麻省理工學(xué)院的工程師開(kāi)發(fā)出超輕織物太陽(yáng)能電池，可以快速輕松地將任何表面變成電源。今后，我們大城市的玻璃幕墻，如果貼上這些薄膜太陽(yáng)能光伏電池就能夠產(chǎn)生電力，那將解決建筑用電問(wèn)題，對實(shí)現碳中和的幫助也是巨大的。
這些耐用、靈活的太陽(yáng)能電池比人的頭發(fā)絲細得多，粘在堅固、輕便的織物上，使其易于安裝在固定表面上。它們可以作為可穿戴動(dòng)力織物在旅途中提供能量，或者被運輸并快速部署到偏遠地區以在緊急情況下提供幫助。它們的重量是傳統太陽(yáng)能電池板的百分之一，每公斤產(chǎn)生的功率是傳統太陽(yáng)能電池板的 1* 倍，并且由半導體油墨制成，采用未來(lái)可以擴展到大面積制造的印刷工藝。
由于它們又薄又輕，這些太陽(yáng)能電池可以層壓到許多不同的表面上。例如，它們可以集成到船帆上以在海上提供動(dòng)力，粘附在災難恢復行動(dòng)中部署的帳篷和防水布上，或應用于無(wú)人機的機翼以擴大其飛行范圍。這種輕型太陽(yáng)能技術(shù)可以輕松集成到建筑環(huán)境中，安裝需求極少。
“用于評估新太陽(yáng)能電池技術(shù)的指標通常僅限于它們的功率轉換效率和每瓦成本。同樣重要的是可集成性——適應新技術(shù)的難易程度。輕質(zhì)太陽(yáng)能織物可實(shí)現可集成性，為當前的工作提供動(dòng)力?？紤]到目前迫切需要部署新的無(wú)碳能源，我們努力加快太陽(yáng)能的采用，”Fariborz Maseeh 新興技術(shù)主席、有機和納米結構電子實(shí)驗室（ONE 實(shí)驗室）負責人 Vladimir Bulovi? 說(shuō)。 MIT.nano，以及描述這項工作的新論文的高級作者。
與 Bulovi? 一起撰寫(xiě)論文的還有麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)研究生 Mayuran Saravanapavanantham；和麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗室的研究科學(xué)家 Jeremiah Mwaura。該研究今天發(fā)表在 Small Methods 上。
瘦下來(lái)的太陽(yáng)能
傳統的硅太陽(yáng)能電池很脆弱，因此必須將它們包裹在玻璃中并封裝在又重又厚的鋁框架中，這限制了它們的部署位置和方式。
六年前，ONE Lab 團隊使用一種新興的薄膜材料生產(chǎn)了太陽(yáng)能電池，這種材料非常輕，可以放在肥皂泡上。但這些超薄太陽(yáng)能電池是使用復雜的真空工藝制造的，成本高昂且難以擴大規模。
在這項工作中，他們著(zhù)手開(kāi)發(fā)完全可印刷的薄膜太陽(yáng)能電池，使用基于墨水的材料和可擴展的制造技術(shù)。
為了生產(chǎn)太陽(yáng)能電池，他們使用可打印電子墨水形式的納米材料。在MIT.nano無(wú)塵室工作時(shí)，他們使用槽模涂布機對太陽(yáng)能電池結構進(jìn)行涂層，將電子材料層沉積到準備好的、僅 * 微米厚的可剝離基板上。使用絲網(wǎng)印刷（一種類(lèi)似于將設計添加到絲網(wǎng)印刷 T 恤的技術(shù)），將電極沉積在結構上以完成太陽(yáng)能模塊。
然后，研究人員可以將厚度約為 1* 微米的印刷模塊從塑料基板上剝離，從而形成超輕型太陽(yáng)能設備。
但是，這種薄而獨立的太陽(yáng)能模塊很難處理并且很容易撕裂，這會(huì )使它們難以部署。為了解決這一挑戰，麻省理工學(xué)院團隊尋找一種輕質(zhì)、靈活且高強度的基板，他們可以將太陽(yáng)能電池粘附在該基板上。他們認為織物是最佳解決方案，因為它們提供了機械彈性和柔韌性，而且幾乎沒(méi)有增加重量。
他們找到了一種理想的材料——一種每平方米僅重 1* 克的復合織物，商業(yè)上稱(chēng)為迪尼瑪 (Dyneema)。這種織物由非常堅固的纖維制成，它們被用作繩索，將沉沒(méi)的游輪 Costa Concordia從地中海底部吊起。通過(guò)添加一層只有幾微米厚的紫外線(xiàn)固化膠，他們將太陽(yáng)能模塊粘附在這種織物的薄片上。這形成了超輕且機械堅固的太陽(yáng)能結構。
“雖然將太陽(yáng)能電池直接打印在織物上似乎更簡(jiǎn)單，但這會(huì )將可能的織物或其他接收表面的選擇限制在化學(xué)和熱學(xué)上與制造設備所需的所有加工步驟兼容的表面。我們的方法將太陽(yáng)能電池制造與其最終集成分離開(kāi)來(lái)，”Saravanapavanantham 解釋道。
超越傳統太陽(yáng)能電池
當他們測試該設備時(shí)，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現它在獨立時(shí)每公斤可產(chǎn)生 7* 0 瓦的功率，如果部署在高強度迪尼瑪織物上則每公斤可產(chǎn)生約 * 70 瓦的功率，這是每公斤功率的 1* 倍左右比傳統的太陽(yáng)能電池。
“馬薩諸塞州典型的屋頂太陽(yáng)能裝置約為 * ,000 瓦。要產(chǎn)生同樣多的能量，我們的織物光伏只會(huì )給房子的屋頂增加大約 20 公斤（* * 磅）的重量，”他說(shuō)。
他們還測試了設備的耐用性，發(fā)現即使將織物太陽(yáng)能電池板卷起和展開(kāi)超過(guò) * 00 次，電池仍能保持其初始發(fā)電能力的 90% 以上。
雖然他們的太陽(yáng)能電池比傳統電池更輕、更靈活，但它們需要被包裹在另一種材料中以保護它們免受環(huán)境影響。用于制造電池的碳基有機材料可以通過(guò)與空氣中的水分和氧氣相互作用而改變，這可能會(huì )降低它們的性能。
“按照傳統硅太陽(yáng)能電池的標準，將這些太陽(yáng)能電池封裝在厚玻璃中，會(huì )最大限度地降低當前進(jìn)步的價(jià)值，因此該團隊目前正在開(kāi)發(fā)超薄封裝解決方案，只會(huì )略微增加現有超輕設備的重量， ”姆瓦拉說(shuō)。
“我們正在努力去除盡可能多的非太陽(yáng)能活性材料，同時(shí)仍保留這些超輕和柔性太陽(yáng)能結構的外形和性能。例如，我們知道可以通過(guò)打印可剝離基板進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造過(guò)程，這相當于我們用來(lái)制造設備中其他層的過(guò)程。這將加速這項技術(shù)向市場(chǎng)的轉化，”他補充道。
這項研究部分由 Eni SpA 通過(guò)麻省理工學(xué)院能源計劃、美國國家科學(xué)基金會(huì )和加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì )資助。
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