Учёные начали печатать солнечные батареи из чернил

Новая разработка Массачусетского технологического института (MIT) — сверхлёгкие фотоэлементы на тканевой основе, что упростит их монтаж на любой поверхности. Они весят одну сотую часть от обычных солнечных панелей и вырабатывают в 18 раз больше энергии из расчёта на килограмм массы. Новые фотоэлементы распечатывают из полупроводниковых чернил. В будущем технологию можно будет масштабировать для фабричного производства.

Такие фотоэлементы можно наносить на множество поверхностей. Например, встроить в паруса, чтобы обеспечить судно электроэнергией во время плавания. Можно прикрепить к палаткам и брезентам, которые используют при ликвидации последствий стихии. Или нанести на крылья беспилотных летательных аппаратов, чтобы увеличить дальность полётов.

Исследование о новых фотоэлементах опубликовали в журнале Small Methods. Старший соавтор — Владимир Булович, заведующий кафедрой Фариборза Мази по новым технологиям, руководитель Лаборатории органической и наноструктурной электроники (ONE Lab), директор подразделений MIT.nano. Его коллеги — Маюран Сараванапаванантам, аспирант по электротехнике и информатике MIT, и Джеремая Мваура, научный сотрудник Исследовательской лаборатории электроники MIT.


— Владимир Булович, завкафедрой MIT по новым технологиям.

Традиционные кремниевые фотоэлементы хрупкие, поэтому их необходимо заключать в стекло и упаковывать в алюминиевую раму, что из-за состава изделий и их веса ограничивает количество мест и способов применения. Шесть лет назад команда ONE Lab создала иные фотоэлементы, используя новый класс тонкоплёночных материалов. Но те, прежние, ультратонкие элементы из-за сложных вакуумных процессов получились слишком дорогими для массового применения. В новой работе учёные нацелились на разработку фотоэлементов, которые можно печатать из чернил и затем масштабировать технологию их производства.

Для выпуска солнечных элементов используются наноматериалы. В так называемом чистом помещении MIT.nano ими покрывают с помощью щелевой головки основу солнечного элемента. Слои ложатся на подготовленную съёмную подложку толщиной 3 микрона. Затем используют трафаретную печать, тот же метод, каким получают принты на футболках. То есть путём «шелкографии» на изделие наносят электрический проводник. Затем исследователи снимают напечатанный модуль толщиной около 15 микрон с пластиковой подложки, и в их руках — сверхлёгкий фотоэлемент.

Чтобы решить проблему прочности, команда MIT искала лёгкую, гибкую и износостойкую подложку для крепления к ней фотоэлементов. И выбрали сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), который весит всего 13 граммов на квадратный метр. Этот материал известен в мире под торговой маркой Dyneema. Волокна из него настолько прочны, что канатами их них поднимали затонувший круизный лайнер «Коста Конкордия» со дна Средиземного моря.

Итак, используя слой отверждаемого ульрафиолетом клея толщиной в несколько микрон, учёные приклеивают солнечные модули к листам СВМПЭ. Так получается сверхлёгкая и прочная солнечная батарея.

Протестировав изделие, исследователи MIT обнаружили, что оно может генерировать 730 Вт энергии на килограмм в автономном режиме и около 370 Вт на килограмм при использовании высокопрочной ткани Dyneema, что примерно в 18 раз больше энергии на килограмм массы обычных фотоэлектрических элементов.


— Маюран Сараванапаванантам, аспирант по электротехнике и информатике MIT

Что касается долговечности, то даже после свёртывания и разворачивания тканевой солнечной панели более 500 раз, элементы по-прежнему сохраняют более 90% первоначальной способности вырабатывать электроэнергию. Однако их всё равно придётся дополнительно защищать от воздействия окружающей среды: взаимодействие с влагой и кислородом ухудшит производительность.

Джеремая Мваура, один из исследователей, признал, что защите изобретения толстым стеклом сведёт к минимуму ценность инновации. Так что теперь их команда разрабатывает ультратонкие упаковочные решения, которые лишь незначительно увеличат вес сверхлёгких устройств.