MIT سلول های خورشیدی فوق نازک را توسعه می دهد

انرژی خورشیدی فراوان ترین منبع انرژی در جهان است و توسعه سلول های خورشیدی کارآمد و پایدار می تواند به طور قابل توجهی بحران انرژی جهانی را کاهش دهد و فناوری سلول های خورشیدی به عنوان یک ستون کلیدی در انتقال انرژی پاک دیده می شود. در آینده، سلول‌های خورشیدی نقش مهمی را در توسعه فناوری و عمر تولید، نه تنها برای پشت بام‌ها و مزارع خورشیدی، بلکه برای تامین انرژی ماشین‌های هوافضای خودکار مانند هواپیما و ماهواره، ایفا خواهند کرد.

همراه با توسعه فرآیندهای تولید قطعات الکترونیکی نیمه هادی، جهان شاهد تحقیقات فوق العاده ای در زمینه سلول های خورشیدی و طیف گسترده ای از فناوری های تولیدی بوده است. در این میان، سلول های خورشیدی سلولی فوق نازک در این زمینه نوید منحصر به فردی دارند، زیرا می توانند بر روی انواع سطوح نامنظم، منحنی یا نامناسب اعمال شوند و می توانند مصرف مواد و نیازهای ساخت را کاهش دهند و به طور مستقیم هزینه ها را کاهش دهند.

در مقاله‌ای که اخیراً در آخرین شماره مجله Small Methods منتشر شده است، مهندسان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) می‌گویند که یک سلول خورشیدی بسیار نازک ساخته‌اند که می‌تواند به سرعت و به راحتی هر سطحی را به منبع انرژی تبدیل کند. سلول خورشیدی که از موی انسان نازک‌تر است و به تکه‌ای پارچه می‌چسبد، تنها یک صدم پنل خورشیدی معمولی وزن دارد، اما در هر کیلوگرم 18 برابر بیشتر برق تولید می‌کند و می‌تواند در بادبان‌های قایق، چادرهای امدادی بلایا و برزنت‌ها ادغام شود. بال های هواپیماهای بدون سرنشین و سطوح ساختمان های مختلف.

مایوران ساراواناپوانانتهام، نویسنده ارشد مقاله می‌گوید: یک نصب معمولی خورشیدی روی پشت بام در ماساچوست حدود 8،000 وات است. برای تولید همان مقدار برق، PV پارچه‌ای ما فقط به حدود 20 کیلوگرم (44 پوند) نیاز دارد. ) به پشت بام خانه اضافه شود».

ایجاد سلول های خورشیدی فوق نازک

تیم MIT پشت این فناوری به دنبال پیشرفت های قبلی خود در علم مواد بود و یک سلول خورشیدی فوق نازک را در سال 2016 تکمیل کرد که به اندازه کافی سنگین است که بدون شکستن روی حباب صابون بنشیند. تکنیک های سنتی برای ساخت سلول های خورشیدی به محفظه های خلاء و روش های گران قیمت رسوب بخار نیاز دارند. این بار، برای افزایش مقیاس فناوری، دانشمندان به نانومواد قابل چاپ مبتنی بر جوهر الکترونیکی روی آورده اند تا فرآیند را ساده کنند.

سلول های خورشیدی فوق نازک

در یک اتاق تمیز نانو، محققان از یک پوشش اکستروژن برای قرار دادن لایه‌هایی از مواد نانوالکترونیکی روی یک بستر 3 میکرون استفاده کردند، سپس از چاپ روی صفحه برای چاپ الکترودها و تکمیل ماژول خورشیدی استفاده کردند، و سپس ماژول چاپ‌شده را لایه برداری کردند. که حدود 15 میکرون ضخامت دارد، از بستر پلاستیکی جدا می شود تا یک ماژول دستگاه خورشیدی فوق سبک تشکیل شود. اما این ماژول خورشیدی باریک و مستقل به سختی قابل کنترل است و به راحتی پاره می شود و استقرار آن را دشوار می کند.

بنابراین محققان این ماژول را پوست کنده و به زیرلایه پارچه ای چسباندند که استحکام مکانیکی لازم برای جلوگیری از پارگی را فراهم می کرد. این زیرلایه سبک و انعطاف پذیر بر پایه ماده کامپوزیتی Dyneema، تنها 13 گرم در هر متر مربع وزن دارد و می تواند سلول های خورشیدی را به آن بچسباند. با افزودن لایه ای از چسب پخت که تنها چند میکرون ضخامت دارد، ماژول های خورشیدی را می توان به Dyneema متصل کرد و در نتیجه ساختار خورشیدی فوق العاده سبک و قوی ایجاد کرد.

