Pin mặt trời dát mỏng biến mọi bề mặt thành nguồn điện

Những tế bào năng lượng mặt trời dẻo dai, bền và mỏng hơn nhiều so với sợi tóc người, được dán vào một loại vải bền, nhẹ, giúp chúng dễ dàng lắp đặt trên một bề mặt cố định. Chúng có thể cung cấp năng lượng khi đang di chuyển dưới dạng vải năng lượng có thể đeo được hoặc được vận chuyển và triển khai nhanh chóng ở những địa điểm xa xôi để hỗ trợ trong trường hợp khẩn cấp. Chúng có trọng lượng bằng 1/100 so với tấm pin mặt trời thông thường, tạo ra năng lượng trên mỗi kg cao gấp 18 lần và được làm từ mực bán dẫn sử dụng quy trình in có thể được mở rộng quy mô trong tương lai để sản xuất trên diện rộng.

Vì rất mỏng và nhẹ nên loại pin mặt trời này có thể được dát mỏng lên nhiều bề mặt khác nhau. Chẳng hạn, chúng có thể được tích hợp vào cánh buồm của một chiếc thuyền để cung cấp năng lượng khi ở trên biển, gắn vào lều và tấm bạt được triển khai trong hoạt động khắc phục thảm họa hoặc gắn vào cánh máy bay không người lái để mở rộng phạm vi bay. Công nghệ năng lượng mặt trời nhẹ này dễ dàng tích hợp vào môi trường xây dựng với nhu cầu lắp đặt tối thiểu.

Vladimir Bulovic, Chủ tịch Fariborz Maseeh về Công nghệ mới nổi, lãnh đạo của Tổ chức Hữu cơ và Phòng thí nghiệm điện tử cấu trúc nano (ONE Lab), giám đốc của MIT.nano, mô tả công trình: “Các số liệu được sử dụng để đánh giá công nghệ pin mặt trời mới thường bị giới hạn ở hiệu suất chuyển đổi năng lượng và chi phí tính bằng USD trên mỗi watt.

Điều quan trọng không kém là khả năng tích hợp - sự dễ dàng mà công nghệ mới có thể được điều chỉnh. Loại vải năng lượng mặt trời nhẹ cho phép khả năng tích hợp, cung cấp động lực cho công việc hiện tại. Chúng tôi cố gắng đẩy nhanh việc sử dụng năng lượng mặt trời, do nhu cầu cấp thiết hiện nay là triển khai những nguồn năng lượng mới không carbon”. Tham gia cùng Bulovic là đồng tác giả chính Mayuran Saravanapavanantham, sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại MIT;và Jeremiah Mwaura, nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử của MIT.

Pin mặt trời silicon truyền thống rất dễ vỡ, vì vậy chúng phải được bọc trong thủy tinh và đóng gói trong khung nhôm dày và nặng, điều này hạn chế vị trí và cách thức chúng có thể được triển khai. Trước đây, nhóm ONE Lab đã sản xuất pin mặt trời bằng cách sử dụng một loại vật liệu màng mỏng mới nổi có trọng lượng nhẹ đến mức có thể đặt trên bong bóng xà phòng. Nhưng loại pin mặt trời siêu mỏng này được chế tạo bằng quy trình phức tạp, dựa trên chân không, tốn kém và khó mở rộng quy mô. Trong nghiên cứu mới, họ bắt đầu phát triển pin mặt trời màng mỏng hoàn toàn có thể in được, sử dụng vật liệu dựa trên mực và kỹ thuật chế tạo có thể mở rộng.

Để sản xuất pin mặt trời, họ sử dụng vật liệu nano ở dạng mực điện tử in được. Làm việc trong phòng sạch MIT.nano, họ phủ lên cấu trúc pin mặt trời bằng cách sử dụng máy phủ khuôn có rãnh; lớp này sẽ phủ các lớp vật liệu điện tử lên một chất nền đã chuẩn bị sẵn, có thể tháo rời chỉ dày 3 micron. Sử dụng kỹ thuật in lụa (một kỹ thuật tương tự như cách các thiết kế được thêm vào áo phông in lụa), một điện cực được đặt trên cấu trúc để hoàn thiện mô-đun năng lượng mặt trời. Sau đó, nhóm nhà nghiên cứu tách mô-đun in có độ dày khoảng 15 micron ra khỏi đế nhựa, tạo thành một thiết bị năng lượng mặt trời siêu nhẹ.

Nhưng các mô-đun năng lượng mặt trời mỏng, độc lập như vậy rất khó xử lý và dễ bị rách, điều này sẽ khiến chúng khó triển khai. Để giải quyết thách thức, nhóm MIT tìm kiếm một chất nền nhẹ, linh hoạt và có độ bền cao có thể gắn pin mặt trời vào. Họ xác định vải là giải pháp tối ưu vì chúng mang lại khả năng đàn hồi cơ học và tính linh hoạt với ít trọng lượng tăng thêm. Họ tìm thấy một loại vật liệu lý tưởng - một loại vải tổng hợp chỉ nặng 13 gram trên một mét vuông, được biết đến với tên thương mại là Dyneema.

Loại vải này được làm từ những sợi bền đến mức chúng được sử dụng làm dây thừng để nâng con tàu du lịch bị chìm Costa Concordia lên khỏi đáy biển Địa Trung Hải. Bằng cách thêm một lớp keo chỉ dày vài micron, nhóm nhà khoa học dán các mô-đun năng lượng mặt trời vào các tấm vải này. Điều này tạo thành một cấu trúc năng lượng mặt trời siêu nhẹ và chắc chắn về mặt cơ học.

Khi thử nghiệm thiết bị, nhóm nhà nghiên cứu MIT phát hiện nó có thể tạo ra 730 watt điện trên mỗi kg khi ở trạng thái tự do và khoảng 370 watt trên mỗi kg nếu được triển khai trên vải Dyneema có độ bền cao - tức là công suất trên mỗi kg cao hơn khoảng 18 lần so với pin mặt trời thông thường. Nhóm nhà nghiên cứu cũng kiểm tra độ bền thiết bị và nhận thấy ngay cả sau khi cuộn và mở tấm pin mặt trời bằng vải hơn 500 lần, các tế bào vẫn giữ được hơn 90% khả năng phát điện ban đầu. Mặc dù pin mặt trời mới nhẹ hơn và linh hoạt hơn nhiều so với pin truyền thống, nhưng chúng vẫn sẽ cần được bọc trong một vật liệu khác để bảo vệ môi trường.

Mwaura bình luận: “Việc bọc các pin mặt trời này trong thủy tinh nặng, theo tiêu chuẩn pin mặt trời silicon truyền thống, sẽ giảm thiểu giá trị của tiến bộ hiện tại, vì vậy nhóm hiện đang phát triển các giải pháp đóng gói siêu mỏng sẽ chỉ làm tăng một chút trọng lượng của các thiết bị siêu nhẹ hiện tại. Chúng tôi đang làm việc để loại bỏ càng nhiều vật liệu không hoạt động với năng lượng mặt trời càng tốt trong khi vẫn giữ được yếu tố hình thức và hiệu suất cấu trúc năng lượng mặt trời siêu nhẹ và linh hoạt này”.