I ricercatori sviluppano una tecnica di fabbricazione scalabile per produrre celle solari ultrasottili e leggere che possono essere aggiunte senza problemi a qualsiasi superficie
Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato celle solari in tessuto ultraleggero che possono trasformare rapidamente e facilmente qualsiasi superficie in una fonte di energia.
Queste celle solari durevoli e flessibili, molto più sottili di un capello umano, sono incollate su un tessuto resistente e leggero, che le rende facili da installare su una superficie fissa. Possono fornire energia in movimento come tessuto energetico indossabile o essere trasportati e dispiegati rapidamente in località remote per l’assistenza in caso di emergenza. Sono un centesimo del peso dei pannelli solari convenzionali, generano 18 volte più potenza per chilogrammo e sono realizzati con inchiostri semiconduttori utilizzando processi di stampa che possono essere scalati in futuro per la produzione di grandi aree.
Poiché sono così sottili e leggere, queste celle solari possono essere laminate su molte superfici diverse. Ad esempio, potrebbero essere integrati sulle vele di una barca per fornire energia in mare, applicati su tende e teloni utilizzati nelle operazioni di ripristino di emergenza o applicati sulle ali dei droni per estendere il loro raggio di volo. Questa tecnologia solare leggera può essere facilmente integrata in ambienti edificati con esigenze di installazione minime.
“Le metriche utilizzate per valutare una nuova tecnologia di celle solari sono in genere limitate alla loro efficienza di conversione di potenza e al loro costo in dollari per watt. Altrettanto importante è l’integrabilità: la facilità con cui la nuova tecnologia può essere adattata. I tessuti solari leggeri consentono l’integrabilità, fornendo slancio per il lavoro in corso. Ci sforziamo di accelerare l’adozione del solare, data l’attuale urgente necessità di implementare nuove fonti di energia prive di carbonio “, afferma Vladimir Bulović, Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader del Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), direttore di MIT.nano, e autore senior di un nuovo documento che descrive il lavoro.
Insieme a Bulović sul documento ci sono gli autori principali Mayuran Saravanapavanantham, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica al MIT; e Jeremiah Mwaura, un ricercatore del MIT Research Laboratory of Electronics. La ricerca è stata pubblicata oggi su Small Methods .
Solare snellito
Le tradizionali celle solari al silicio sono fragili, quindi devono essere racchiuse in vetro e confezionate in un telaio di alluminio pesante e spesso, che limita dove e come possono essere dispiegate.
Sei anni fa, il team di ONE Lab ha prodotto celle solari utilizzando una classe emergente di materiali a film sottile così leggeri da poter stare sopra una bolla di sapone . Ma queste celle solari ultrasottili sono state fabbricate utilizzando processi complessi basati sul vuoto, che possono essere costosi e difficili da scalare.
In questo lavoro, hanno deciso di sviluppare celle solari a film sottile interamente stampabili, utilizzando materiali a base di inchiostro e tecniche di fabbricazione scalabili.
Per produrre le celle solari, usano nanomateriali sotto forma di inchiostri elettronici stampabili. Lavorando nella camera bianca del MIT.nano , rivestono la struttura della cella solare utilizzando un rivestimento a slot-die, che deposita strati di materiali elettronici su un substrato preparato e rilasciabile che ha uno spessore di soli 3 micron. Usando la serigrafia (una tecnica simile a come i disegni vengono aggiunti alle magliette serigrafate), un elettrodo viene depositato sulla struttura per completare il modulo solare.
I ricercatori possono quindi staccare il modulo stampato, che ha uno spessore di circa 15 micron, dal substrato di plastica, formando un dispositivo solare ultraleggero.
Ma moduli solari così sottili e autoportanti sono difficili da maneggiare e possono facilmente strapparsi, il che li renderebbe difficili da installare. Per risolvere questa sfida, il team del MIT ha cercato un substrato leggero, flessibile e ad alta resistenza a cui far aderire le celle solari. Hanno identificato i tessuti come la soluzione ottimale, in quanto forniscono resilienza meccanica e flessibilità con poco peso aggiunto.
Hanno trovato un materiale ideale: un tessuto composito che pesa solo 13 grammi per metro quadrato, commercialmente noto come Dyneema. Questo tessuto è realizzato con fibre così resistenti da essere utilizzate come funi per sollevare dal fondo del Mar Mediterraneo la nave da crociera affondata Costa Concordia. Aggiungendo uno strato di colla induribile ai raggi UV, spesso solo pochi micron, fanno aderire i moduli solari ai fogli di questo tessuto. Questo forma una struttura solare ultraleggera e meccanicamente robusta.
“Sebbene possa sembrare più semplice stampare le celle solari direttamente sul tessuto, ciò limiterebbe la selezione di possibili tessuti o altre superfici riceventi a quelle che sono chimicamente e termicamente compatibili con tutte le fasi di lavorazione necessarie per realizzare i dispositivi. Il nostro approccio separa la produzione di celle solari dalla sua integrazione finale”, spiega Saravanapavanantham.
Superando le celle solari convenzionali
Quando hanno testato il dispositivo, i ricercatori del MIT hanno scoperto che potrebbe generare 730 watt di potenza per chilogrammo quando è indipendente e circa 370 watt per chilogrammo se distribuito sul tessuto Dyneema ad alta resistenza, che è circa 18 volte più potenza per chilogrammo. rispetto alle celle solari convenzionali.
“Una tipica installazione solare su tetto nel Massachusetts è di circa 8.000 watt. Per generare la stessa quantità di energia, il nostro fotovoltaico in tessuto aggiungerebbe solo circa 20 chilogrammi (44 libbre) al tetto di una casa “, afferma.
Hanno anche testato la durata dei loro dispositivi e hanno scoperto che, anche dopo aver arrotolato e srotolato un pannello solare in tessuto più di 500 volte, le celle conservavano ancora più del 90 percento delle loro capacità iniziali di generazione di energia.
Sebbene le loro celle solari siano molto più leggere e molto più flessibili delle celle tradizionali, dovrebbero essere racchiuse in un altro materiale per proteggerle dall’ambiente. Il materiale organico a base di carbonio utilizzato per realizzare le celle potrebbe essere modificato interagendo con l’umidità e l’ossigeno nell’aria, il che potrebbe deteriorarne le prestazioni.
“Racchiudere queste celle solari in vetro pesante, come è standard con le tradizionali celle solari al silicio, ridurrebbe al minimo il valore dell’attuale progresso, quindi il team sta attualmente sviluppando soluzioni di imballaggio ultrasottili che aumenterebbero solo in minima parte il peso degli attuali dispositivi ultraleggeri, ” dice Mwaura.
“Stiamo lavorando per rimuovere quanto più materiale non solare attivo possibile, pur mantenendo il fattore di forma e le prestazioni di queste strutture solari ultraleggere e flessibili. Ad esempio, sappiamo che il processo di produzione può essere ulteriormente semplificato stampando i substrati rilasciabili, equivalente al processo che utilizziamo per fabbricare gli altri strati nel nostro dispositivo. Ciò accelererebbe la traduzione di questa tecnologia sul mercato”, aggiunge.
Questa ricerca è finanziata, in parte, dal MIT Energy Initiative, dalla US National Science Foundation e dal Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.
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Scritto da Adam Zewe, ufficio stampa del MIT
Sfondo aggiuntivo
Documento: “Moduli fotovoltaici organici stampati su substrati ultrasottili trasferibili come fonti energetiche aggiuntive”
CREDITO
Credito: Melanie Gonick, MIT