Технология солнечных батарей считается ключевой составляющей нашего перехода к более чистым видам энергии. Однако и в этой области есть место для экспериментов. Тонкие и гибкие солнечные батареи открывают уникальные перспективы в этой области, поскольку они могут быть использованы на всех видах неровных, кривых или других нестандартных поверхностей. Новые легкие солнечные ячейки, созданные учеными Массачусетского технологического института, тоньше человеческого волоса, расширяют границы данного направления.
При масштабировании и размещении на обычной крыше новые солнечные батареи Массачусетского технологического института будут весить всего около 20 кг. Melanie Gonick, Массачусетский технологический институт

Команда инженеров Массачусетского технологического института, стоящая за этой технологией, пыталась развить свои предыдущие разработки в области материаловедения. В 2016 году они создали ультратонкие солнечные батареи, настолько легкие, что их можно расположить на оболочке мыльного пузыря, не повредив его. Подобно другим тонким, легким и гибким солнечным элементам, которые учёные разных стран разрабатывали на протяжении многих лет, новая технология открывает широкие возможности: от электроники на бумажной основе до лёгких носимых устройств, способных собирать энергию в течение всего дня.

Несмотря на огромный потенциал, команде все еще предстояло решить целый ряд проблем. В частности, для изготовления солнечных элементов требовались вакуумные камеры и сложные методики осаждения тонких пленок. Для того чтобы расширить масштабы эксперимента и упростить процесс, ученые воспользовались печатаемыми материалами на основе чернил.

Исследователям из Массачусетского технологического института удалось изготовить прототипы фотоэлектрических элементов, настолько тонких, что их можно удерживать на поверхности мыльного пузыря, не разрушая его. Joel Jean и Anna Osherov.  Массачусетский технологический институт

Эксперты использовали наноматериалы в виде печатных полупроводящих чернил - технологии с огромным потенциалом в области электроники. Такие чернила наносятся на пластиковую подложку толщиной всего 3 микрона и вместе с печатаемым электродом, формируют солнечный модуль. Затем такой элемент можно наклеить на тканевую подложку, которая при минимальном весе обеспечивает механическую прочность, необходимую для предотвращения разрывов.

Готовый продукт - гибкая и ультра-легкие солнечные ячейки имеют в сто раз меньший вес, чем традиционные фотоэлектрические панели, но при этом способны генерировать в 18 раз больше энергии на каждый килограмм. В ходе испытаний команда обнаружила, что солнечная батарея может вырабатывать 370 Вт на килограмм веса, когда приклеена к ткани, и до 730 Вт, когда установлена автономно.

"Классическая солнечная установка на крыше в Массачусетсе имеет мощность порядка 8000 ватт", - рассказывает соавтор проекта Маюран Сараванапаванантам. "Чтобы генерировать такое же количество энергии, наши тканевые фотоэлектрические элементы увеличат вес крыши всего на 20 килограммов".

Новые гибкие солнечные батареи Массачусетского технологического института по весу в сто раз меньше обычных солнечных панелей. Melanie Gonick, Массачусетский технологический институт

Испытания, проведенные командой, показали, что тканевая солнечная панель может быть свернута и развернута более 500 раз, при этом она сохраняет до 90 процентов своей способности генерировать энергию, что является хорошим показателем ее долговечности. Среди проблем, над решением которых работают специалисты, - проблема негативного воздействия окружающей среды. Для защиты солнечных элементов от внешних факторов необходима ультратонкая оболочка.

"Заключение этих солнечных элементов в тяжелые стеклянные конструкции, как это принято в традиционных кремниевых солнечных элементах, сведет на нет все преимущества нашей технологии, поэтому в настоящее время мы разрабатываем ультратонкие упаковочные материалы, которые лишь незначительно увеличат вес нынешних сверхлегких устройств", - сообщил Джеремайя Мваура, научный сотрудник Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

Если все эти проблемы удастся решить, то за счет тонкой структуры и небольшого веса солнечные батареи могут быть использованы в самых разных областях. Например, их можно прикрепить к парусу лодки, внешней стороне палаток в ситуациях ликвидации последствий стихийных бедствий или крыльям беспилотников, но теоретически они могут быть установлены практически в любом месте для выработки необходимой энергии.

Результаты исследования были опубликованы в издании Small Methods.

Источники и ссылки: Массачусетский технологический институт, журнал Small Methods, журнал Newatlas.

1. (https://news.mit.edu/2022/ultrathin-solar-cells-1209)

2. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200940)

3. (https://newatlas.com/lightest-thinnest-solar-cells-mit/42092/)

4. (https://newatlas.com/energy/mit-slimmed-down-solar-cells-roof)