麻省理工開發(fā)出超薄超輕織物太陽能電池

麻省理工的工程師們創(chuàng)造了新的超輕織物太陽能電池，它可以輕松而快速地將任何表面轉(zhuǎn)化為電源。這些耐用、靈活的太陽能電池比人的頭發(fā)還要細(xì)，被粘在堅固、輕巧的織物上，使它們易于安裝在固定的表面。它們可以作為可穿戴的電源織物在路上提供能源，也可以運(yùn)輸并迅速部署到偏遠(yuǎn)地區(qū)，在緊急情況下提供援助。

它們的重量是傳統(tǒng)太陽能電池板的百分之一，每公斤產(chǎn)生的能量是其18倍，并且是由半導(dǎo)體油墨制成的，使用的印刷工藝在未來可以擴(kuò)展到大面積的制造。

由于這些太陽能電池非常薄和輕，它們可以被貼在許多不同的表面上。例如，它們可以被集成到船帆上，以便在海上提供電力，粘附在災(zāi)難恢復(fù)行動中部署的帳篷和防水布上，或者應(yīng)用到無人機(jī)的機(jī)翼上，以擴(kuò)大其飛行范圍。這種輕量級的太陽能技術(shù)可以很容易地集成到建筑環(huán)境中，而且安裝需求很小。

“用于評估一種新的太陽能電池技術(shù)的指標(biāo)通常僅限于其電力轉(zhuǎn)換效率和以每瓦美元計算的成本。同樣重要的是可整合性--新技術(shù)可以被改造的容易程度。輕質(zhì)太陽能織物能夠?qū)崿F(xiàn)可整合性，為目前的工作提供了動力。我們努力加快太陽能的采用，因?yàn)槟壳捌惹行枰渴鹦碌臒o碳能源，”法里博爾茲-馬西赫新興技術(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、麻省理工學(xué)院納米實(shí)驗(yàn)室主任、描述這項(xiàng)工作的新論文的資深作者弗拉基米爾-布洛維奇說。

與Bulovi?一起撰寫論文的還有共同主要作者M(jìn)ayuran Saravanapavanantham，他是麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機(jī)科學(xué)的研究生；以及Jeremiah Mwaura，他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家。該研究最近發(fā)表在《小方法》雜志上。

瘦身后的太陽能電池

傳統(tǒng)的硅基太陽能電池是脆弱的，因此它們必須被包裹在玻璃中，并被包裝在厚重的鋁制框架中，這限制了它們的部署地點(diǎn)和方式。

六年前，ONE實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)使用一種新興的薄膜材料生產(chǎn)太陽能電池，其重量非常輕，可以放在肥皂泡上。但是這些超薄的太陽能電池是使用復(fù)雜的、基于真空的工藝制造的，這些工藝可能是昂貴的，并且在擴(kuò)大規(guī)模方面具有挑戰(zhàn)性。

在這項(xiàng)工作中，他們著手開發(fā)完全可打印的薄膜太陽能電池，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)太陽能電池，他們使用了可打印電子油墨形式的納米材料。在MIT.nano潔凈室工作時，他們使用一個槽模涂布機(jī)為太陽能電池結(jié)構(gòu)涂上一層電子材料，該涂布機(jī)將電子材料層沉積到準(zhǔn)備好的、可釋放的基底上，基底的厚度只有3微米。使用絲網(wǎng)印刷（一種類似于在絲印T恤上添加圖案的技術(shù)），將電極沉積在結(jié)構(gòu)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襯底上剝離，形成超輕超薄的太陽能設(shè)備。

但是這種薄而獨(dú)立的太陽能模塊在處理上具有挑戰(zhàn)性，很容易撕裂，這將使它們難以部署。為了解決這一挑戰(zhàn)，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)尋找一種輕質(zhì)、靈活和高強(qiáng)度的基材，他們可以將太陽能電池粘在上面。他們認(rèn)為織物是最佳的解決方案，因?yàn)樗鼈兲峁┝?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械彈性和靈活性，而且重量增加很少。

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)上稱為迪尼瑪面料。這種織物由纖維制成，其強(qiáng)度非常高，曾被用作繩索，將沉沒的郵輪“科斯塔-康科迪亞”號從地中海底部吊起。通過添加一層只有幾微米厚的紫外線固化膠水，他們將太陽能模塊粘在這種織物的薄片上。這就形成了一個超輕的、機(jī)械上堅固的太陽能結(jié)構(gòu)。

“雖然直接在織物上印刷太陽能電池可能看起來更簡單，但這將限制可能的織物或其他接收表面的選擇，使其在化學(xué)上和熱上與制造設(shè)備所需的所有加工步驟兼容。

Saravanapavanantham解釋說：”我們的方法將太陽能電池的制造與最終的集成工藝分離開來“。

勝過傳統(tǒng)太陽能電池

當(dāng)他們測試該裝置時，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)它在獨(dú)立的情況下每公斤可以產(chǎn)生730瓦的功率，如果部署在高強(qiáng)度的迪尼瑪織物上，每公斤可以產(chǎn)生約370瓦的功率，這比傳統(tǒng)太陽能電池的每公斤功率高約18倍。

”在馬薩諸塞州，一個典型的屋頂太陽能裝置約為8000瓦特。他說：“為了產(chǎn)生同樣的電力，我們的織物光伏電池只需在房子的屋頂上增加大約20公斤（44磅）的重量?！?/p>

他們還測試了他們設(shè)備的耐用性，發(fā)現(xiàn)即使在將織物太陽能電池板滾動和展開500多次后，電池仍能保持其最初發(fā)電能力的90%以上。

雖然他們的太陽能電池比傳統(tǒng)的電池要輕得多，也靈活得多，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)材料可以通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而被改變，這可能會使其性能劣化。

將這些太陽能電池包裹在沉重的玻璃中，就像傳統(tǒng)的硅太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)做法一樣，會將目前的進(jìn)步價值降到最低，因此該團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)超薄的包裝解決方案，這只會使目前超輕設(shè)備的重量增加一小部分。

研究人員正在努力去除盡可能多的非太陽能活性材料，同時仍然保留這些超輕和柔性太陽能結(jié)構(gòu)的外形和性能。例如，可以通過印刷可釋放的基材來進(jìn)一步簡化制造過程，相當(dāng)于用來制造我們設(shè)備中其他層的過程。這將加速這項(xiàng)技術(shù)向市場的轉(zhuǎn)化。

審核編輯 ：李倩