Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) vyvinuli ultralehké a tenké fotovoltaické články, které mohou snadno a rychle proměnit jakýkoli povrch ve zdroj elektrické energie. Odolné a pružné solární články, které jsou mnohem tenčí než lidský vlas, jsou přilepené na pevnou a lehkou tkaninu, takže je lze snadno instalovat téměř kamkoli, informuje web MIT News.
Toto řešení lze využít například jako nositelnou tkaninu pro výrobu elektřiny na cestách. Může být snadno přepravováno a rychle nasazeno v odlehlých místech jako pomoc v nouzových situacích. Váží jen setinu toho, co běžné solární panely, a přitom na kilogram hmotnosti generuje osmnáctkrát více energie.
Vytištěné solární panely
Protože jsou nové solární články velmi tenké a lehké, lze je nanášet na různé povrchy. Mohly by být například integrovány do plachet lodí, kde by poskytovaly energii na moři, lze je nalepit na stany a plachty, které se používají při odstraňování následků katastrof, nebo na ramena dronů, aby se prodloužil jejich dolet. Tuto lehkou solární technologii lze snadno integrovat do téměř jakéhokoli prostředí s minimálními nároky na instalaci.
„Metriky používané k hodnocení nové technologie solárních článků se obvykle omezují na jejich účinnost přeměny energie a cenu v dolarech za watt. Stejně důležitá je i integrovatelnost – snadnost, s jakou lze novou technologii přizpůsobit. Lehké solární tkaniny umožňují snadnou začlenitelnost, což je podnětem pro současnou práci.“ říká vedoucí katedry Vladimir Bulović.
Vědci své úspěchy prezentovali ve článku Tištěné organické fotovoltaické moduly na přenosných ultratenkých substrátech jako aditivní zdroje energie, publikovaném minulý týden v odborném časopise Small Methods. Tenkovrstvá fotovoltaika s funkčními součástmi o velikosti několika mikronů dle nich představuje cestu k realizaci na libovolném povrchu bez nadměrného zvýšení hmotnosti.
V jednoduchosti je síla
Tradiční křemíkové solární články jsou křehké, takže musí být uzavřeny ve skle a zabaleny v těžkém, silném hliníkovém rámu, což omezuje způsoby jejich použití a místa, na která je lze aplikovat. Před šesti lety tým ONE Lab vyrobil solární články s využitím nové třídy tenkovrstvých materiálů, které byly tak lehké, že se daly umístit na vrchol mýdlové bubliny. Vyráběly se však příliš složitými procesy ve vakuu, přičemž výroba byla drahá a obtížně škálovatelná.
Odborníci se tedy rozhodli vyvinout tenké solární články, které jsou plně tisknutelné, s použitím materiálů na bázi inkoustu a škálovatelných výrobních technik. K výrobě používají nanomateriály v podobě tisknutelných elektronických inkoustů. Pomocí metody slot-die coater nanášejí na substrát o tloušťce pouhé 3 mikrony strukturu solárního článku ve vrstvách z elektronických materiálů.
Následně se vytištěný modul o tloušťce asi 15 mikronů odlepí od plastového substrátu, čímž vznikne ultralehké solární zařízení. S takto tenkými moduly se však obtížně manipuluje, neboť se mohou snadno roztrhnout, což by znesnadňovalo jejich nasazení. Vědci tedy hledali lehký, pružný a pevný substrát, na který by mohli solární články přilepit. Za optimální řešení označili tkaniny, poskytující mechanickou odolnost a flexibilitu při nízké hmotnosti.
Hledání vhodného podkladu
Nakonec našli ideální materiál – kompozitní tkaninu, vážící pouhých 13 gramů na metr čtvereční, komerčně označovanou jako Dyneema. Je vyrobena z vláken, která jsou tak pevná, že byla použita jako lana k vyzdvižení potopené výletní lodi Costa Concordia ze dna Středozemního moře. Přidáním jen několika mikronů silné vrstvy lepidla vytvrzeného UV zářením se solární moduly přilepí na pláty této tkaniny, čímž vznikne lehká a mechanicky odolná konstrukce.
„I když by se mohlo zdát jednodušší tisknout solární články přímo na tkaninu, omezilo by to výběr možných tkanin nebo jiných povrchů na ty, které jsou chemicky a tepelně kompatibilní se všemi kroky potřebnými k výrobě zařízení. Náš přístup odděluje výrobu solárních článků od jejich konečné integrace,“ vysvětluje Mayuran Saravanapavanantham.
Pochopitelně bylo nutné otestovat praktickou odolnost a trvanlivost takto vyrobených zařízení. Výsledky ukázaly, že po více než 500 procesech srolování a opětovného rozbalení látkového solárního panelu si články zachovaly více než 90 % své původní schopnosti vyrábět energii.
Lehký, pružný a efektivní panel
Při testování vědci z MIT zjistili, že článek sám o sobě může generovat 730 wattů na kilogram a přibližně 370 wattů na kilogram, pokud je umístěn tkanině Dyneema, což je přibližně osmnáctkrát více výkonu na kilogram než u běžných fotovoltaických panelů.
„Typická střešní solární instalace v Massachusetts má výkon asi 8 000 wattů. K výrobě stejného množství energie naše látkové fotovoltaické články přidají na střechu domu jen asi 20 kilogramů,“ vyzdvihuje jednu z hlavních výhod Saravanapavanantham.
Vědci nyní budou muset vyřešit otázku ochrany tohoto typu solárních článků před vnějšími vlivy. Organický materiál na bázi uhlíku, ze kterého jsou články vyrobeny, by totiž mohl při interakci s vlhkostí a kyslíkem měnit své vlastnosti, což by mohlo zhoršit výkon.
Uzavření do těžkého skla, jak je standardem u tradičních křemíkových fotovoltaických panelů, by smazalo jednu z hlavních výhod celého řešení. Proto tým MIT v současné době pracuje na ultratenké ochraně, která by pouze nepatrně zvýšila hmotnost celého zařízení.