麻省理工开发出超薄超轻织物太阳能电池

麻省理工的工程师们创造了新的超轻织物太阳能电池，它可以轻松而快速地将任何表面转化为电源。这些耐用、灵活的太阳能电池比人的头发还要细，被粘在坚固、轻巧的织物上，使它们易于安装在固定的表面。它们可以作为可穿戴的电源织物在路上提供能源，也可以运输并迅速部署到偏远地区，在紧急情况下提供援助。

它们的重量是传统太阳能电池板的百分之一，每公斤产生的能量是其18倍，并且是由半导体油墨制成的，使用的印刷工艺在未来可以扩展到大面积的制造。

由于这些太阳能电池非常薄和轻，它们可以被贴在许多不同的表面上。例如，它们可以被集成到船帆上，以便在海上提供电力，粘附在灾难恢复行动中部署的帐篷和防水布上，或者应用到无人机的机翼上，以扩大其飞行范围。这种轻量级的太阳能技术可以很容易地集成到建筑环境中，而且安装需求很小。

“用于评估一种新的太阳能电池技术的指标通常仅限于其电力转换效率和以每瓦美元计算的成本。同样重要的是可整合性--新技术可以被改造的容易程度。轻质太阳能织物能够实现可整合性，为目前的工作提供了动力。我们努力加快太阳能的采用，因为目前迫切需要部署新的无碳能源，”法里博尔兹-马西赫新兴技术主席、有机和纳米结构电子实验室（ONE实验室）负责人、麻省理工学院纳米实验室主任、描述这项工作的新论文的资深作者弗拉基米尔-布洛维奇说。

与Bulović一起撰写论文的还有共同主要作者Mayuran Saravanapavanantham，他是麻省理工学院电气工程和计算机科学的研究生；以及Jeremiah Mwaura，他是麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家。该研究最近发表在《小方法》杂志上。

瘦身后的太阳能电池

传统的硅基太阳能电池是脆弱的，因此它们必须被包裹在玻璃中，并被包装在厚重的铝制框架中，这限制了它们的部署地点和方式。

六年前，ONE实验室团队使用一种新兴的薄膜材料生产太阳能电池，其重量非常轻，可以放在肥皂泡上。但是这些超薄的太阳能电池是使用复杂的、基于真空的工艺制造的，这些工艺可能是昂贵的，并且在扩大规模方面具有挑战性。

在这项工作中，他们着手开发完全可打印的薄膜太阳能电池，使用基于墨水的材料和可扩展的制造技术。

为了生产太阳能电池，他们使用了可打印电子油墨形式的纳米材料。在MIT.nano洁净室工作时，他们使用一个槽模涂布机为太阳能电池结构涂上一层电子材料，该涂布机将电子材料层沉积到准备好的、可释放的基底上，基底的厚度只有3微米。使用丝网印刷（一种类似于在丝印T恤上添加图案的技术），将电极沉积在结构上以完成太阳能模块。

然后，研究人员可以将厚度约为15微米的印刷模块从塑料衬底上剥离，形成超轻超薄的太阳能设备。

但是这种薄而独立的太阳能模块在处理上具有挑战性，很容易撕裂，这将使它们难以部署。为了解决这一挑战，麻省理工学院的团队寻找一种轻质、灵活和高强度的基材，他们可以将太阳能电池粘在上面。他们认为织物是最佳的解决方案，因为它们提供了机械弹性和灵活性，而且重量增加很少。

他们找到了一种理想的材料——一种每平方米仅重13克的复合织物，商业上称为迪尼玛面料。这种织物由纤维制成，其强度非常高，曾被用作绳索，将沉没的邮轮“科斯塔-康科迪亚”号从地中海底部吊起。通过添加一层只有几微米厚的紫外线固化胶水，他们将太阳能模块粘在这种织物的薄片上。这就形成了一个超轻的、机械上坚固的太阳能结构。

“虽然直接在织物上印刷太阳能电池可能看起来更简单，但这将限制可能的织物或其他接收表面的选择，使其在化学上和热上与制造设备所需的所有加工步骤兼容。

Saravanapavanantham解释说：”我们的方法将太阳能电池的制造与最终的集成工艺分离开来“。

胜过传统太阳能电池

当他们测试该装置时，麻省理工学院的研究人员发现它在独立的情况下每公斤可以产生730瓦的功率，如果部署在高强度的迪尼玛织物上，每公斤可以产生约370瓦的功率，这比传统太阳能电池的每公斤功率高约18倍。

”在马萨诸塞州，一个典型的屋顶太阳能装置约为8000瓦特。他说：“为了产生同样的电力，我们的织物光伏电池只需在房子的屋顶上增加大约20公斤（44磅）的重量。”

他们还测试了他们设备的耐用性，发现即使在将织物太阳能电池板滚动和展开500多次后，电池仍能保持其最初发电能力的90%以上。

虽然他们的太阳能电池比传统的电池要轻得多，也灵活得多，但它们需要被包裹在另一种材料中，以保护它们免受环境影响。用于制造电池的碳基有机材料可以通过与空气中的水分和氧气相互作用而被改变，这可能会使其性能劣化。

将这些太阳能电池包裹在沉重的玻璃中，就像传统的硅太阳能电池的标准做法一样，会将目前的进步价值降到最低，因此该团队目前正在开发超薄的包装解决方案，这只会使目前超轻设备的重量增加一小部分。

研究人员正在努力去除尽可能多的非太阳能活性材料，同时仍然保留这些超轻和柔性太阳能结构的外形和性能。例如，可以通过印刷可释放的基材来进一步简化制造过程，相当于用来制造我们设备中其他层的过程。这将加速这项技术向市场的转化。

审核编辑 ：李倩