MIT ontwikkelt ultradunne zonnecellen

Zonne-energie is 's werelds meest overvloedige energiebron en de ontwikkeling van efficiënte en stabiele zonnecellen kan de wereldwijde energiecrisis aanzienlijk verlichten, en zonneceltechnologie wordt gezien als een belangrijke pijler van de transitie naar schone energie. In de toekomst zullen zonnecellen een steeds belangrijkere rol spelen in de technologische ontwikkeling en het productieproces, niet alleen voor daken en zonneparken, maar ook voor het aandrijven van geautomatiseerde lucht- en ruimtevaartmachines zoals vliegtuigen en satellieten.

Samen met de ontwikkeling van productieprocessen voor elektronische halfgeleidercomponenten, heeft de wereld buitengewoon veel onderzoek naar zonnecellen en een breed scala aan productietechnologieën gezien. Hiervan zijn ultradunne zonnecellen een unieke belofte op dit gebied, omdat ze kunnen worden toegepast op een verscheidenheid aan onregelmatige, gebogen of anderszins ongeschikte oppervlakken, en het materiaalverbruik en de productievereisten kunnen verminderen, waardoor de kosten direct worden verlaagd.

In een recent artikel gepubliceerd in het nieuwste nummer van het tijdschrift Small Methods, zeggen ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) dat ze een ultradunne zonnecel hebben ontwikkeld die elk oppervlak snel en gemakkelijk in een stroombron kan veranderen. De zonnecel, die dunner is dan een mensenhaar en hecht aan een stuk stof, weegt slechts een honderdste van een conventioneel zonnepaneel, maar produceert 18 keer meer elektriciteit per kilogram en kan worden geïntegreerd in bootzeilen, noodhulptenten en dekzeilen. de vleugels van drones en de oppervlakken van verschillende gebouwen.

Een typische zonne-installatie op het dak in Massachusetts is ongeveer 8,{1}} watt', zegt Mayuran Saravanapavanantham, mede-hoofdauteur van het artikel. Om dezelfde hoeveelheid elektriciteit op te wekken, heeft onze PV van stof slechts ongeveer 20 kg nodig ) te worden toegevoegd aan het dak van een huis."

De creatie van ultradunne zonnecellen

Het MIT-team achter de technologie probeerde voort te bouwen op eerdere vorderingen in de materiaalwetenschap en voltooide in 2016 een ultradunne zonnecel die zwaar genoeg is om op een zeepbel te zitten zonder te breken. Traditionele technieken voor het vervaardigen van zonnecellen vereisen vacuümkamers en dure opdampmethoden. Om de technologie op te schalen, hebben wetenschappers deze keer gekozen voor afdrukbare nanomaterialen op basis van e-inkt om het proces te vereenvoudigen.

Ultradunne zonnecellen

In een nano-clean room gebruikten de onderzoekers een extrusiecoater om lagen nano-elektronisch materiaal op een 3 micron dik substraat te deponeren, gevolgd door zeefdrukken om de elektroden af ​​te drukken en de zonnemodule te voltooien, gevolgd door het afpellen van de afgedrukte module. die ongeveer 15 micron dik is, van het plastic substraat om een ​​ultralichte module voor zonne-energie te vormen. Maar deze slanke, vrijstaande zonnemodule is moeilijk te hanteren en scheurt gemakkelijk, waardoor hij moeilijk te plaatsen is.

De onderzoekers hebben de module daarom gepeld en op een stoffen ondergrond gelijmd die de mechanische sterkte bood die nodig was om scheuren te voorkomen. Het lichtgewicht, flexibele substraat, op basis van het composietmateriaal Dyneema, weegt slechts 13 gram per vierkante meter en kan er zonnecellen aan hechten. Door een laagje uithardende lijm van slechts enkele microns dik toe te voegen, kunnen de zonnepanelen op Dyneema worden gelijmd, wat resulteert in een ultralichte en robuuste zonnestructuur.

