研究人員開發了一種可擴展的制造技術來生產可無縫添加到任何表面的超薄、輕質太陽能電池。

麻省理工學院的工程師開發出超輕織物太陽能電池，可以快速輕松地將任何表面變成電源。

這些耐用、靈活的太陽能電池比人的頭發絲細得多，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能電池板的百分之一，每公斤產生的功率是傳統太陽能電池板的 18 倍，并且由半導體油墨制成，采用未來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力，粘附在災難恢復行動中部署的帳篷和防水布上，或應用于無人機的機翼以擴大其飛行范圍。這種輕型太陽能技術可以輕松集成到建筑環境中，安裝需求極少。

“用于評估新太陽能電池技術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——適應新技術的難易程度。輕質太陽能織物可實現可集成性，為當前的工作提供動力。考慮到目前迫切需要部署新的無碳能源，我們努力加快太陽能的采用，”Fariborz Maseeh 新興技術主席、有機和納米結構電子實驗室（ONE 實驗室）負責人 Vladimir Bulovi? 說。 MIT.nano，以及描述這項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院電氣工程和計算機科學研究生 Mayuran Saravanapavanantham；和麻省理工學院電子研究實驗室的研究科學家 Jeremiah Mwaura。該研究今天發表在Small Methods 上。

瘦下來的太陽能

傳統的硅太陽能電池很脆弱，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了太陽能電池，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，他們著手開發完全可印刷的薄膜太陽能電池，使用基于墨水的材料和可擴展的制造技術。

為了生產太陽能電池，他們使用可打印電子墨水形式的納米材料。在MIT.nano無塵室工作時，他們使用槽模涂布機對太陽能電池結構進行涂層，將電子材料層沉積到準備好的、僅 3 微米厚的可剝離基板上。使用絲網印刷（一種類似于將設計添加到絲網印刷 T 恤的技術），將電極沉積在結構上以完成太陽能模塊。 

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能設備。

但是，這種薄而獨立的太陽能模塊很難處理并且很容易撕裂，這會使它們難以部署。為了解決這一挑戰，麻省理工學院團隊尋找一種輕質、靈活且高強度的基板，他們可以將太陽能電池粘附在該基板上。他們認為織物是解決方案，因為它們提供了機械彈性和柔韌性，而且幾乎沒有增加重量。

他們找到了一種理想的材料——一種每平方米僅重 13 克的復合織物，商業上稱為迪尼瑪 (Dyneema)。這種織物由非常堅固的纖維制成，它們被用作繩索，將沉沒的游輪 Costa Concordia 從地中海底部吊起。通過添加一層只有幾微米厚的紫外線固化膠，他們將太陽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能結構。

“雖然將太陽能電池直接打印在織物上似乎更簡單，但這會將可能的織物或其他接收表面的選擇限制在化學和熱學上與制造設備所需的所有加工步驟兼容的表面。我們的方法將太陽能電池制造與其終集成分離開來，”Saravanapavanantham 解釋道。

超越傳統太陽能電池

當他們測試該設備時，麻省理工學院的研究人員發現它在獨立時每公斤可產生 730 瓦的功率，如果部署在高強度迪尼瑪織物上則每公斤可產生約 370 瓦的功率，這是每公斤功率的 18 倍左右比傳統的太陽能電池。

“馬薩諸塞州典型的屋頂太陽能裝置約為 8,000 瓦。要產生同樣多的能量，我們的織物光伏只會給房子的屋頂增加大約 20 公斤（44 磅）的重量，”他說。

他們還測試了設備的耐用性，發現即使將織物太陽能電池板卷起和展開超過 500 次，電池仍能保持其初始發電能力的 90% 以上。

雖然他們的太陽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境影響。用于制造電池的碳基有機材料可以通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而改變，這可能會降低它們的性能。

“按照傳統硅太陽能電池的標準，將這些太陽能電池封裝在厚玻璃中，會限度地降低當前進步的價值，因此該團隊目前正在開發超薄封裝解決方案，只會略微增加現有超輕設備的重量， ”姆瓦拉說。

“我們正在努力去除盡可能多的非太陽能活性材料，同時仍保留這些超輕和柔性太陽能結構的外形和性能。例如，我們知道可以通過打印可剝離基板進一步簡化制造過程，這相當于我們用來制造設備中其他層的過程。這將加速這項技術向市場的轉化，”他補充道。

這項研究部分由 Eni SpA 通過 麻省理工學院能源計劃、美國科學基金會和加拿大自然科學與工程研究委員會資助。