El MIT desarrolla células solares ultrafinas
Dec 16, 2022
La energía solar es la fuente de energía más abundante del mundo y el desarrollo de células solares eficientes y estables puede aliviar significativamente la crisis energética mundial, y la tecnología de células solares se considera un pilar clave de la transición hacia la energía limpia. En el futuro, las células solares desempeñarán un papel cada vez más importante en el desarrollo tecnológico y la producción, no solo para tejados y granjas solares, sino también para alimentar máquinas aeroespaciales automatizadas como aviones y satélites.
Junto con el desarrollo de procesos de fabricación para componentes electrónicos semiconductores, el mundo ha visto una extraordinaria cantidad de investigación sobre células solares y una amplia gama de tecnologías de fabricación. Entre estos, las células solares de células ultrafinas son una promesa única en este campo porque se pueden aplicar a una variedad de superficies irregulares, curvas o inadecuadas, y pueden reducir el consumo de materiales y los requisitos de fabricación, lo que reduce directamente los costos.
En un artículo reciente publicado en el último número de la revista Small Methods, los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) dicen que han desarrollado una célula solar ultrafina que puede convertir rápida y fácilmente cualquier superficie en una fuente de energía. La celda solar, que es más delgada que un cabello humano y se adhiere a un trozo de tela, pesa solo una centésima parte de un panel solar convencional pero produce 18 veces más electricidad por kilogramo y puede integrarse en velas de barcos, carpas de socorro y lonas, las alas de los drones y las superficies de varios edificios.
Una instalación solar típica en un tejado de Massachusetts consume unos 8000 vatios", afirma Mayuran Saravanapavanantham, coautora principal del artículo. Para generar la misma cantidad de electricidad, nuestra estructura fotovoltaica solo requiere unos 20 kg (44 libras). ) para ser agregado al techo de una casa".
La creación de células solares ultrafinas
El equipo del MIT detrás de la tecnología buscó aprovechar sus avances anteriores en la ciencia de los materiales, y en 2016 completó una celda solar ultradelgada que es lo suficientemente pesada como para sentarse en una pompa de jabón sin romperse. Las técnicas tradicionales para la fabricación de células solares requieren cámaras de vacío y costosos métodos de deposición de vapor. Esta vez, para ampliar la tecnología, los científicos recurrieron a nanomateriales imprimibles basados en tinta electrónica para simplificar el proceso.
Células solares ultrafinas
En una sala nano-limpia, los investigadores utilizaron un recubridor de extrusión para depositar capas de material nanoelectrónico sobre un sustrato de 3 micras de espesor, seguido de serigrafía para imprimir los electrodos y completar el módulo solar, seguido de pelado del módulo impreso. que tiene un grosor de aproximadamente 15 micrones, del sustrato de plástico para formar un módulo de dispositivo solar ultraligero. Pero este módulo solar delgado e independiente es difícil de manejar y se rompe fácilmente, lo que dificulta su despliegue.
Por lo tanto, los investigadores despegaron y pegaron el módulo a un sustrato de tela que proporcionó la resistencia mecánica necesaria para evitar el desgarro. El sustrato liviano y flexible, basado en el material compuesto Dyneema, pesa solo 13 gramos por metro cuadrado y puede adherirle células solares. Al agregar una capa de adhesivo de curado que tiene solo unas pocas micras de espesor, los módulos solares se pueden unir a Dyneema, lo que da como resultado una estructura solar ultraligera y robusta.
Excelente rendimiento y amplias perspectivas de aplicación
Este sistema fotovoltaico de tejido duradero tiene un grosor de 50 micrones y pesa menos de 1 gramo de área de módulo (equivalente a una densidad de área de 105 g/m2). Las pruebas experimentales han demostrado que las células solares ultrafinas independientes pueden producir 730 vatios por kilogramo y, si se unen a un tejido "Power Horse" de alta resistencia, también pueden alcanzar una potencia específica de 370 vatios por kilogramo, 18 veces la de las células solares convencionales. La integración de los módulos ultrafinos en el tejido compuesto los hace mecánicamente flexibles y estos sistemas fotovoltaicos de tejido conservan su rendimiento después de 500 ciclos de enrollado, con más del 90 por ciento de su capacidad de generación de energía inicial. Además, este método de producción de celdas se puede ampliar para producir celdas flexibles con áreas más grandes.
Ilustración: módulo OPV y dispositivo Parylene separado. A) Fotografía del módulo OPV completado sobre un sustrato de PET. B) Características de corriente-voltaje del dispositivo de control (PET-IMI, PET-AgNW) y Parylene en el dispositivo PET antes y después del desprendimiento del soporte PET.
Las células solares ultrafinas han dado impulso a la búsqueda de fuentes de energía alternativas. Debido a que estas células solares son tan delgadas y livianas, se pueden colocar en muchas superficies diferentes. Por ejemplo, pueden integrarse en las velas de los barcos para proporcionar energía en el mar, adherirse a tiendas de campaña y lonas desplegadas en operaciones de recuperación ante desastres o aplicarse a las alas de los drones para ampliar su alcance de vuelo. Esta tecnología solar liviana también se puede integrar fácilmente en el entorno construido y puede tener un impacto significativo en el futuro diseño y construcción de la industria de la construcción. Además, estas células solares portátiles pueden alimentarse como estructuras de energía portátiles sobre la marcha, o pueden transportarse y desplegarse rápidamente en áreas remotas para brindar asistencia en situaciones de emergencia.
Futuros retos
Los investigadores dicen que si bien sus celdas solares son más livianas y flexibles que las celdas convencionales, deben estar recubiertas de otro material para protegerlas del medio ambiente. Y el material orgánico a base de carbono utilizado para fabricar estas células puede alterarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría reducir el rendimiento de las células.
Foto: Células solares ultrafinas bajo prueba
Según Jeremiah Mwaura, científico investigador del Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT, encerrar estas células solares en vidrio pesado, como es la práctica estándar para las células solares de silicio tradicionales, minimizaría el valor de los avances actuales, por lo que el equipo está desarrollando actualmente un embalaje ultrafino. soluciones para hacer frente a la degradación de las células de los impactos ambientales, lo que sólo añadiría dispositivos ultraligeros por una fracción del peso.
Jeremiah Mwaura agregó: "Estamos tratando de eliminar la mayor cantidad posible de material no solar activo, al tiempo que conservamos la forma y el rendimiento de estas estructuras solares ultraligeras y flexibles. Sabemos, por ejemplo, que el proceso de fabricación puede ser más simplificado mediante la impresión de sustratos liberables, equivalente al proceso que usamos para hacer las otras capas en nuestros dispositivos. Esto acelerará la traducción de esta tecnología al mercado".
A medida que continúa desarrollándose el nivel de la ciencia y la tecnología, el descubrimiento y el uso de una amplia variedad de nuevos materiales, tecnologías y fuentes de energía seguramente seguirán impulsando el desarrollo de aplicaciones de celdas solares. Las células solares ultrafinas también crearán un mayor valor para la sociedad en un futuro próximo.