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近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)了一種超薄輕質(zhì)光伏電池，這種光伏電池每千克的發(fā)電量是傳統(tǒng)光伏電池板的18倍，并且可以很容易地部署到各種物體的表面。


據(jù)報(bào)道，這種柔韌且耐用的光伏電池的厚度比頭發(fā)薄得多，它們可以粘附在堅(jiān)固而輕質(zhì)的織物上，并且很容易貼在固定物體的表面，可以作為一種可穿戴的織物提供電力，也可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸和快速部署，能夠在緊急情況下提供電力。其重量是傳統(tǒng)光伏電池板的百分之一，其每千克的發(fā)電量是傳統(tǒng)光伏電池板的18倍，并且可以采用半導(dǎo)體油墨通過印刷工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

由于這些光伏電池非常薄且重量輕，因此可以貼在許多不同物體的表面上。例如，它們可以貼在船帆上為其海上航行提供動(dòng)力；可以粘附在帳篷和防水布上，用于災(zāi)難恢復(fù)和救援；或者應(yīng)用到無人機(jī)的機(jī)翼上以擴(kuò)大飛行距離。當(dāng)然，這種輕質(zhì)光伏電池還可以輕松安裝在建筑表面。

Fariborz Maseeh新興技術(shù)主席、麻省理工學(xué)院有機(jī)與納米結(jié)構(gòu)電子實(shí)驗(yàn)室(ONE實(shí)驗(yàn)室)主任Vladimir Bulovi?在其發(fā)表的闡述這項(xiàng)技術(shù)的論文中說，“用于評(píng)估新的光伏電池的技術(shù)指標(biāo)通常僅限于能量轉(zhuǎn)換效率和單位成本。同樣重要的是可集成性，也就是新技術(shù)的適應(yīng)性。輕質(zhì)光伏織物具有可集成性，可以在幾乎任何物體上安裝。鑒于目前迫切需要部署可再生能源，我們致力于加速光伏系統(tǒng)的采用。”

與Bulovi?一起發(fā)表論文的還有麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的研究生Mayuran Saravanapavanantham以及麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家Jeremiah Mwaura。

越來越薄的光伏電池

傳統(tǒng)的晶體硅光伏電池很脆弱，因此必須采用厚重的玻璃和鋁框架進(jìn)行封裝，但這種形式限制了它們的部署地點(diǎn)和方式。

ONE實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在六年前使用一種新興的薄膜材料生產(chǎn)出光伏電池，這種材料非常輕，甚至可以放在肥皂泡上。但這些超薄光伏電池是采用復(fù)雜的真空工藝制造的，這種工藝成本高昂，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

在研究中，他們開始使用基于半導(dǎo)體油墨和可擴(kuò)展的制造技術(shù)來開發(fā)可打印的薄膜光伏電池。

為了生產(chǎn)這種光伏電池，研究人員使用了一種可打印的納米材料。他們?cè)诼槭±砉W(xué)院納米潔凈室中使用槽模涂布機(jī)涂覆光伏電池結(jié)構(gòu)，這種涂布機(jī)將電子材料層沉積到制備好的可釋放的基底上，該基底只有3微米厚。然后通過絲網(wǎng)印刷工藝(一種類似于將圖案添加到T恤上的技術(shù))在結(jié)構(gòu)上沉積電極以構(gòu)建光伏組件。

研究人員然后可以將大約15微米厚的打印模塊從塑料基板上剝離，以形成超輕光伏組件。但這種超薄的光伏組件很難處理，而且很容易撕裂，這將使其難以部署。為了解決這一問題，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種輕質(zhì)、柔性和高強(qiáng)度的基材，可以將光伏電池附著在基材上面，而織物是最佳的一個(gè)解決方案，因?yàn)樗鼈兲峁┝藱C(jī)械彈性和靈活性，而且?guī)缀鯖]有增加重量。

他們找到了一種理想的復(fù)合材料，每平方米只有13克重，其商業(yè)名稱為Dyneema。這種織物是由非常堅(jiān)固的纖維制成的，這種纖維甚至用作打撈沉船的繩索。研究人員通過添加一層只有幾微米厚的紫外線固化膠，可以將光伏組件粘附在這種織物上，因此可以形成超輕且堅(jiān)固的光伏結(jié)構(gòu)。

Saravanapavanantham解釋說：“雖然直接在織物上打印光伏電池似乎更簡(jiǎn)單，但這將限制可能的織物或其他接收表面的選擇，為了使其與制造設(shè)備所需的所有加工步驟在化學(xué)和熱方面兼容，我們的方法將光伏電池的制造與最終的集成分離開來。”

超越傳統(tǒng)光伏電池

當(dāng)測(cè)試這種新型光伏電池時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它獨(dú)立部署時(shí)，每千克可以產(chǎn)生730W的電力；如果部署在高強(qiáng)度的Dyneema織物上，每千克可以產(chǎn)生370W的電力，其發(fā)電量是傳統(tǒng)光伏電池板的18倍。

Saravanapavanantham說，“馬薩諸塞州的一個(gè)典型屋頂光伏系統(tǒng)功率大約為8kW。為了產(chǎn)生同樣多電力，我們?cè)谖蓓敯惭b的超薄光伏電池只增加20千克的重量。”他表示，研究人員還測(cè)試了這種光伏電池的耐久性，發(fā)現(xiàn)即使?jié)L動(dòng)和展開500多次，仍然保留了90%以上的發(fā)電能力。

雖然他們開發(fā)的超薄光伏電池比傳統(tǒng)光伏電池要輕得多，也更靈活，但需要采用另一種材料來保護(hù)光伏電池免受環(huán)境的影響。用于制造超薄光伏電池的碳基有機(jī)材料可能通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而退化，這可能會(huì)降低其性能。

Mwaura表示，“當(dāng)然也可以像傳統(tǒng)光伏電池一樣，將超薄光伏電池封裝在玻璃中，但這么做將會(huì)顯著降低這種光伏電池帶來的價(jià)值，因此我們的研究團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)超薄封裝解決方案，只會(huì)略微增加超輕光伏電池的重量。我們正在努力去除非光伏活性材料，同時(shí)仍然保持這些超輕和柔性光伏結(jié)構(gòu)的形狀系數(shù)和性能。例如，我們知道通過印刷可轉(zhuǎn)移基板能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化制造過程，這與我們制造設(shè)備中其他層的過程相當(dāng)，這種方法將加速這項(xiàng)技術(shù)向市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化。”

此外據(jù)悉，這項(xiàng)研究獲得麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)的資助。 

原標(biāo)題：發(fā)電量提高18倍！麻省理工學(xué)院開發(fā)超薄輕質(zhì)光伏電池