麻省理工學院（MIT）的工程師們創造了新的超輕織物太陽能電池，它可以輕鬆而快速地將任何表面轉化為電源。這些耐用、靈活的太陽能電池比人的頭髮還要細，被粘在堅固、輕巧的織物上，使它們易於安裝在固定的表面。它們可以作為可穿戴的電源織物在路上提供能源，也可以運輸並迅速部署到偏遠地區，在緊急情況下提供援助。

它們的重量是傳統太陽能電池板的百分之一，每公斤產生的能量是其18倍，並且是由半導體油墨製成的，使用的印刷工藝在未來可以擴展到大面積的製造。

由於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，粘附在災難恢復行動中部署的帳篷和防水布上，或者應用到無人機的機翼上，以擴大其飛行範圍。這種輕量級的太陽能技術可以很容易地集成到建築環境中，而且安裝需求很小。

“用於評估一種新的太陽能電池技術的指標通常僅限於其電力轉換效率和以每瓦美元計算的成本。同樣重要的是可整合性–新技術可以被改造的容易程度。輕質太陽能織物能夠實現可整合性，為目前的工作提供了動力。我們努力加快太陽能的採用，因為目前迫切需要部署新的無碳能源，”法裡博爾茲-馬西赫新興技術主席、有機和納米結構電子實驗室（ONE實驗室）負責人、麻省理工學院納米實驗室主任、描述這項工作的新論文的資深作者弗拉基米爾-布洛維奇說。

與Bulović一起撰寫論文的還有共同主要作者Mayuran Saravanapavanantham，他是麻省理工學院電氣工程和計算機科學的研究生；以及Jeremiah Mwaura，他是麻省理工學院電子研究實驗室的研究科學家。該研究最近發表在《小方法》雜誌上。

瘦身後的太陽能電池

傳統的矽基太陽能電池是脆弱的，因此它們必須被包裹在玻璃中，並被包裝在厚重的鋁製框架中，這限制了它們的部署地點和方式。

六年前，ONE實驗室團隊使用一種新興的薄膜材料生產太陽能電池，其重量非常輕，可以放在肥皂泡上。但是這些超薄的太陽能電池是使用複雜的、基於真空的工藝製造的，這些工藝可能是昂貴的，並且在擴大規模方面具有挑戰性。

在這項工作中，他們著手開發完全可打印的薄膜太陽能電池，使用基於墨水的材料和可擴展的製造技術。

為了生產太陽能電池，他們使用了可打印電子油墨形式的納米材料。在MIT.nano潔淨室工作時，他們使用一個槽模塗佈機為太陽能電池結構塗上一層電子材料，該塗佈機將電子材料層沉積到準備好的、可釋放的基底上，基底的厚度只有3微米。使用絲網印刷（一種類似於在絲印T恤上添加圖案的技術），將電極沉積在結構上以完成太陽能模塊。

然後，研究人員可以將厚度約為15微米的印刷模塊從塑料襯底上剝離，形成超輕超薄的太陽能設備。

但是這種薄而獨立的太陽能模塊在處理上具有挑戰性，很容易撕裂，這將使它們難以部署。為了解決這一挑戰，麻省理工學院的團隊尋找一種輕質、靈活和高強度的基材，他們可以將太陽能電池粘在上面。他們認為織物是最佳的解決方案，因為它們提供了機械彈性和靈活性，而且重量增加很少。

他們找到了一種理想的材料–一種每平方米僅重13克的複合織物，商業上稱為迪尼瑪面料。這種織物由纖維製成，其強度非常高，曾被用作繩索，將沉沒的郵輪”科斯塔-康科迪亞”號從地中海底部吊起。通過添加一層只有幾微米厚的紫外線固化膠水，他們將太陽能模塊粘在這種織物的薄片上。這就形成了一個超輕的、機械上堅固的太陽能結構。

“雖然直接在織物上印刷太陽能電池可能看起來更簡單，但這將限制可能的織物或其他接收表面的選擇，使其在化學上和熱上與製造設備所需的所有加工步驟兼容。Saravanapavanantham解釋說：”我們的方法將太陽能電池的製造與最終的集成工藝分離開來”。

勝過傳統太陽能電池

當他們測試該裝置時，麻省理工學院的研究人員發現它在獨立的情況下每公斤可以產生730瓦的功率，如果部署在高強度的迪尼瑪織物上，每公斤可以產生約370瓦的功率，這比傳統太陽能電池的每公斤功率高約18倍。

“在馬薩諸塞州，一個典型的屋頂太陽能裝置約為8000瓦特。他說：”為了產生同樣的電力，我們的織物光伏電池只需在房子的屋頂上增加大約20公斤（44磅）的重量。”

他們還測試了他們設備的耐用性，發現即使在將織物太陽能電池板滾動和展開500多次後，電池仍能保持其最初發電能力的90%以上。

雖然他們的太陽能電池比傳統的電池要輕得多，也靈活得多，但它們需要被包裹在另一種材料中，以保護它們免受環境影響。用於製造電池的碳基有機材料可以通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而被改變，這可能會使其性能劣化。

將這些太陽能電池包裹在沉重的玻璃中，就像傳統的矽太陽能電池的標準做法一樣，會將目前的進步價值降到最低，因此該團隊目前正在開發超薄的包裝解決方案，這只會使目前超輕設備的重量增加一小部分。

研究人員正在努力去除盡可能多的非太陽能活性材料，同時仍然保留這些超輕和柔性太陽能結構的外形和性能。例如，可以通過印刷可釋放的基材來進一步簡化製造過程，相當於用來製造我們設備中其他層的過程。這將加速這項技術向市場的轉化。