Uitstekende prestaties en brede toepassingsmogelijkheden

Dit duurzame fotovoltaïsche systeem van stof is 50 micron dik en weegt minder dan 1 gram module-oppervlak (gelijk aan een oppervlaktedichtheid van 105 g/m2). Experimentele tests hebben aangetoond dat de vrijstaande ultradunne zonnecellen 730 watt per kilogram kunnen produceren, en als ze zijn gebonden aan een zeer sterke "Power Horse" -stof, kunnen ze ook een specifiek vermogen van 370 watt per kilogram bereiken, 18 keer die van conventionele zonnecellen. De integratie van de ultradunne modules in het composietweefsel maakt ze mechanisch flexibel en deze fotovoltaïsche weefselsystemen behouden hun prestaties na 500 oprolcycli, met meer dan 90 procent van hun initiële stroomopwekkingscapaciteit. Bovendien kan deze celproductiemethode worden uitgebreid om flexibele cellen met grotere oppervlakken te produceren.

Afbeelding: OPV-module en afzonderlijk Parylene-apparaat. A) Foto van de voltooide OPV-module op een PET-substraat. B) Stroom-spanningskarakteristieken van het besturingsapparaat (PET-IMI, PET-AgNW) en Parylene op het PET-apparaat voor en na het losmaken van de PET-drager.

Ultradunne zonnecellen hebben een impuls gegeven aan de zoektocht naar alternatieve energiebronnen. Omdat deze zonnecellen zo dun en licht zijn, kunnen ze op veel verschillende oppervlakken worden aangebracht. Ze kunnen bijvoorbeeld worden geïntegreerd in de zeilen van boten om stroom te leveren op zee, worden vastgemaakt aan tenten en dekzeilen die worden ingezet bij noodhersteloperaties, of worden aangebracht op de vleugels van drones om hun vliegbereik te vergroten. Deze lichtgewicht zonnetechnologie kan ook gemakkelijk worden geïntegreerd in de gebouwde omgeving en kan een aanzienlijke impact hebben op het toekomstige ontwerp en de constructie van de bouwsector. Bovendien kunnen deze draagbare zonnecellen onderweg worden aangedreven als draagbare stroomstructuren, of kunnen ze worden vervoerd en snel worden ingezet in afgelegen gebieden om hulp te bieden in noodsituaties.

Toekomstige uitdagingen

De onderzoekers zeggen dat hoewel hun zonnecellen lichter en flexibeler zijn dan conventionele cellen, ze moeten worden ingekapseld in een ander materiaal om ze te beschermen tegen de omgeving. En het op koolstof gebaseerde organische materiaal dat wordt gebruikt om deze cellen te maken, kan worden gewijzigd door interactie met vocht en zuurstof in de lucht, wat de prestaties van de cellen zou kunnen verminderen.

Foto: ultradunne zonnecellen getest

Volgens Jeremiah Mwaura, een onderzoekswetenschapper aan het Electronics Research Laboratory van MIT, zou het omhullen van deze zonnecellen in zwaar glas, zoals de standaardpraktijk is voor traditionele siliciumzonnecellen, de waarde van de huidige vooruitgang minimaliseren, dus het team ontwikkelt momenteel ultradunne verpakkingen oplossingen om de degradatie van de cellen door milieueffecten aan te pakken, waardoor ultralichte apparaten slechts een fractie van het gewicht zouden toevoegen.

Jeremiah Mwaura voegde toe: "We proberen zoveel mogelijk niet-solair actief materiaal te verwijderen, terwijl we toch de vorm en prestaties van deze ultralichte en flexibele zonnestructuren behouden. We weten bijvoorbeeld dat het fabricageproces verder kan vereenvoudigd door verwijderbare substraten te printen, vergelijkbaar met het proces dat we gebruiken om de andere lagen in onze apparaten te maken. Dit zal de vertaling van deze technologie naar de markt versnellen."

Naarmate het niveau van wetenschap en technologie zich blijft ontwikkelen, zal de ontdekking en het gebruik van een breed scala aan nieuwe materialen, technologieën en energiebronnen de ontwikkeling van zonneceltoepassingen zeker blijven stimuleren. Ultradunne zonnecellen zullen in de nabije toekomst ook meer waarde creëren voor de samenleving.