovanje z režami, ki nanese plasti elektronskih materialov na pripravljeno, odstranljivo podlago, debelo le 3 mikrone. S sitotiskom (tehnika, podobna tehniki dodajanja vzorcev na majice s sitotiskom) na strukturo nanesejo elektrodo, s katero dokončajo solarni modul. Raziskovalci lahko natisnjen modul, ki je debel približno 15 mikronov, nato odlepijo s plastične podlage in oblikujejo ultralahko solarno celico. Vendar je s takšnimi tankimi samostojnimi solarnimi moduli težko ravnati, zlahka se strgajo, kar otežuje njihovo uporabo. Da bi rešili ta izziv, je ekipa MIT poiskala lahek, prožen in zelo trpežen substrat, na katerega bi lahko prilepili sončne celice. Kot optimalno rešitev so prepoznali tkanine, ki zagotavljajo mehansko odpornost in prožnost ob majhni dodatni teži. Našli so idealen material – kompozitno tkanino, ki tehta le 13 gramov na kvadratni meter in je komercialno znana pod imenom Dyneema. Ta tkanina je izdelana iz vlaken, ki so tako močna, da so jih uporabili kot vrvi za dvig potopljene potniške ladje Costa Concordia z dna Sredozemskega morja. Solarni moduli so z nanosom le nekaj mikronov debelega lepila, ki se utrjuje z UV-žarki, pritrjeni na plasti te tkanine. Tako nastane izjemno lahka in mehansko trdna solarna struktura. “Čeprav se zdi enostavneje sončne celice natisniti neposredno na tkanino, bi to omejilo izbor možnih tkanin ali drugih sprejemnih površin na tiste, ki so kemično in toplotno združljive z vsemi postopki obdelave, potrebnimi za izdelavo naprav. Naš pristop ločuje proizvodnjo sončnih celic od njihove končne integracije,” pojasnjuje Saravanapavanantham.
Prekašajo običajne sončne celice
Pri testiranju celic so raziskovalci MIT ugotovili, da lahko ustvari 730 vatov energije na kilogram, če stoji prosto, in približno 370 vatov na kilogram, če je nameščena na tkanini Dyneema visoke trdnosti, kar je približno 18-krat več energije na kilogram kot običajne sončne celice. “Tipična strešna sončna elektrarna v Massachusettsu ima približno 8000 vatov. Za proizvodnjo enake količine energije bi naša fotovoltaika iz tkanin na streho hiše dodala le približno 20 kilogramov,” pravi. Preizkusili so tudi trajnost svojih celic in ugotovili, da so tudi po več kot 500-kratnem zvijanju in odvijanju sončne celice iz blaga ohranile več kot 90 odstotkov svojih začetnih zmogljivosti za proizvodnjo energije. Čeprav so njihove sončne celice veliko lažje in prožnejše od običajnih, bi jih bilo treba za zaščito pred okoljem obdati z drugim materialom. Organski material na osnovi ogljika, ki se uporablja za izdelavo celic, bi se lahko spremenil zaradi interakcije z vlago in kisikom v zraku, kar bi lahko poslabšalo njihovo delovanje. “Če bi te sončne celice obdali s težkim steklom, kot je običajno pri tradicionalnih silicijevih sončnih celicah, bi zmanjšali vrednost sedanjega napredka, zato ekipa trenutno razvija ultratanke embalažne rešitve, ki bi le za malenkost povečale težo sedanjih ultra lahkih celic,” pravi Mwaura. “Prizadevamo si odstraniti čim več materiala, ki ne prispeva k generiranju energije, hkrati pa ohraniti obliko in zmogljivost teh ultralahkih in prožnih solarnih struktur. Vemo na primer, da je mogoče proizvodni postopek še dodatno poenostaviti s tiskanjem sproščenih podlag, ki je enakovredno postopku, ki ga uporabljamo za izdelavo drugih slojev v naši napravi. To bi pospešilo prenos te tehnologije na trg,” dodaja. To raziskavo delno financirajo družba Eni S.p.A. v okviru energetske pobude MIT, Nacionalna znanstvena fundacija ZDA ter Kanadski raziskovalni svet za naravoslovje in inženirstvo.
Viri:
https://doi.org/10.1002/smtd.202200940
https://news.mit.edu/2016/ultrathin-flexible-solar-cells-0226
https://mitnano.mit.edu/
Povzeto po:
https://news.mit.edu/2022/ultrathin-solar-cells-1209
Fotografija solarne celice (vir: MIT)
