纸一样薄的太阳能电池可以将任何表面变成电源

诸平

Fig. 1 MIT researchers have developed a scalable fabrication technique to produce ultrathin, lightweight solar cells that can be stuck onto any surface. Credits: Credit: Melanie Gonick, MIT

Fig. 2 The thin-film solar cells weigh about 100 times less than conventional solar cells while generating about 18 times more power-per-kilogram. Credit: Melanie Gonick, MIT

据美国麻省理工学院新闻办公室（MIT News Office）亚当·泽维（Adam Zewe）2022年12月9日报道，麻省理工学院(MIT) 的工程师开发了一种可扩展的制造技术来生产可无缝添加到任何表面的超薄、超轻织物太阳能电池, 可以快速轻松地将任何表面变成电源（Paper-thin solar cell can turn any surface into a power source）。图1(Fig. 1)是戴着手套的手拿着一张包含6×5太阳能电池网格的纸，也可以看相关视频（Watch Video）。图2是薄膜太阳能电池的重量比传统太阳能电池轻约100倍，而每千克产生的能量却高出约 18 倍。

这些耐用、灵活的太阳能电池比人的头发丝细得多，粘在坚固、轻便的织物上，使其易于安装在固定表面上。它们可以作为可穿戴动力织物在旅途中提供能量，或者被运输并快速部署到偏远地区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1/100，每千克产生的功率是传统太阳能电池板的18倍，并且由半导体油墨制成，采用未来可以扩展到大面积制造的印刷工艺。

由于它们又薄又轻，这些太阳能电池可以层压到许多不同的表面上。例如，它们可以集成到船帆上以在海上提供动力，粘附在灾难恢复行动中部署的帐篷和防水布上，或应用于无人机的机翼以扩大其飞行范围。这种轻型太阳能技术可以轻松集成到建筑环境中，安装需求极少。相关研究结果于2022年12月9日已经在《小方法》（Small Methods）杂志网站发表——Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura, Vladimir Bulović. Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra-thin Substrates as Additive Power Sources. Small Methods, First published: 9 December 2022. DOI: 10.1002/smtd.202200940. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200940

此文的通讯作者、麻省理工学院纳米（MIT.nano）主任、法里博尔兹·马西新兴技术主席（Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology）、有机和纳米结构电子实验室（Organic and Nanostructured Electronics Laboratory简称ONE Lab）负责人弗拉基米尔·布罗维科（Vladimir Bulović）说：“用于评估新太阳能电池技术的指标，通常仅限于它们的功率转换效率和每瓦成本。同样重要的是可集成性——适应新技术的难易程度。轻质太阳能织物可实现可集成性，为当前的工作提供动力。考虑到目前迫切需要部署新的无碳能源，我们努力加快太阳能的采用。”

瘦下来的太阳能电池（Slimmed down solar）

传统的硅太阳能电池很脆易碎，因此必须将它们包裹在玻璃中并封装在又重又厚的铝框架中，这限制了它们的部署位置和方式。

6年前，ONE Lab 团队使用一种新兴的薄膜材料生产了太阳能电池，这种材料非常轻，可以放在肥皂泡上。但这些超薄太阳能电池是使用复杂的真空工艺制造的，成本高昂且难以扩大规模。

在这项工作中，他们着手开发完全可印刷的薄膜太阳能电池，使用基于墨水的材料和可扩展的制造技术。

为了生产太阳能电池，他们使用可打印电子墨水形式的纳米材料。在MIT.nano无尘室工作时，他们使用槽模涂布机（slot-die coater）对太阳能电池结构进行涂层，将电子材料层沉积到准备好的、仅3 μm厚的可剥离基板上。使用丝网印刷（screen printing,一种类似于将设计添加到丝网印刷 T 恤的技术），将电极沉积在结构上以完成太阳能模块。

