像纸一样薄，可让任何表面都变成电源的太阳能电池
像纸一样薄，可让任何表面都变成电源的太阳能电池
麻省理工学院的工程师们开发出了一种超轻纤维太阳能电池，可以快速、轻松地将任何表面转变为电源。
这些耐用、柔性太阳能电池，比人的头发还要薄得多，它们被粘在一块坚固、轻盈的织物上，使其易于安装在固定的表面上。它们可以作为一种可穿戴的电力织物在旅途中提供能量，也可以运输至偏远地区并进行快速部署，以在紧急情况下提供帮助。它们的重量是传统太阳能电池板的百分之一，每千克发电量是传统太阳能板的18倍，它们由半导体油墨制成，采用印刷工艺，未来可进行扩大生产制造。
由于这些太阳能电池非常薄且重量轻，因此可以将它们层压在许多不同的表面上。例如，它们可以集成在船的帆上，在海上可为船只提供动力，粘附在灾后重建时所搭建的帐篷和防水布上，或者应用在无人机的机翼上，以扩大其飞行范围和距离。这种轻型太阳能技术可以很容易地集成到建筑环境中，无需很复杂的安装要求。
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“用于评估新太阳能电池技术的指标通常限于功率转换效率和每瓦美元的成本。而同样重要的是可积性，即新技术的易用性。这种轻薄的太阳能织物实现了可积性，并为当前的工作提供了动力。鉴于目前对于无碳排放能源的急切需求，我们正努力实现对于太阳能的采用。”Fariborz Maseeh新兴技术主席、有机和纳米结构电子实验室（ONE Lab）负责人、MIT.nano主任Vladimir Bulović表示。
让太阳能电池更苗条
传统的硅太阳能电池很脆弱，因此必须用玻璃包裹，并用厚重的铝框架封装，这限制了它们的安装位置和方式。
六年前，ONE Lab团队使用一种新兴的薄膜材料生产太阳能电池，这种材料非常轻，以至于可以立在肥皂泡上。但是，这些超薄太阳能电池是使用复杂的真空工艺制造的，因此实现规模化生产非常昂贵，且具有挑战性。
在此次研究工作中，研究人员着手开发了完全可打印的薄膜太阳能电池，使用基于墨水的材料和可规模化生产的制造技术。
为了生产这些太阳能电池，研究人员使用可打印的电子墨水形式的纳米材料。在MIT.nano的洁净室，他们使用狭缝式涂布机涂布太阳能电池结构，将电子材料层沉积到制备好的、可释放的基板上，该基板只有3微米厚。使用丝网印刷（一种类似于将设计图案添加到丝网T恤上的技术）在结构上沉积电极完成太阳能模块。
然后，研究人员可以将厚度约为15微米的印刷模块从塑料基板上剥离，形成一个超轻太阳能设备。
但这种轻薄而独立的太阳能模块很难处理，而且很容易撕裂，这使其难以部署。为了解决这一挑战，麻省理工学院的团队寻找到了一种轻质、柔软、高强度的基材，它们可以将太阳能电池粘附在其上。他们认为织物是*佳解决方案，因为它们可以在几乎不增加重量的情况下提供了机械弹性和灵活性。
他们发现了一种理想的材料——一种每平方米仅重13克的复合织物材料，商业上被称为Dyneema。这种织物是由非常坚固的纤维制成的，它们被用作过将沉没的邮轮Costa Concordia号从地中海底部吊起的绳索。通过添加一层只有几微米厚的紫外线固化胶，他们可以将太阳能模块粘附在这种织物上。这形成了一个超轻且机械坚固的太阳能电池结构。
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Saravanapavanantham解释道：“虽然将太阳能电池直接打印在织物上可能会显得更简单，但这将限制能与制造设备所需的所有工艺步骤在化学和热方面兼容的织物或其他接收表面的选择。我们的方法能将太阳能电池制造与其*终集成分离。”
超越传统太阳能电池
当他们测试该设备时，麻省理工学院的研究人员发现，单独测时，该设备每千克可产生730瓦的功率，如果将其部署在高强度的Dyneema织物上时，则每千克约产生370瓦的功率。
Saravanapavanantham表示：“马萨诸塞州典型的屋顶太阳能装置产生的电力约为8000瓦。要产生同样的电力，我们的织物光伏只会为屋顶增加约20公斤（44磅）的重量。”
他们还测试了设备的耐久性，发现即使在将织物太阳能电池板滚动和展开500多次后，电池仍保持了90%以上的原始发电能力。
虽然他们的太阳能电池比传统电池更轻、更灵活，但他们仍需要用另一种材料来保护它们不受环境影响。用于制造电池的碳基有机材料可以通过与空气中的水分和氧气相互作用进行改性，这可能会降低电池的性能。
另一研究人员Mwaura表示：“将这些太阳能电池封装在厚玻璃中（这是传统硅太阳能电池的标准做法），将大大降低当前我们获得的进步的价值，因此该团队目前正在开发超薄封装解决方案，只会略微增加当前超轻设备的重量。”
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