研究人員開(kāi)發(fā)了一種可擴(kuò)展的制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)可無(wú)縫添加到任何表面的超薄、輕質(zhì)太陽(yáng)能電池。

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。

這些耐用、靈活的太陽(yáng)能電池比人的頭發(fā)絲細(xì)得多，粘在堅(jiān)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(yùn)輸并快速部署到偏遠(yuǎn)地區(qū)以在緊急情況下提供幫助。它們的重量是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的百分之一，每公斤產(chǎn)生的功率是傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的 18 倍，并且由半導(dǎo)體油墨制成，采用未來(lái)可以擴(kuò)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(zāi)難恢復(fù)行動(dòng)中部署的帳篷和防水布上，或應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的機(jī)翼以擴(kuò)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(píng)估新太陽(yáng)能電池技術(shù)的指標(biāo)通常僅限于它們的功率轉(zhuǎn)換效率和每瓦成本。同樣重要的是可集成性——適應(yīng)新技術(shù)的難易程度。輕質(zhì)太陽(yáng)能織物可實(shí)現(xiàn)可集成性，為當(dāng)前的工作提供動(dòng)力。考慮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(jī)和納米結(jié)構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)室（ONE 實(shí)驗(yàn)室）負(fù)責(zé)人 Vladimir Bulovi? 說(shuō)。 MIT.nano，以及描述這項(xiàng)工作的新論文的作者。

與 Bulovi? 一起撰寫論文的還有麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生 Mayuran Saravanapavanantham；和麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)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(tǒng)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(tuán)隊(duì)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(fù)雜的真空工藝制造的，成本高昂且難以擴(kuò)大規(guī)模。

在這項(xiàng)工作中，他們著手開(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(kuò)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(jī)對(duì)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂層，將電子材料層沉積到準(zhǔn)備好的、僅 3 微米厚的可剝離基板上。使用絲網(wǎng)印刷（一種類似于將設(shè)計(jì)添加到絲網(wǎng)印刷 T 恤的技術(shù)），將電極沉積在結(jié)構(gòu)上以完成太陽(yáng)能模塊。 

然后，研究人員可以將厚度約為 15 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(shè)備。

但是，這種薄而獨(dú)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(zhàn)，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)尋找一種輕質(zhì)、靈活且高強(qiáng)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(rèn)為織物是解決方案，因?yàn)樗鼈兲峁┝藱C(jī)械彈性和柔韌性，而且?guī)缀鯖](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 13 克的復(fù)合織物，商業(yè)上稱為迪尼瑪 (Dyneema)。這種織物由非常堅(jiān)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(jī)械堅(jiān)固的太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)。

“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(shè)備所需的所有加工步驟兼容的表面。我們的方法將太陽(yáng)能電池制造與其終集成分離開(kāi)來(lái)，”Saravanapavanantham 解釋道。

超越傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池

當(dāng)他們測(cè)試該設(shè)備時(shí)，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)它在獨(dú)立時(shí)每公斤可產(chǎn)生 730 瓦的功率，如果部署在高強(qiáng)度迪尼瑪織物上則每公斤可產(chǎn)生約 370 瓦的功率，這是每公斤功率的 18 倍左右比傳統(tǒng)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 8,000 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（44 磅）的重量，”他說(shuō)。

他們還測(cè)試了設(shè)備的耐用性，發(fā)現(xiàn)即使將織物太陽(yáng)能電池板卷起和展開(kāi)超過(guò) 500 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(tǒng)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(hù)它們免受環(huán)境影響。用于制造電池的碳基有機(jī)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(tǒng)硅太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)，將這些太陽(yáng)能電池封裝在厚玻璃中，會(huì)限度地降低當(dāng)前進(jìn)步的價(jià)值，因此該團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)發(fā)超薄封裝解決方案，只會(huì)略微增加現(xiàn)有超輕設(shè)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(jié)構(gòu)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(dāng)于我們用來(lái)制造設(shè)備中其他層的過(guò)程。這將加速這項(xiàng)技術(shù)向市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化，”他補(bǔ)充道。

這項(xiàng)研究部分由 Eni SpA 通過(guò) 麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃、美國(guó)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。