9 دسامبر 2022 -توسط آدام زوی، موسسه فناوری ماساچوست-محققان MIT یک تکنیک ساخت مقیاس پذیر را برای تولید سلول های خورشیدی فوق نازک و سبک که می توانند بر روی هر سطحی چسبانده شوند، توسعه داده اند. اعتبار: ملانی گونیک، MIT
مهندسان MIT سلول های خورشیدی پارچه ای فوق سبک ساخته اند که می توانند به سرعت و به راحتی هر سطحی را به منبع انرژی تبدیل کنند.این سلول‌های خورشیدی بادوام و انعطاف‌پذیر که بسیار نازک‌تر از موی انسان هستند، به پارچه‌ای محکم و سبک چسبانده شده‌اند که نصب آنها را بر روی یک سطح ثابت آسان می‌کند. آنها می توانند انرژی را در حرکت به عنوان یک پارچه قدرت پوشیدنی تامین کنند یا به سرعت در مکان های دورافتاده برای کمک در مواقع اضطراری منتقل و مستقر شوند. وزن آنها یک صدم پنل های خورشیدی معمولی است، 18 برابر بیشتر در هر کیلوگرم انرژی تولید می کنند و از جوهرهای نیمه رسانا با استفاده از فرآیندهای چاپ ساخته می شوند که می توانند در آینده به تولید در مناطق بزرگ تبدیل شوند.
از آنجایی که آنها بسیار نازک و سبک هستند، این سلول های خورشیدی را می توان بر روی سطوح مختلف لمینت کرد. به عنوان مثال، می‌توان آنها را روی بادبان‌های یک قایق ادغام کرد تا نیرویی را در دریا تامین کنند، روی چادرها و برزنت‌هایی که در عملیات بازیابی بلایا مستقر می‌شوند، چسبانده شوند، یا روی بال‌های هواپیماهای بدون سرنشین اعمال شوند تا برد پروازی آنها را افزایش دهند. این فناوری خورشیدی سبک وزن را می توان به راحتی در محیط های ساخته شده با حداقل نیاز به نصب ادغام کرد.
معیارهای مورد استفاده برای ارزیابی یک فناوری جدید سلول خورشیدی معمولاً محدود به راندمان تبدیل توان و هزینه آنها به دلار در هر وات است. به همان اندازه مهم است که یکپارچگی – سهولت سازگاری با فناوری جدید. پارچه های خورشیدی سبک وزن. ولادیمیر بولوویچ، رئیس فریبرز مسیح در فناوری نوظهور، رهبر ارگانیک ، آزمایشگاه الکترونیک نانوساختار (ONE Lab)، مدیر MIT.nano، و نویسنده ارشد مقاله جدیدی که کار را توصیف می کندو می‌گوید: «یکپارچگی را فعال می‌کنیم و انگیزه‌ای را برای کار فعلی فراهم می‌کنیم.
مایوران ساراواناپاوانانتهام، یکی از نویسندگان ارشد مهندسی برق و دانش آموخته علوم کامپیوتر در MIT، به Bulović در این مقاله می پیوندند. و جرمیا مواورا، دانشمند محقق در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک MIT.
این تحقیق در Small Methods منتشر شده است.
سلول های خورشیدی سیلیکونی سنتی شکننده هستند، بنابراین باید در شیشه محصور شوند و در قاب آلومینیومی سنگین و ضخیم بسته بندی شوند، که مکان و نحوه استقرار آنها را محدود می کند.
شش سال پیش، تیم آزمایشگاه ONE سلول‌های خورشیدی را با استفاده از یک کلاس نوظهور از مواد لایه نازک تولید کردند که آنقدر سبک بودند که می‌توانستند بالای حباب صابون بنشینند. اما این سلول های خورشیدی فوق نازک با استفاده از فرآیندهای پیچیده و مبتنی بر خلاء ساخته شده اند، که می تواند گران و چالش برانگیز باشد.
در این کار، آنها با استفاده از مواد مبتنی بر جوهر و تکنیک‌های ساخت مقیاس‌پذیر، سلول‌های خورشیدی لایه نازک را که کاملاً قابل چاپ هستند، توسعه دادند.
برای تولید سلول های خورشیدی از نانومواد استفاده می کنند که به شکل جوهر الکترونیکی قابل چاپ هستند. آنها با کار در اتاق تمیز MIT.nano، ساختار سلول خورشیدی را با استفاده از روکش شکافی می‌پوشانند، که لایه‌هایی از مواد الکترونیکی را روی یک بستر آماده و قابل رها شدن که تنها 3 میکرون ضخامت دارد، رسوب می‌دهد. با استفاده از چاپ روی صفحه (تکنیکی شبیه به نحوه اضافه شدن طرح ها به تی شرت های ابریشمی)، یک الکترود بر روی ساختار قرار می گیرد تا ماژول خورشیدی تکمیل شود.
