MIT entwickelt ultradünne Solarzellen

Solarenergie ist die weltweit am häufigsten vorkommende Energiequelle, und die Entwicklung effizienter und stabiler Solarzellen kann die globale Energiekrise erheblich mildern, und die Solarzellentechnologie wird als eine Schlüsselsäule des Übergangs zu sauberer Energie angesehen. In Zukunft werden Solarzellen eine immer wichtigere Rolle in der technologischen Entwicklung und Produktionslebensdauer spielen, nicht nur für Hausdächer und Solarparks, sondern auch für den Antrieb automatisierter Luft- und Raumfahrtmaschinen wie Flugzeuge und Satelliten.

Neben der Entwicklung von Herstellungsprozessen für elektronische Halbleiterkomponenten hat die Welt einen außergewöhnlichen Forschungsaufwand für Solarzellen und eine breite Palette von Herstellungstechnologien erlebt. Unter diesen sind Solarzellen mit ultradünnen Zellen auf diesem Gebiet einzigartig, da sie auf einer Vielzahl von unregelmäßigen, gekrümmten oder anderweitig ungeeigneten Oberflächen angebracht werden können und den Materialverbrauch und die Herstellungsanforderungen reduzieren können, was direkt die Kosten senkt.

In einem kürzlich in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Small Methods veröffentlichten Artikel sagen Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT), dass sie eine ultradünne Solarzelle entwickelt haben, die jede Oberfläche schnell und einfach in eine Stromquelle verwandeln kann. Die Solarzelle, die dünner als ein menschliches Haar ist und auf einem Stück Stoff haftet, wiegt nur ein Hundertstel eines herkömmlichen Solarmoduls, produziert aber 18-mal mehr Strom pro Kilogramm und kann in Bootssegel, Katastrophenschutzzelte und Planen integriert werden. die Flügel von Drohnen und die Oberflächen verschiedener Gebäude.

Eine typische Dachsolaranlage in Massachusetts hat etwa 8,000 Watt", sagt Mayuran Saravanapavanantham, Co-Hauptautor des Artikels. Um die gleiche Menge Strom zu erzeugen, benötigt unser Fabric-PV nur etwa 20 kg (44 lbs ), die auf dem Dach eines Hauses angebracht werden sollen."

Die Herstellung ultradünner Solarzellen

Das MIT-Team hinter der Technologie versuchte, auf seinen früheren Fortschritten in der Materialwissenschaft aufzubauen, und stellte 2016 eine ultradünne Solarzelle fertig, die schwer genug ist, um auf einer Seifenblase zu sitzen, ohne zu zerbrechen. Herkömmliche Techniken zur Herstellung von Solarzellen erfordern Vakuumkammern und teure Aufdampfverfahren. Dieses Mal haben sich die Wissenschaftler zur Skalierung der Technologie druckbaren Nanomaterialien auf der Basis von E-Ink zugewandt, um den Prozess zu vereinfachen.

Ultradünne Solarzellen

In einem Nano-Reinraum verwendeten die Forscher einen Extrusionsbeschichter, um Schichten aus nanoelektronischem Material auf ein 3 Mikrometer dickes Substrat aufzubringen, gefolgt von Siebdruck, um die Elektroden auszudrucken und das Solarmodul fertigzustellen, gefolgt vom Abziehen des gedruckten Moduls. das etwa 15 Mikrometer dick ist, vom Kunststoffsubstrat ab, um ein ultraleichtes Solargerätemodul zu bilden. Aber dieses schlanke, freistehende Solarmodul ist schwierig zu handhaben und reißt leicht, was es schwierig macht, es einzusetzen.

Die Forscher lösten das Modul daher ab und klebten es auf ein Gewebesubstrat, das die mechanische Festigkeit bot, die erforderlich war, um ein Reißen zu verhindern. Das leichte, flexible Substrat auf Basis des Verbundwerkstoffs Dyneema wiegt nur 13 Gramm pro Quadratmeter und kann darauf Solarzellen kleben. Durch das Hinzufügen einer nur wenige Mikrometer dicken Schicht aus aushärtendem Klebstoff können die Solarmodule mit Dyneema verklebt werden, was zu einer ultraleichten und robusten Solarstruktur führt.

