MIT desenvolve células solares ultrafinas

A energia solar é a fonte de energia mais abundante do mundo e o desenvolvimento de células solares eficientes e estáveis ​​pode aliviar significativamente a crise energética global, e a tecnologia de células solares é vista como um pilar fundamental da transição para energia limpa. No futuro, as células solares desempenharão um papel cada vez mais importante no desenvolvimento tecnológico e na produção, não apenas para telhados e fazendas solares, mas também para alimentar máquinas aeroespaciais automatizadas, como aeronaves e satélites.

Juntamente com o desenvolvimento de processos de fabricação de componentes eletrônicos semicondutores, o mundo tem visto uma quantidade extraordinária de pesquisas sobre células solares e uma ampla gama de tecnologias de fabricação. Entre elas, as células solares ultrafinas são uma promessa única neste campo porque podem ser aplicadas a uma variedade de superfícies irregulares, curvas ou inadequadas e podem reduzir o consumo de material e os requisitos de fabricação, reduzindo diretamente os custos.

Em um artigo recente publicado na última edição da revista Small Methods, engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) dizem ter desenvolvido uma célula solar ultrafina que pode transformar rápida e facilmente qualquer superfície em uma fonte de energia. A célula solar, que é mais fina que um fio de cabelo humano e adere a um pedaço de tecido, pesa apenas um centésimo de um painel solar convencional, mas produz 18 vezes mais eletricidade por quilo e pode ser integrada em velas de barco, tendas e lonas de socorro, as asas dos drones e as superfícies de vários edifícios.

Uma instalação solar típica em um telhado em Massachusetts tem cerca de 8,000 watts", diz Mayuran Saravanapavanantham, co-autor principal do artigo. Para gerar a mesma quantidade de eletricidade, nosso PV de malha requer apenas cerca de 20 kg (44 lbs ) para ser adicionado ao telhado de uma casa."

A criação de células solares ultrafinas

A equipe do MIT por trás da tecnologia procurou desenvolver seus avanços anteriores na ciência dos materiais e concluiu uma célula solar ultrafina em 2016 que é pesada o suficiente para ficar em uma bolha de sabão sem quebrar. As técnicas tradicionais de fabricação de células solares requerem câmaras de vácuo e métodos caros de deposição de vapor. Desta vez, para ampliar a tecnologia, os cientistas recorreram a nanomateriais imprimíveis baseados em tinta eletrônica para simplificar o processo.

Células solares ultrafinas

Em uma sala nanolimpa, os pesquisadores usaram um revestidor de extrusão para depositar camadas de material nanoeletrônico em um substrato de 3 mícrons de espessura, seguido de impressão em tela para imprimir os eletrodos e completar o módulo solar, seguido de descascamento do módulo impresso, que tem cerca de 15 mícrons de espessura, fora do substrato de plástico para formar um módulo de dispositivo solar ultraleve. Mas este módulo solar fino e autônomo é difícil de manusear e rasga facilmente, dificultando a implantação.

Os pesquisadores, portanto, descascaram e colaram o módulo a um substrato de tecido que forneceu a resistência mecânica necessária para evitar rasgos. O substrato leve e flexível, baseado no material composto Dyneema, pesa apenas 13 gramas por metro quadrado e pode aderir células solares a ele. Ao adicionar uma camada de adesivo de cura com apenas alguns mícrons de espessura, os módulos solares podem ser colados ao Dyneema, resultando em uma estrutura solar ultraleve e robusta.

Excelente desempenho e amplas perspectivas de aplicação

Este sistema fotovoltaico de tecido durável tem 50 mícrons de espessura e pesa menos de 1 grama de área de módulo (equivalente a uma densidade de área de 105 g/m2). Testes experimentais mostraram que as células solares ultrafinas independentes podem produzir 730 watts por quilograma e, se forem ligadas a um tecido "Power Horse" de alta resistência, também podem atingir uma potência específica de 370 watts por quilograma, 18 vezes o das células solares convencionais. A integração dos módulos ultrafinos no tecido composto os torna mecanicamente flexíveis e esses sistemas fotovoltaicos de tecido mantêm seu desempenho após 500 ciclos de enrolamento, com mais de 90% de sua capacidade inicial de geração de energia. Além disso, este método de produção de células pode ser estendido para produzir células flexíveis com áreas maiores.

Ilustração: Módulo OPV e dispositivo Parylene separado. A) Fotografia do módulo OPV concluído em um substrato PET. B) Características de corrente-tensão do dispositivo de controle (PET-IMI, PET-AgNW) e Parileno no dispositivo PET antes e depois do desprendimento do suporte PET.

Células solares ultrafinas deram impulso à busca por fontes alternativas de energia. Como essas células solares são tão finas e leves, elas podem ser afixadas em muitas superfícies diferentes. Por exemplo, eles podem ser integrados a velas de barco para fornecer energia no mar, aderidos a tendas e lonas implantadas em operações de recuperação de desastres ou aplicados às asas de drones para ampliar seu alcance de voo. Essa tecnologia solar leve também pode ser facilmente integrada ao ambiente construído e pode ter um impacto significativo no futuro projeto e construção da indústria da construção. Além disso, essas células solares portáteis podem ser alimentadas como estruturas de energia vestíveis em movimento ou podem ser transportadas e implantadas rapidamente em áreas remotas para fornecer assistência em situações de emergência.

Desafios futuros

Os pesquisadores dizem que, embora suas células solares sejam mais leves e flexíveis do que as células convencionais, elas precisam ser envoltas em outro material para protegê-las do meio ambiente. E o material orgânico à base de carbono usado para fabricar essas células pode ser alterado pela interação com a umidade e o oxigênio do ar, o que pode reduzir o desempenho das células.

Foto: Células solares ultrafinas em teste

De acordo com Jeremiah Mwaura, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT, envolver essas células solares em vidro pesado, como é prática padrão para células solares de silício tradicionais, minimizaria o valor dos avanços atuais, então a equipe está desenvolvendo embalagens ultrafinas soluções para lidar com a degradação das células devido aos impactos ambientais, o que adicionaria apenas uma fração do peso a dispositivos ultraleves.

Jeremiah Mwaura acrescentou: "Estamos tentando remover o máximo possível de material não solar ativo, mantendo a forma e o desempenho dessas estruturas solares ultraleves e flexíveis. Sabemos, por exemplo, que o processo de fabricação pode ser ainda mais simplificada pela impressão de substratos removíveis, equivalente ao processo que usamos para fazer as outras camadas em nossos dispositivos. Isso vai acelerar a tradução dessa tecnologia para o mercado."

À medida que o nível de ciência e tecnologia continua a se desenvolver, a descoberta e o uso de uma ampla variedade de novos materiais, tecnologias e fontes de energia certamente continuarão a impulsionar o desenvolvimento de aplicações de células solares. Células solares ultrafinas também criarão maior valor para a sociedade em um futuro próximo.