Инженеры Массачусетского технологического института разработали сверхлегкие тканевые солнечные элементы, которые могут быстро и легко превратить любую поверхность в источник энергии.
Эти прочные, гибкие солнечные элементы, которые намного тоньше человеческого волоса, приклеены к прочной и легкой ткани, что упрощает их установку на любую поверхность. Они могут обеспечивать энергией на ходу в качестве носимой энергетической ткани или транспортироваться и быстро развертываться в удаленных местах для оказания помощи в чрезвычайных ситуациях.
Сверхлегкие тканевые солнечные элементы в 100 раз легче обычных солнечных панелей, генерируют в 18 раз больше энергии на килограмм и изготавливаются из полупроводниковых чернил с использованием процессов печати, которые в будущем можно масштабировать до производства на больших площадях.
Эти солнечные элементы можно применять на самых разных поверхностях, например, они могут быть интегрированы в паруса лодки для обеспечения питания в море, прикреплены к палаткам и брезентам, которые развертываются в операциях по ликвидации последствий стихийных бедствий, или установлены на крыльях дронов для увеличения дальности их полета. Эта легкая солнечная технология может быть легко интегрирована в строительную среду с минимальными требованиями к установке.
«Метрики, используемые для оценки новой технологии солнечных батарей, обычно ограничиваются их эффективностью преобразования энергии и их стоимостью в долларах за ватт. Не менее важной является интегрируемость – легкость, с которой новая технология может быть адаптирована. Легкие солнечные ткани обеспечивают интегрируемость, придавая импульс текущей работе. Мы стремимся ускорить внедрение солнечной энергии, учитывая настоятельную необходимость развертывания новых безуглеродных источников энергии», – говорит Владимир Булович, председатель Fariborz Maseeh по новым технологиям, Лаборатории наноструктурной электроники (ONE Lab), директор MIT.nano.
Для производства солнечных элементов они используют наноматериалы в виде электронных чернил, пригодных для печати. Работая в чистой комнате MIT.nano, они покрывают структуру солнечного элемента с помощью устройства для нанесения покрытий, которое наносит слои электронных материалов на подготовленную съемную подложку толщиной всего 3 микрона.
Используя трафаретную печать (метод, аналогичный тому, как рисунки добавляются к футболкам с трафаретной печатью), электрод наносится на структуру, чтобы завершить солнечный модуль. Затем исследователи могут отделить печатный модуль толщиной около 15 микрон от пластиковой подложки, сформировав сверхлегкое солнечное устройство.
Но с такими тонкими автономными солнечными модулями сложно обращаться, и они могут легко порваться, что затруднит их развертывание. Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института искала легкую, гибкую и высокопрочную подложку, к которой можно было бы прикрепить солнечные элементы. Они определили ткани как оптимальное решение, поскольку они обеспечивают механическую устойчивость и гибкость с небольшим дополнительным весом.
Они нашли идеальный материал – композитную ткань весом всего 13 граммов на квадратный метр, известную как Dyneema. Эта ткань изготовлена из настолько прочных волокон, что их использовали в качестве канатов для подъема затонувшего круизного лайнера Costa Concordia со дна Средиземного моря. Добавляя слой УФ-отверждаемого клея толщиной всего несколько микрон, они прикрепляют солнечные модули к листам этой ткани. Это формирует сверхлегкую и механически прочную солнечную конструкцию.
«Хотя может показаться проще просто напечатать солнечные элементы прямо на ткани, это ограничит выбор возможных тканей или других принимающих поверхностей теми, которые химически и термически совместимы со всеми этапами обработки, необходимыми для изготовления устройств, подход отделяет производство солнечных элементов от их окончательной интеграции», — объясняет исследователь.
Когда протестировали устройство, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что оно может генерировать 730 ватт энергии на килограмм, когда оно стоит отдельно, и около 370 ватт на килограмм, если оно развернуто на высокопрочной ткани Dyneema, что примерно в 18 раз больше мощности на килограмм, чем обычные солнечные батареи.
«Типичная солнечная установка на крыше в Массачусетсе имеет мощность около 8000 Вт. Чтобы генерировать такое же количество энергии, наши тканевые фотогальванические элементы добавят вес крыши дома всего на 20 кг», – говорит исследователь.
Они также проверили долговечность своих устройств и обнаружили, что даже после скручивания и раскручивания тканевой солнечной панели более 500 раз элементы по-прежнему сохраняют более 90 процентов своих первоначальных возможностей по выработке энергии.