18 veces más energía: los investigadores del MIT han desarrollado células solares ultradelgadas y livianas

Por Adam Zewe, Instituto Tecnológico de Massachusetts 22 de enero de 2023

Las células solares de película delgada pesan unas 100 veces menos que las células solares convencionales y generan unas 18 veces más energía por kilogramo. Crédito: Melanie Gonick, MIT

Un equipo de investigadores ha desarrollado una nueva técnica para producir células solares ultrafinas y ligeras que se pueden integrar perfectamente en cualquier superficie.

Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han creado nuevas células solares de tela ultraligeras, que pueden transformar cualquier superficie en una fuente de energía con facilidad y rapidez.

Estas células solares duraderas y flexibles, que son mucho más delgadas que un cabello humano, están pegadas a una tela fuerte y liviana, lo que las hace fáciles de instalar en una superficie fija. Pueden proporcionar energía sobre la marcha como un tejido de energía portátil o transportarse y desplegarse rápidamente en ubicaciones remotas para asistencia en emergencias. Tienen una centésima parte del peso de los paneles solares convencionales, generan 18 veces más energía por kilogramo y están hechos de tintas semiconductoras utilizando procesos de impresión que pueden escalarse en el futuro a la fabricación en grandes áreas.

Debido a que son tan delgadas y livianas, estas células solares se pueden laminar en muchas superficies diferentes. Por ejemplo, podrían integrarse en las velas de un barco para proporcionar energía en el mar, adherirse a tiendas de campaña y lonas que se despliegan en operaciones de recuperación de desastres o aplicarse a las alas de drones para ampliar su alcance de vuelo. Esta tecnología solar liviana se puede integrar fácilmente en entornos construidos con necesidades mínimas de instalación.

Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica de fabricación escalable para producir células solares ultrafinas y ligeras que se pueden pegar en cualquier superficie. Crédito: Melanie Gonick, MIT

"The metrics used to evaluate a new solar cell technology are typically limited to their power conversion efficiency and their cost in dollars-per-watt. Just as important is integrability — the ease with which the new technology can be adapted. The lightweight solar fabrics enable integrability, providing impetus for the current work. We strive to accelerate solar adoption, given the present urgent need to deploy new carbon-free sources of energy," says Vladimir Bulović, the Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader of the Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), director of MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT.nano, y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.

Junto a Bulović en el artículo están los coautores principales Mayuran Saravanapavanantham, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT; y Jeremiah Mwaura, científico investigador del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. La investigación fue publicada recientemente en la revista Small Methods.

Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, por lo que deben revestirse de vidrio y empaquetarse en un marco de aluminio pesado y grueso, lo que limita dónde y cómo se pueden implementar.

Hace seis años, el equipo de ONE Lab produjo células solares utilizando una clase emergente de materiales de película delgada que eran tan livianos que podían colocarse encima de una pompa de jabón. Pero estas células solares ultrafinas se fabricaron mediante procesos complejos basados ​​en el vacío, que pueden ser costosos y difíciles de ampliar.

En este trabajo, se propusieron desarrollar células solares de película delgada que fueran completamente imprimibles, utilizando materiales basados ​​en tinta y técnicas de fabricación escalables.

Para producir las células solares, utilizan nanomateriales que se encuentran en forma de tintas electrónicas imprimibles. Trabajando en la sala limpia de MIT.nano, recubren la estructura de la celda solar utilizando un recubridor de matriz ranurada, que deposita capas de los materiales electrónicos en un sustrato liberado preparado que tiene solo 3 micrones de espesor. Mediante serigrafía (una técnica similar a cómo se añaden diseños a las camisetas serigrafiadas), se deposita un electrodo sobre la estructura para completar el módulo solar.

Luego, los investigadores pueden despegar el módulo impreso, que tiene un grosor de aproximadamente 15 micrones, del sustrato de plástico, formando un dispositivo solar ultraligero.

Pero estos módulos solares delgados e independientes son difíciles de manejar y pueden rasgarse fácilmente, lo que dificultaría su implementación. Para resolver este desafío, el equipo del MIT buscó un sustrato liviano, flexible y de alta resistencia al que pudieran adherirse las células solares. Identificaron los tejidos como la solución óptima, ya que proporcionan resistencia mecánica y flexibilidad con poco peso añadido.

Encontraron un material ideal: un tejido compuesto que pesa solo 13 gramos por metro cuadrado, conocido comercialmente como Dyneema. Este tejido está hecho de fibras que son tan fuertes que se usaron como cuerdas para levantar el crucero hundido Costa Concordia desde el fondo del mar Mediterráneo. Añadiendo una capa de cola curable por UV, de tan solo unas micras de espesor, adhieren los módulos solares a las láminas de este tejido. Esto forma una estructura solar ultraligera y mecánicamente robusta.

"Si bien puede parecer más simple imprimir las células solares directamente sobre la tela, esto limitaría la selección de posibles telas u otras superficies receptoras a las que son química y térmicamente compatibles con todos los pasos de procesamiento necesarios para fabricar los dispositivos. enfoque desvincula la fabricación de células solares de su integración final", explica Saravanapavanantham.

Cuando probaron el dispositivo, los investigadores del MIT descubrieron que podía generar 730 vatios de potencia por kilogramo cuando se colocaba de forma independiente y alrededor de 370 vatios por kilogramo si se desplegaba sobre el tejido Dyneema de alta resistencia, que es unas 18 veces más potencia por kilogramo. que las células solares convencionales.

"Una instalación solar típica en un techo en Massachusetts es de aproximadamente 8000 vatios. Para generar la misma cantidad de energía, nuestra energía fotovoltaica de tela solo agregaría unos 20 kilogramos (44 libras) al techo de una casa", dice.

También probaron la durabilidad de sus dispositivos y descubrieron que, incluso después de enrollar y desenrollar un panel solar de tela más de 500 veces, las celdas aún conservaban más del 90 por ciento de sus capacidades iniciales de generación de energía.

Si bien sus celdas solares son mucho más livianas y mucho más flexibles que las celdas tradicionales, deberían revestirse con otro material para protegerlas del medio ambiente. El material orgánico a base de carbono utilizado para fabricar las células podría modificarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría deteriorar su rendimiento.

"Encerrar estas células solares en vidrio pesado, como es estándar con las células solares de silicio tradicionales, minimizaría el valor del presente avance, por lo que el equipo está desarrollando actualmente soluciones de empaque ultradelgadas que solo aumentarían una fracción del peso de los dispositivos ultraligeros actuales. ", dice Mwaura.

"Estamos trabajando para eliminar la mayor cantidad posible de material no solar activo sin dejar de conservar el factor de forma y el rendimiento de estas estructuras solares flexibles y ultraligeras. Por ejemplo, sabemos que el proceso de fabricación se puede simplificar aún más imprimiendo el sustratos, equivalente al proceso que usamos para fabricar las otras capas en nuestro dispositivo. Esto aceleraría la traducción de esta tecnología al mercado", agrega.

Referencia: "Módulos fotovoltaicos orgánicos impresos en sustratos ultrafinos transferibles como fuentes de energía aditivas" por Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura y Vladimir Bulović, 9 de diciembre de 2022, Small Methods.DOI: 10.1002/smtd.202200940

El estudio fue financiado por la Iniciativa de Energía del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.