研究人员开发出一种超轻织物太阳能电池，能够快速、轻松地将任何表面变为电源。
这些太阳能电池的重量仅为传统太阳能板的百分之一，但每千克可产生的功率高出18倍。
研究人员测试了这些装置的耐久性，发现织物太阳能板经过500多次卷起和展开后，电池仍保留了其初始发电能力的90%。
麻省理工学院的工程师开发出一种超轻织物太阳能电池，能够快速、轻松地将任何表面变为电源。
这些耐用、柔性的太阳能电池比人类头发丝还要薄得多，被粘合在坚固且轻质的织物上，因此便于安装在固定表面上。它们既可作为可穿戴的供电织物随身供能，也可被运输并迅速部署到偏远地区以提供紧急救援。其重量仅为传统太阳能板的百分之一，每千克功率输出高出18倍，并采用半导体油墨，通过可在未来扩展至大面积制造的印刷工艺制成。
由于这些太阳能电池极为轻薄，因此可以层压在许多不同的表面上。例如，它们可以集成到船帆上，在海上提供动力；可以粘贴在灾难救援行动中部署的帐篷和防水布上；也可以贴附在无人机机翼上，以延长其飞行航程。这种轻质太阳能技术可以轻松集成到已建成的环境中，且所需安装条件极少。
“评估新型太阳能电池技术的指标通常仅限于其功率转换效率和每瓦成本（美元/瓦）。同样重要的是可集成性——即新技术便于适配的程度。轻质太阳能织物具备可集成性，这也推动了当前的工作。鉴于当前迫切需要部署新的无碳能源，我们致力于加速太阳能的普及，”麻省理工学院新兴技术讲席教授、有机与纳米结构电子实验室（ONE Lab）负责人、MIT.nano主任、该项工作新论文的资深作者Vladimir Bulović表示。
与Bulović一同参与该论文的共同第一作者还有：麻省理工学院电气工程与计算机科学专业研究生Mayuran Saravanapavanantham；以及麻省理工学院电子研究实验室研究科学家Jeremiah Mwaura。该研究今日发表于《Small Methods》。
瘦身版太阳能
传统硅太阳能电池易碎，因此必须封装在玻璃中，并装配在笨重、厚重的铝制框架内，这限制了其部署的位置和方式。
六年前，ONE Lab团队利用一类新兴的薄膜材料制成了太阳能电池，其重量之轻，竟可以置于一个肥皂泡之上。但这些超薄太阳能电池采用复杂的真空工艺制造，成本高昂且难以规模化生产。
在这项工作中，他们致力于开发可完全印刷的薄膜太阳能电池，采用油墨基材料和可规模化的制造技术。
为制造这些太阳能电池，他们使用了以可印刷电子油墨形式存在的纳米材料。在MIT.nano洁净室中，他们使用狭缝式涂布机涂覆太阳能电池结构，将电子材料层沉积到厚度仅为3微米的可剥离基板上。随后采用丝网印刷（一种类似于在丝网印刷T恤上添加图案的技术）在结构上沉积电极，从而完成太阳能组件。
研究人员随后可以将厚度约为15微米的印刷组件从塑料基板上剥离，从而形成超轻太阳能装置。
但这种薄且独立的太阳能组件难以处理，并且容易撕裂，这将使其难以部署。为解决这一难题，麻省理工学院团队寻找了一种轻质、柔性且高强度的基板，以便将太阳能电池粘附其上。他们认为织物是最佳方案，因为织物在几乎不增加重量的情况下，可提供机械韧性与柔性。
他们找到了一种理想材料——一种复合织物，每平方米重量仅13克，商业名称为Dyneema。这种织物由强度极高的纤维制成，曾被用作绳索，从地中海海底打捞沉没的豪华游轮“康科迪亚号”（Costa Concordia）。 通过添加一层仅几微米厚的紫外线固化胶，他们将太阳能组件粘附在这种织物片上。由此形成了一种超轻且机械性能稳健的太阳能结构。
“虽然直接将太阳能电池印刷在织物上似乎更为简单，但这会将可选织物或其他承载表面的范围限制在那些在化学和热性能上与制造装置所需的全部工艺步骤兼容的材料之内。我们的方法将太阳能电池的制造与其最终集成解耦，”Saravanapavanantham解释道。
性能超越传统太阳能电池
在测试该装置时，麻省理工学院的研究人员发现，独立使用时其每千克可产生730瓦功率，若部署在高强度Dyneema织物上，每千克约可产生370瓦功率；后者每千克功率约为传统太阳能电池的18倍。
“马萨诸塞州典型的屋顶太阳能装置功率约为8000瓦。若要产生同等功率，我们的织物光伏组件仅会为房屋屋顶增加约20千克（44磅）的重量，”他表示。
他们还测试了装置的耐久性，发现即使织物太阳能板经过500多次卷起和展开，电池仍保留了其初始发电能力的90%以上。
尽管其太阳能电池比传统电池轻得多，柔性也强得多，但仍需将其封装在另一种材料中，以防其受到环境影响。用于制造电池的碳基有机材料可能会与空气中的水分和氧气发生相互作用而发生改变，从而可能导致其性能下降。
“如果像传统硅太阳能电池那样将这些太阳能电池封装在笨重的玻璃中，将大大削弱本次进展的价值。因此，团队目前正在开发超薄封装方案，使其重量仅会略微增加，同时保持现有超轻装置的特性，”Mwaura表示。
“我们正努力在保持这些超轻、柔性太阳能结构的形态和性能的同时，尽可能去除非太阳能活性材料。例如，我们知道，通过印刷可剥离基板，制造工艺可以进一步简化，其方式与我们制造器件其他层所用的工艺相同。这将加速该技术向市场的转化，”他补充道。
本研究部分由Eni S.p.A.通过麻省理工学院能源倡议、美国国家科学基金会以及加拿大自然科学与工程研究理事会资助。
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