近日，麻省理工学院(MIT)的研究人员开发了一种超薄轻质光伏电池，这种光伏电池每千克的发电量是传统光伏电池板的18倍，并且可以很容易地部署到各种物体的表面。
据报道，这种柔韧且耐用的光伏电池的厚度比头发薄得多，它们可以粘附在坚固而轻质的织物上，并且很容易贴在固定物体的表面，可以作为一种可穿戴的织物提供电力，也可以在偏远地区运输和快速部署，能够在紧急情况下提供电力。其重量是传统光伏电池板的百分之一，其每千克的发电量是传统光伏电池板的18倍，并且可以采用半导体油墨通过印刷工艺实现大规模生产。
由于这些光伏电池非常薄且重量轻，因此可以贴在许多不同物体的表面上。例如，它们可以贴在船帆上为其海上航行提供动力；可以粘附在帐篷和防水布上，用于灾难恢复和救援；或者应用到无人机的机翼上以扩大飞行距离。当然，这种轻质光伏电池还可以轻松安装在建筑表面。
Fariborz Maseeh新兴技术主席、麻省理工学院有机与纳米结构电子实验室(ONE实验室)主任Vladimir Bulovi?在其发表的阐述这项技术的论文中说，“用于评估新的光伏电池的技术指标通常仅限于能量转换效率和单位成本。同样重要的是可集成性，也就是新技术的适应性。轻质光伏织物具有可集成性，可以在几乎任何物体上安装。鉴于目前迫切需要部署可再生能源，我们致力于加速光伏系统的采用。”
与Bulovi?一起发表论文的还有麻省理工学院电气工程和计算机科学专业的研究生Mayuran Saravanapavanantham以及麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家Jeremiah Mwaura。
越来越薄的光伏电池
传统的晶体硅光伏电池很脆弱，因此必须采用厚重的玻璃和铝框架进行封装，但这种形式限制了它们的部署地点和方式。
ONE实验室的研究团队在六年前使用一种新兴的薄膜材料生产出光伏电池，这种材料非常轻，甚至可以放在肥皂泡上。但这些超薄光伏电池是采用复杂的真空工艺制造的，这种工艺成本高昂，因此难以实现大规模生产。
在研究中，他们开始使用基于半导体油墨和可扩展的制造技术来开发可打印的薄膜光伏电池。
为了生产这种光伏电池，研究人员使用了一种可打印的纳米材料。他们在麻省理工学院纳米洁净室中使用槽模涂布机涂覆光伏电池结构，这种涂布机将电子材料层沉积到制备好的可释放的基底上，该基底只有3微米厚。然后通过丝网印刷工艺(一种类似于将图案添加到T恤上的技术)在结构上沉积电极以构建光伏组件。
研究人员然后可以将大约15微米厚的打印模块从塑料基板上剥离，以形成超轻光伏组件。但这种超薄的光伏组件很难处理，而且很容易撕裂，这将使其难以部署。为了解决这一问题，麻省理工学院的研究团队发现了一种轻质、柔性和高强度的基材，可以将光伏电池附着在基材上面，而织物是最佳的一个解决方案，因为它们提供了机械弹性和灵活性，而且几乎没有增加重量。
他们找到了一种理想的复合材料，每平方米只有13克重，其商业名称为Dyneema。这种织物是由非常坚固的纤维制成的，这种纤维甚至用作打捞沉船的绳索。研究人员通过添加一层只有几微米厚的紫外线固化胶，可以将光伏组件粘附在这种织物上，因此可以形成超轻且坚固的光伏结构。
Saravanapavanantham解释说：“虽然直接在织物上打印光伏电池似乎更简单，但这将限制可能的织物或其他接收表面的选择，为了使其与制造设备所需的所有加工步骤在化学和热方面兼容，我们的方法将光伏电池的制造与最终的集成分离开来。”
超越传统光伏电池
当测试这种新型光伏电池时，研究人员发现，当它独立部署时，每千克可以产生730W的电力；如果部署在高强度的Dyneema织物上，每千克可以产生370W的电力，其发电量是传统光伏电池板的18倍。
Saravanapavanantham说，“马萨诸塞州的一个典型屋顶光伏系统功率大约为8kW。为了产生同样多电力，我们在屋顶安装的超薄光伏电池只增加20千克的重量。”他表示，研究人员还测试了这种光伏电池的耐久性，发现即使滚动和展开500多次，仍然保留了90%以上的发电能力。
虽然他们开发的超薄光伏电池比传统光伏电池要轻得多，也更灵活，但需要采用另一种材料来保护光伏电池免受环境的影响。用于制造超薄光伏电池的碳基有机材料可能通过与空气中的水分和氧气相互作用而退化，这可能会降低其性能。
Mwaura表示，“当然也可以像传统光伏电池一样，将超薄光伏电池封装在玻璃中，但这么做将会显著降低这种光伏电池带来的价值，因此我们的研究团队目前正在开发超薄封装解决方案，只会略微增加超轻光伏电池的重量。我们正在努力去除非光伏活性材料，同时仍然保持这些超轻和柔性光伏结构的形状系数和性能。例如，我们知道通过印刷可转移基板能够进一步简化制造过程，这与我们制造设备中其他层的过程相当，这种方法将加速这项技术向市场的转化。”
此外据悉，这项研究获得麻省理工学院能源计划、美国国家科学基金会和加拿大自然科学与工程研究委员会的资助。