سپس محققان می توانند ماژول چاپ شده را که ضخامت آن حدود 15 میکرون است، از روی بستر پلاستیکی جدا کنند و یک دستگاه خورشیدی فوق سبک را تشکیل دهند.
اما کار با چنین ماژول های خورشیدی نازک و مستقلی چالش برانگیز است و به راحتی می توانند پاره شوند، که استقرار آنها را دشوار می کند. برای حل این چالش، تیم MIT به دنبال بستری سبک، انعطاف‌پذیر و با استحکام بالا بودند که بتوانند سلول‌های خورشیدی را به آن بچسبانند. آنها پارچه‌ها را به‌عنوان راه‌حل بهینه شناسایی کردند، زیرا انعطاف‌پذیری مکانیکی و انعطاف‌پذیری را با وزن اضافه کمی فراهم می‌کنند.
آنها یک ماده ایده آل پیدا کردند – یک پارچه کامپوزیتی که تنها 13 گرم در هر متر مربع وزن دارد، که تجاری به نام Dyneema شناخته می شود. این پارچه از الیافی ساخته شده است که به قدری مستحکم هستند که به عنوان طناب برای بلند کردن کشتی تفریحی غرق شده Costa Concordia از کف دریای مدیترانه استفاده می شود. با افزودن یک لایه چسب قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش که تنها چند میکرون ضخامت دارد، ماژول های خورشیدی را به ورق های این پارچه می چسبانند. این ساختار خورشیدی فوق سبک و مکانیکی قوی را تشکیل می دهد.
“در حالی که ممکن است ساده تر به نظر برسد که فقط سلول های خورشیدی را مستقیماً روی پارچه چاپ کنید، این امر انتخاب پارچه های احتمالی یا سایر سطوح دریافت کننده را به سطوحی محدود می کند که از نظر شیمیایی و حرارتی با تمام مراحل پردازش مورد نیاز برای ساخت دستگاه ها سازگار هستند. رهیافت ساخت سلول خورشیدی را از ادغام نهایی آن جدا می کند.»
هنگامی که آنها دستگاه را آزمایش کردند، محققان MIT دریافتند که می تواند 730 وات بر کیلوگرم در حالت ایستاده و حدود 370 وات بر کیلوگرم در صورت استقرار روی پارچه Dyneema با استحکام بالا تولید کند که حدود 18 برابر قدرت در هر کیلوگرم نسبت به سلول های خورشیدی معمولی است.
او می گوید: “یک نصب معمولی خورشیدی روی پشت بام در ماساچوست حدود 8000 وات است. برای تولید همین مقدار نیرو، فتوولتائیک های پارچه ای ما فقط حدود 20 کیلوگرم (44 پوند) به سقف خانه اضافه می کنند.”
آنها همچنین دوام دستگاه های خود را آزمایش کردند و دریافتند که، حتی پس از غلت زدن و بازکردن پانل خورشیدی پارچه ای بیش از 500 بار، سلول ها همچنان بیش از 90 درصد از قابلیت های اولیه تولید برق خود را حفظ کردند.
در حالی که سلول‌های خورشیدی آنها بسیار سبک‌تر و بسیار انعطاف‌پذیرتر از سلول‌های سنتی هستند، برای محافظت از آنها در برابر محیط، باید در ماده دیگری محصور شوند. مواد آلی مبتنی بر کربن مورد استفاده برای ساخت سلول ها را می توان با برهمکنش با رطوبت و اکسیژن موجود در هوا اصلاح کرد که می تواند عملکرد آنها را بدتر کند.
محصور کردن این سلول‌های خورشیدی در شیشه‌های سنگین، همانطور که در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سنتی استاندارد است، ارزش پیشرفت فعلی را به حداقل می‌رساند، بنابراین تیم در حال حاضر در حال توسعه راه‌حل‌های بسته‌بندی بسیار نازک است که وزن دستگاه‌های فوق سبک کنونی را تنها به میزان جزئی افزایش می‌دهد.
“ما در تلاش هستیم تا حد ممکن مواد غیرفعال خورشیدی را حذف کنیم و در عین حال شکل و عملکرد این سازه های خورشیدی فوق سبک و انعطاف پذیر را حفظ کنیم. به عنوان مثال، ما می دانیم که فرآیند تولید را می توان با چاپ مواد قابل رهاسازی ساده تر کرد. زیرلایه‌ها، معادل فرآیندی است که ما برای ساخت لایه‌های دیگر در دستگاه خود استفاده می‌کنیم. این امر ترجمه این فناوری را به بازار تسریع می‌کند.”