عملکرد عالی و چشم انداز کاربردی گسترده

این سیستم پارچه ای-فتوولتائیک بادوام 50 میکرون ضخامت دارد و وزن آن کمتر از 1 گرم مساحت ماژول (معادل چگالی سطح 105 گرم بر متر مربع) است. آزمایش‌های تجربی نشان داده‌اند که سلول‌های خورشیدی فوق نازک مستقل می‌توانند ۷۳۰ وات بر کیلوگرم تولید کنند و اگر به یک پارچه «پاور هورس» با استحکام بالا متصل شوند، می‌توانند به توان ویژه ۳۷۰ وات در کیلوگرم، ۱۸ برابر نیز دست یابند. سلول های خورشیدی معمولی ادغام ماژول های فوق نازک در پارچه کامپوزیت باعث می شود آنها از نظر مکانیکی انعطاف پذیر باشند و این سیستم های پارچه-فتوولتائیک عملکرد خود را پس از 500 چرخه رول آپ با بیش از 90 درصد ظرفیت تولید برق اولیه خود حفظ می کنند. علاوه بر این، این روش تولید سلولی را می توان برای تولید سلول های انعطاف پذیر با مناطق بزرگتر گسترش داد.

تصویر: ماژول OPV و دستگاه جداگانه Parylene. الف) عکس ماژول OPV تکمیل شده روی یک بستر PET. ب) مشخصات جریان ولتاژ دستگاه کنترل (PET-IMI، PET-AgNW) و پاریلن در دستگاه PET قبل و بعد از جدا شدن از حامل PET.

سلول های خورشیدی بسیار نازک انگیزه ای برای جستجوی منابع انرژی جایگزین داده است. از آنجایی که این سلول‌های خورشیدی بسیار نازک و سبک هستند، می‌توان آن‌ها را به سطوح مختلف چسباند. به عنوان مثال، می‌توان آن‌ها را در بادبان‌های قایق ادغام کرد تا نیرو در دریا تامین کند، به چادرها و برزنت‌هایی که در عملیات بازیابی فاجعه مستقر شده‌اند چسبیده باشند، یا روی بال‌های هواپیماهای بدون سرنشین برای افزایش برد پروازی آن‌ها اعمال شوند. این فناوری خورشیدی سبک وزن نیز می تواند به راحتی در محیط ساخته شده ادغام شود و ممکن است تأثیر قابل توجهی بر طراحی و ساخت آینده صنعت ساختمان داشته باشد. علاوه بر این، این سلول های خورشیدی قابل حمل را می توان به عنوان سازه های قدرت پوشیدنی در حال حرکت تامین کرد، یا می توان آنها را حمل کرد و به سرعت در مناطق دورافتاده برای ارائه کمک در شرایط اضطراری مستقر کرد.

چالش های آینده

محققان می گویند که در حالی که سلول های خورشیدی آنها سبک تر و انعطاف پذیرتر از سلول های معمولی هستند، باید در ماده دیگری محصور شوند تا از آنها در برابر محیط محافظت شود. و مواد آلی مبتنی بر کربن مورد استفاده برای ساخت این سلول ها را می توان با تعامل با رطوبت و اکسیژن موجود در هوا تغییر داد که می تواند عملکرد سلول ها را کاهش دهد.

عکس: سلول های خورشیدی فوق نازک تحت آزمایش

به گفته Jeremiah Mwaura، یک دانشمند محقق در آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک MIT، پوشاندن این سلول های خورشیدی در شیشه سنگین، همانطور که رویه استاندارد سلول های خورشیدی سیلیکونی سنتی است، ارزش پیشرفت های فعلی را به حداقل می رساند، بنابراین تیم در حال حاضر در حال توسعه بسته بندی بسیار نازک است. راه‌حل‌هایی برای رسیدگی به تخریب سلول‌ها در اثر اثرات زیست‌محیطی، که تنها به اندازه کسری از وزن دستگاه‌های فوق‌سبک را اضافه می‌کنند.

جرمیا مواورا افزود: "ما در تلاش هستیم تا حد امکان مواد فعال غیرخورشیدی را حذف کنیم، در حالی که همچنان شکل و عملکرد این سازه های خورشیدی فوق سبک و انعطاف پذیر را حفظ می کنیم. به عنوان مثال، می دانیم که روند ساخت می تواند بیشتر شود. با چاپ زیرلایه‌های آزاد شونده، معادل فرآیندی که ما برای ساختن لایه‌های دیگر در دستگاه‌های خود استفاده می‌کنیم، ساده‌سازی می‌شود. این امر ترجمه این فناوری را به بازار تسریع می‌کند."

همانطور که سطح علم و فناوری همچنان در حال توسعه است، کشف و استفاده از طیف گسترده ای از مواد جدید، فناوری ها و منابع انرژی مطمئناً به توسعه کاربردهای سلول های خورشیدی ادامه خواهد داد. سلول های خورشیدی بسیار نازک نیز در آینده نزدیک ارزش بیشتری برای جامعه ایجاد خواهند کرد.