Exzellente Performance und breite Anwendungsperspektiven

Dieses langlebige Gewebe-Photovoltaik-System ist 50 Mikrometer dick und wiegt weniger als 1 Gramm Modulfläche (entspricht einer Flächendichte von 105 g/m2). Experimentelle Tests haben gezeigt, dass die freistehenden ultradünnen Solarzellen 730 Watt pro Kilogramm leisten können, und wenn sie mit einem hochfesten „Power Horse“-Gewebe verklebt werden, können sie auch eine spezifische Leistung von 370 Watt pro Kilogramm erreichen, das 18-fache die herkömmlicher Solarzellen. Die Integration der hauchdünnen Module in den Gewebeverbund macht sie mechanisch flexibel und diese Gewebe-Photovoltaik-Systeme behalten ihre Leistungsfähigkeit nach 500 Aufrollzyklen bei über 90 Prozent ihrer anfänglichen Stromerzeugungskapazität. Darüber hinaus kann dieses Zellherstellungsverfahren erweitert werden, um flexible Zellen mit größeren Flächen herzustellen.

Abbildung: OPV-Modul und separates Parylene-Gerät. A) Foto des fertigen OPV-Moduls auf einem PET-Substrat. B) Strom-Spannungs-Kennlinien des Kontrollgeräts (PET-IMI, PET-AgNW) und Parylene auf dem PET-Gerät vor und nach dem Ablösen vom PET-Träger.

Ultradünne Solarzellen haben die Suche nach alternativen Energiequellen vorangetrieben. Da diese Solarzellen so dünn und leicht sind, können sie auf vielen verschiedenen Oberflächen angebracht werden. Sie können beispielsweise in Bootssegel integriert werden, um auf See Energie zu liefern, an Zelten und Planen haften, die bei Katastropheneinsätzen eingesetzt werden, oder an den Flügeln von Drohnen angebracht werden, um deren Flugreichweite zu erhöhen. Diese leichtgewichtige Solartechnologie lässt sich auch problemlos in die bebaute Umgebung integrieren und kann einen erheblichen Einfluss auf die zukünftige Gestaltung und Konstruktion der Bauindustrie haben. Darüber hinaus können diese tragbaren Solarzellen unterwegs als tragbare Energiestrukturen mit Strom versorgt oder in abgelegenen Gebieten transportiert und schnell eingesetzt werden, um in Notsituationen Hilfe zu leisten.

Zukünftige Herausforderungen

Die Forscher sagen, dass ihre Solarzellen zwar leichter und flexibler als herkömmliche Zellen sind, sie jedoch in einem anderen Material eingeschlossen werden müssen, um sie vor der Umwelt zu schützen. Und das kohlenstoffbasierte organische Material, das zur Herstellung dieser Zellen verwendet wird, kann durch Wechselwirkung mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in der Luft verändert werden, was die Leistung der Zellen beeinträchtigen könnte.

Foto: Ultradünne Solarzellen im Test

Laut Jeremiah Mwaura, einem Forscher am MIT Electronics Research Laboratory, würde das Einhüllen dieser Solarzellen in schweres Glas, wie es bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen üblich ist, den Wert der aktuellen Fortschritte minimieren, weshalb das Team derzeit ultradünne Verpackungen entwickelt Lösungen, um die Verschlechterung der Zellen durch Umwelteinflüsse anzugehen, die ultraleichten Geräten nur einen Bruchteil des Gewichts hinzufügen würden.

Jeremiah Mwaura fügte hinzu: „Wir versuchen, so viel nicht-solaraktives Material wie möglich zu entfernen und gleichzeitig die Form und Leistung dieser ultraleichten und flexiblen Solarstrukturen beizubehalten. Wir wissen zum Beispiel, dass der Herstellungsprozess weiter sein kann durch das Drucken von lösbaren Substraten vereinfacht, was dem Verfahren entspricht, mit dem wir die anderen Schichten in unseren Geräten herstellen. Dies wird die Umsetzung dieser Technologie auf dem Markt beschleunigen."

Da sich Wissenschaft und Technologie ständig weiterentwickeln, wird die Entdeckung und Nutzung einer Vielzahl neuer Materialien, Technologien und Energiequellen die Entwicklung von Solarzellenanwendungen sicherlich weiter vorantreiben. Auch ultradünne Solarzellen werden in naher Zukunft einen größeren Mehrwert für die Gesellschaft schaffen.