Такие солнечные элементы могут транспортироваться и быстро развертываться в удаленных местах. Поскольку они тонкие и легкие, их можно ламинировать на самых разных поверхностях. Солнечные элементы могут быть интегрированы в паруса лодки для обеспечения питания в море, прикреплены к палаткам, которые устанавливаются во время ликвидации последствий стихийных бедствий, или установлены на крыльях дронов для увеличения дальности их полета. Традиционные кремниевые солнечные элементы хрупкие и тяжелые, что сильно ограничивает варианты их использования.
Шесть лет назад группа ученых из Лаборатории органической и наноструктурной электроники MIT произвела солнечные элементы, используя развивающийся класс тонкопленочных материалов, которые были настолько легкими, что могли находиться на мыльном пузыре. Но эти ультратонкие солнечные элементы были изготовлены с использованием сложных вакуумных процессов, слишком дорогих для масштабирования. В новом исследовании ученые поставили целью разработать тонкопленочные солнечные элементы, полностью пригодные для печати, с использованием материалов на основе чернил и масштабируемых технологий производства.
Для изготовления солнечных элементов использовались наноматериалы в виде электронных чернил. Толщина подложки, на которой выполняется печать, составляет всего три микрона, а толщина готового модуля не превышает 15 микрон.
С такими тонкими солнечными модулями сложно обращаться — они очень хрупкие, что затрудняет их использование. Чтобы решить эту проблему, команда MIT искала легкую, гибкую и высокопрочную подложку, к которой можно было бы прикрепить солнечные элементы. Идеальным материалом оказалась композитная ткань весом всего 13 грамм на квадратный метр, известная как Dyneema. Она изготовлена из настолько прочных волокон, что канаты из этого материала использовали для подъема со дна Средиземного моря затонувшего круизного лайнера Costa Concordia.
Почему не печатать элементы сразу на ткани? Как объясняют ученые, это ограничит выбор возможных тканей или других принимающих поверхностей теми, что химически и термически совместимы со всеми этапами обработки, необходимыми для изготовления устройств. А таких окажется немного и итоговые характеристики будут хуже, чем у получившегося решения.
Когда исследователи из MIT протестировали устройство, оказалось, что оно может генерировать 730 ватт энергии на килограмм своего веса в варианте без подложки, и около 370 ватт на килограмм, если оно развернуто на высокопрочной ткани Dyneema.
Это примерно в 18 раз больше мощности на килограмм, чем у обычных солнечных батарей. Ученые также проверили долговечность своих устройств и выяснили, что даже после 500 скручиваний тканевой подложки элементы сохраняют более 90% эффективности.
Теперь ученые намерены решить проблему защиты созданных фотоэлементов от окружающей среды. Органический материал на основе углерода, используемый для изготовления элементов, взаимодействует с влагой и кислородом, что ухудшает их работу. Необходима ультратонкая упаковка, которая лишь незначительно увеличит вес нынешних сверхлегких устройств. Работа в этом направлении займет еще какое-то время, но затем новые солнечные элементы выйдут на рынок и, видимо, совершат революцию.
