Ogniwa słoneczne na tkaninie
Inżynierowie z MIT opracowali ultralekkie i cienkie ogniwa słoneczne, które mogą szybko i łatwo zamienić dowolną powierzchnię w źródło zasilania.
Elastyczne, ale trwałe ogniwa słoneczne, cieńsze niż ludzki włos, stworzyli badacze w Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab) na Massachusetts Institute of Technology. Przyklejone do lekkiego i wytrzymałego materiału mogą być zainstalowane na dowolnej stałej powierzchni. Będą dostarczać energię przedmiotom w ruchu i mogą być łatwo przenoszone na duże odległości lub w miejsca niedostępne, na przykład w plecaku. Ważą jedną setną konwencjonalnych paneli słonecznych i w przeliczeniu na jeden kilogram generują 18 razy więcej mocy od nich. Ponieważ są wykonane z atramentu półprzewodzącego i powstają w technice nadruku, to mogą być w przyszłości produkowane masowo i w wielkich formatach.
Niezwykle cienkie i lekkie ogniwa mogą być umieszczane na wielu różnych powierzchniach. Na przykład, mogą znaleźć się na żaglu, żeby zapewnić łodziom żaglowym źródło zasilania na pełnym morzu. Można je przyczepić do skrzydeł dronu, żeby zwiększyć jego zasięg. Mogą też pokrywać powierzchnie namiotów podczas wypraw wysokogórskich i akcji ratunkowych. Dużą wartością tej technologii jest to, że nie wymaga skomplikowanej instalacji i łatwo przystosowuje się do warunków.
Publikacja opisująca tę technologię ukazała się w czasopiśmie “Small Methods”.
Typowe, powszechnie używane ogniwa słoneczne zrobione są z krzemu, co sprawia, że są bardzo kruche i narażone na wpływ środowiska. Z tego powodu muszą być zamknięte w szklanych pojemnikach i opakowane w grube, aluminiowe ramy. To ogranicza ich mobilność, utrudnia instalację i sprawia, że zajmują więcej miejsca.
Zespół ONE Lab już sześć lat temu opracował fotoogniwa, które były znacznie lżejsze i trwalsze od tradycyjnych. W efekcie ich pracy ogniwa były tak lekkie, że można je było umieścić na bańce mydlanej. Niestety, produkcja takich ultra cienkich ogniw byłaby niezwykle skomplikowana, trudna na dużą skalę i droga, dlatego badacze porzucili tamten projekt i postanowili stworzyć coś bardziej dostępnego ekonomicznie. Tym razem do produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystali materiały mogące być drukowane, ponieważ powstały na bazie atramentu, a także skalowane. Użyte przy produkcji takiego atramentu nanomateriały trzeba przygotowywać w sterylnych warunkach w laboratorium MIT.nano – kluczowe jest to, że cała technologia opiera się na materiałach drukowalnych i na nanoszeniu tych materiałów na ultra cienkie podkłady za pomocą techniki podobnej do sitodruku.
Podkłady służą tylko do tego, żeby ogniwa połączyć w jedną całość, którą potem można odłączyć od podłoża i przenieść na dowolne inne. Naukowcy uznali, że optymalnym podłożem będą tkaniny – lekkie, elastyczne i jednocześnie wytrzymałe. Idealnym materiałem okazała się kompozytowa tkanina, której przemysłowa nazwa to Dyneema – materiał tak mocny, że używa się go przy podnoszeniu największych ciężarów (na przykład, gdy trzeba było podnieść przewrócony we Włoszech wycieczkowiec Costa Concordia). Tkaninę i ogniwa łączy się za pomocną specjalnego kleju utwardzanego promieniowaniem UV. Tak przygotowany materiał jest konstrukcją jednocześnie wytrzymałą i niezwykle elastyczną.
Podczas testów badacze ustalili, że tak przygotowany materiał jest w stanie generować 730 watów na kilogram urządzenia, co oznacza 18 razy większą wydajność w przeliczeniu na kilogram w porównaniu z konwencjonalnymi ogniwami. Dodatkowo naukowcy sprawdzili trwałość tego produktu – po 500 zrolowaniach i rozwinięciach tkanina nadal generowała 90 procent początkowej mocy.
Słabością wynalazku pozostaje jeszcze jego nieustalona trwałość na warunki środowiskowe. Do zbadania pozostaje trwałość na długotrwałą ekspozycję na temperaturę czy wilgotność. Badacze obawiają się, że organiczny materiał na bazie węgla, z którego zbudowane są ogniwa, będzie podatny na erozję – tę trudność trzeba jeszcze wyeliminować przez wprowadzeniem wynalazku na rynek.
Źródło badań: Mayuran Saravanapavanantham et al, Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra‐thin Substrates as Additive Power Sources, Small Methods (2022). DOI: 10.1002/smtd.202200940
Opracowano na podstawie materiału prasowego zatytułowanego Paper-thin solar cell can turn any surface into a power source opublikowanego na stronie internetowej MIT.
