太陽能是全球儲(chǔ)備最為豐富的能源，利用好太陽能并開發(fā)高效且穩(wěn)定的太陽能電池能夠極大地緩解全球的能源危機(jī)，太陽能電池技術(shù)也被視為清潔能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支柱。在未來的科技發(fā)展及生產(chǎn)生活中，太陽能電池將會(huì)承擔(dān)越來越重要的作用，它們不僅可用于屋頂和太陽能發(fā)電場(chǎng)，還可用于為飛機(jī)和人造衛(wèi)星等自動(dòng)作業(yè)的航空航天機(jī)器提供動(dòng)力。

伴隨半導(dǎo)體電子元器件制造工藝的發(fā)展，全球?qū)μ柲茈姵卣归_了異?；钴S的研究，制造技術(shù)也百花齊放。其中，超薄電池太陽能電池在該領(lǐng)域具有獨(dú)特的前景，因?yàn)樗鼈兛梢詰?yīng)用于各種不規(guī)則的、彎曲的或其他不適合的表面，并且可以減少材料消耗和制造需求，直接降低成本。

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）工程師在最新一期《小方法》雜志上刊發(fā)論文稱，他們開發(fā)出一款超薄太陽能電池，可快速方便地將任何表面變?yōu)?a target="_blank">電源。這款比人頭發(fā)絲還纖薄的太陽能電池黏附于一塊織物上，重量?jī)H為傳統(tǒng)太陽能電池板的百分之一，但每千克的發(fā)電量是其18倍，可集成在船帆、救災(zāi)帳篷和防水布、無人機(jī)的機(jī)翼及各種建筑物表面。

文章的共同主要作者M(jìn)ayuran Saravanapavanantham說："在馬薩諸塞州，一個(gè)典型的屋頂太陽能裝置大約是8000瓦。為了產(chǎn)生相同數(shù)量的電力，我們的織物光伏只需在房子的屋頂上增加大約20公斤（44磅）。"

超薄太陽能電池的產(chǎn)生

這項(xiàng)技術(shù)背后的麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)試圖在其之前的材料科學(xué)進(jìn)展的基礎(chǔ)上再接再厲，其在2016年就完成了一款超薄太陽能電池，其重量足以坐在肥皂泡上而不致破裂。傳統(tǒng)的太陽能電池的制造技術(shù)需要真空室和昂貴的蒸鍍方法。這一次，為了擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了基于電子墨水的可打印納米材料，以簡(jiǎn)化該過程。

在納米潔凈室內(nèi)，研究人員使用擠出式涂布機(jī)將納米電子材料層沉積到3微米厚的基底上，隨后使用絲網(wǎng)印刷術(shù)，印制出電極并完成太陽能模塊，接著將厚度約為15微米的印刷模塊從塑料基板上剝離，形成一種超輕太陽能裝置模塊。但是這種纖薄而獨(dú)立式的太陽能模塊很難處理，且很容易撕裂，因此難以部署。

因此，研究人員將該模塊剝離并粘在一個(gè)織物基底上，該基底提供了防止撕裂所需的機(jī)械強(qiáng)度。這種輕質(zhì)、柔韌的基材基于復(fù)合材料“大力馬”（Dyneema），每平方米僅重13克，能將太陽能電池黏附在其上。通過添加一層只有幾微米厚的固化膠，太陽能組件可以黏附在“大力馬”上，并最終形成超輕且堅(jiān)固的太陽能結(jié)構(gòu)。

優(yōu)異性能和廣闊應(yīng)用前景

這種耐用的織物-光伏系統(tǒng)，其厚度為50微米，模塊面積的重量低于1克（相當(dāng)于面積密度為105克/平方米）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，獨(dú)立式超薄太陽能電池每千克可產(chǎn)生730瓦的功率，如果將其黏附在高強(qiáng)度“大力馬”織物上，其比功率也可達(dá)到370瓦/公斤，是傳統(tǒng)太陽能電池的18倍。將超薄模塊集成到復(fù)合織物上，可使其具有機(jī)械彈性，而這些織物-光伏系統(tǒng)在經(jīng)過500次卷起循環(huán)后仍能保持其性能，具有90%以上的初始發(fā)電能力。此外，這種電池生產(chǎn)方法可以擴(kuò)展，生產(chǎn)出面積更大的柔性電池。

圖說：OPV模塊和獨(dú)立的Parylene裝置。A）PET基底上完成的OPV模塊的照片。B）控制裝置（PET-IMI、PET-AgNW）和PET裝置上的對(duì)二甲苯在脫離PET載體之前和之后的電流-電壓特性。

來源：MIT

超薄太陽能電池為人們尋找替代電源的方式提供了動(dòng)力。由于這些太陽能電池非常薄和輕，它們可以被貼在許多不同的表面上。例如，它們可以被集成到船帆上，以便在海上提供電力，粘附在災(zāi)難恢復(fù)行動(dòng)中部署的帳篷和防水布上，或者應(yīng)用到無人機(jī)的機(jī)翼上，以擴(kuò)大其飛行范圍。這種輕量級(jí)的太陽能技術(shù)也可以很容易地集成到建筑環(huán)境中，或?qū)?duì)建筑業(yè)未來設(shè)計(jì)、建造帶來重大影響。此外，這些便攜式太陽能電池可以在旅途中作為可穿戴電源結(jié)構(gòu)提供能量，也可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸和快速部署，以便在緊急情況下提供援助。

未來挑戰(zhàn)

研究人員表示，雖然他們的太陽能電池比傳統(tǒng)的電池更輕、更柔韌，但它們需要被包裹在另一種材料中，以保護(hù)它們免受環(huán)境影響。而用于制造這些電池的碳基有機(jī)材料可以通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而被改變，這可能降低電池的性能。

麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Jeremiah Mwaura表示，將這些太陽能電池包裹在沉重的玻璃中，就像傳統(tǒng)的硅太陽能電池的標(biāo)準(zhǔn)做法一樣，會(huì)將目前的進(jìn)步價(jià)值降到最低，因此該團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)超薄的包裝解決方案來解決電池受環(huán)境影響的退化問題，這將只會(huì)使目前超輕設(shè)備的重量增加一小部分。

Jeremiah Mwaura補(bǔ)充說："我們正在努力去除盡可能多的非太陽能活性材料，同時(shí)仍然保留這些超輕和柔性太陽能結(jié)構(gòu)的外形和性能。例如，我們知道，通過印刷可釋放的基板，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造過程，相當(dāng)于我們用來制造我們?cè)O(shè)備中其他層的過程。這將加速這項(xiàng)技術(shù)向市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化。”

伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，多種多樣的新材料、技術(shù)、能源的發(fā)掘和使用，一定會(huì)持續(xù)推動(dòng)太陽能電池的應(yīng)用發(fā)展。超薄太陽能電池也將在不久的將來，為社會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

編輯：黃飛

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