然后，研究人员可以将厚度约为 15 μm的印刷模块从塑料基板上剥离，从而形成超轻型太阳能设备。

但是，这种薄而独立的太阳能模块很难处理并且很容易撕裂，这会使它们难以部署。为了解决这一挑战，麻省理工学院团队寻找一种轻质、灵活且高强度的基板，他们可以将太阳能电池粘附在该基板上。他们认为织物是最佳解决方案，因为它们提供了机械弹性和柔韧性，而且几乎没有增加重量。

他们找到了一种理想的材料——一种每平方米仅重13克(13 g/m²)的复合织物，商业上称为迪尼玛 (Dyneema)。这种织物由非常坚固的纤维制成，它们被用作绳索，将沉没的游轮歌诗达协和号(Costa Concordia)从地中海(Mediterranean Sea)底部吊起。通过添加一层只有几微米厚的紫外线固化胶(UV-curable glue)，他们将太阳能模块粘附在这种织物的薄片上，这形成了超轻且机械坚固的太阳能结构。

“虽然将太阳能电池直接打印在织物上似乎更简单，但这会将限制可能的织物或其他接收表面的选择，使其在化学和热学方面与制造设备所需的所有加工步骤兼容。我们的方法将太阳能电池制造与其最终集成分离开来，”Mayuran Saravanapavanantham解释道。

超越传统太阳能电池（Outshining conventional solar cells）

当他们测试该设备时，麻省理工学院的研究人员发现它在独立时的功率为730 W/kg，如果部署在高强度迪尼玛织物上其概率则约 370 W/kg，这是传统太阳能电池单位质量功率的18倍左右。

“马萨诸塞州典型的屋顶太阳能装置约为8 kW。要产生同样多的能量，我们的织物光伏只会给房子的屋顶增加大约20 kg的重量，”他说。

他们还测试了设备的耐用性，发现即使将织物太阳能电池板卷起和展开超过500次，电池仍能保持其初始发电能力的90%以上。

虽然他们的太阳能电池比传统电池更轻、更灵活，但它们需要被包裹在另一种材料中以保护它们免受环境影响。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而改变，这可能会降低太阳能电池的性能。

“按照传统硅太阳能电池的标准，将这些太阳能电池封装在厚玻璃中，会最大限度地降低当前进步的价值，因此该团队目前正在开发超薄封装解决方案，只会略微增加现有超轻设备的重量，”Mayuran Saravanapavanantham说。

Mayuran Saravanapavanantham补充道：“我们正在努力去除尽可能多的非太阳能活性材料，同时仍保留这些超轻和柔性太阳能结构的外形和性能。例如，我们知道可以通过打印可剥离基板进一步简化制造过程，这相当于我们用来制造设备中其他层的过程。这将加速这项技术向市场的转化。”

这项研究部分由Eni S.p.A通过麻省理工学院能源计划（MIT Energy Initiative）、美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation. Grant Number: 1745302）和加拿大自然科学与工程研究委员会研究生奖学金（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Postgraduate Scholarship）的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Thin-film photovoltaics with functional components on the order of a few microns, present an avenue toward realizing additive power onto any surface of interest without excessive addition in weight and topography. To date, demonstrations of such ultra-thin photovoltaics have been limited to small-scale devices, often prepared on glass carrier substrates with only a few layers solution-processed. We demonstrate large-area, ultra-thin organic photovoltaic (PV) modules produced with scalable solution-based printing processes for all layers. We further demonstrate their transfer onto light-weight and high-strength composite fabrics, resulting in durable fabric-PV systems ～50 microns thin, weighing under 1 gram over the module area (corresponding to an area density of 105 g m⁻²), and having a specific power of 370 W kg⁻¹. Integration of the ultra-thin modules onto composite fabrics lends mechanical resilience to allow these fabric-PV systems to maintain their performance even after 500 roll-up cycles. This approach to decouple the manufacturing and integration of photovoltaics enables new opportunities in ubiquitous energy generation.