18-mal mehr Leistung: MIT-Forscher haben ultradünne, leichte Solarzellen entwickelt

Von Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology, 22. Januar 2023

Die Dünnschichtsolarzellen wiegen etwa 100-mal weniger als herkömmliche Solarzellen und erzeugen dabei etwa 18-mal mehr Strom pro Kilogramm. Bildnachweis: Melanie Gonick, MIT

Ein Forscherteam hat eine neue Technik zur Herstellung ultradünner und leichter Solarzellen entwickelt, die sich nahtlos in jede Oberfläche integrieren lassen.

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben neue ultraleichte Stoffsolarzellen entwickelt, die jede Oberfläche einfach und schnell in eine Stromquelle verwandeln können.

Diese langlebigen, flexiblen Solarzellen, die viel dünner als ein menschliches Haar sind, sind auf ein starkes, leichtes Gewebe geklebt und können so einfach auf einer festen Oberfläche installiert werden. Sie können als tragbare Energiestruktur unterwegs Energie liefern oder transportiert und schnell an entlegenen Orten eingesetzt werden, um in Notfällen Hilfe zu leisten. Sie haben ein Hundertstel des Gewichts herkömmlicher Solarmodule, erzeugen 18-mal mehr Strom pro Kilogramm und werden aus halbleitenden Tinten mithilfe von Druckverfahren hergestellt, die in Zukunft auf großflächige Herstellung skaliert werden können.

Da sie so dünn und leicht sind, können diese Solarzellen auf viele verschiedene Oberflächen laminiert werden. Sie könnten beispielsweise in die Segel eines Bootes integriert werden, um auf See Strom zu liefern, an Zelte und Planen geklebt werden, die bei Katastropheneinsätzen eingesetzt werden, oder an die Flügel von Drohnen angebracht werden, um deren Flugreichweite zu vergrößern. Diese leichte Solartechnologie lässt sich mit minimalem Installationsaufwand problemlos in bebaute Umgebungen integrieren.

MIT-Forscher haben eine skalierbare Fertigungstechnik entwickelt, um ultradünne, leichte Solarzellen herzustellen, die auf jede Oberfläche geklebt werden können. Bildnachweis: Melanie Gonick, MIT

"The metrics used to evaluate a new solar cell technology are typically limited to their power conversion efficiency and their cost in dollars-per-watt. Just as important is integrability — the ease with which the new technology can be adapted. The lightweight solar fabrics enable integrability, providing impetus for the current work. We strive to accelerate solar adoption, given the present urgent need to deploy new carbon-free sources of energy," says Vladimir Bulović, the Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader of the Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), director of MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT.nano und leitender Autor eines neuen Artikels, der die Arbeit beschreibt.

Neben Bulović sind die Co-Hauptautoren Mayuran Saravanapavanantham, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik am MIT; und Jeremiah Mwaura, ein Forschungswissenschaftler am MIT Research Laboratory of Electronics. Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Small Methods veröffentlicht.

Herkömmliche Silizium-Solarzellen sind zerbrechlich, daher müssen sie in Glas eingehüllt und in schwere, dicke Aluminiumrahmen verpackt werden, was ihren Einsatzort und die Art und Weise einschränkt.

Vor sechs Jahren stellte das ONE Lab-Team Solarzellen aus einer neuen Klasse von Dünnschichtmaterialien her, die so leicht waren, dass sie auf einer Seifenblase sitzen konnten. Diese ultradünnen Solarzellen wurden jedoch mithilfe komplexer, vakuumbasierter Prozesse hergestellt, deren Skalierung teuer und schwierig sein kann.

In dieser Arbeit haben sie sich zum Ziel gesetzt, vollständig druckbare Dünnschichtsolarzellen zu entwickeln, wobei tintenbasierte Materialien und skalierbare Herstellungstechniken zum Einsatz kommen.

Zur Herstellung der Solarzellen nutzen sie Nanomaterialien in Form druckbarer elektronischer Tinten. Im Reinraum des MIT.nano beschichten sie die Solarzellenstruktur mit einem Schlitzdüsenbeschichter, der Schichten der elektronischen Materialien auf ein vorbereitetes, lösbares Substrat aufträgt, das nur 3 Mikrometer dick ist. Mittels Siebdruck (eine Technik, die dem Aufbringen von Designs auf Siebdruck-T-Shirts ähnelt) wird eine Elektrode auf die Struktur aufgebracht, um das Solarmodul fertigzustellen.

Anschließend können die Forscher das etwa 15 Mikrometer dicke gedruckte Modul vom Kunststoffsubstrat abziehen und so ein ultraleichtes Solargerät formen.

Doch solche dünnen, freistehenden Solarmodule sind schwierig zu handhaben und können leicht reißen, was den Einsatz erschweren würde. Um diese Herausforderung zu lösen, suchte das MIT-Team nach einem leichten, flexiblen und hochfesten Substrat, auf dem es die Solarzellen befestigen konnte. Sie identifizierten Stoffe als optimale Lösung, da sie mechanische Belastbarkeit und Flexibilität bei geringem Zusatzgewicht bieten.

Sie fanden ein ideales Material – ein Verbundgewebe, das nur 13 Gramm pro Quadratmeter wiegt und im Handel als Dyneema bekannt ist. Dieser Stoff besteht aus Fasern, die so stark sind, dass sie als Seile verwendet wurden, um das gesunkene Kreuzfahrtschiff Costa Concordia vom Grund des Mittelmeers zu heben. Durch das Auftragen einer nur wenige Mikrometer dicken Schicht aus UV-härtbarem Kleber kleben sie die Solarmodule auf Bahnen aus diesem Gewebe. Dadurch entsteht eine ultraleichte und mechanisch robuste Solarstruktur.

„Obwohl es einfacher erscheinen mag, die Solarzellen einfach direkt auf den Stoff zu drucken, würde dies die Auswahl möglicher Stoffe oder anderer Empfangsoberflächen auf diejenigen beschränken, die chemisch und thermisch mit allen für die Herstellung der Geräte erforderlichen Verarbeitungsschritten kompatibel sind. Unser.“ „Unser Ansatz entkoppelt die Solarzellenfertigung von ihrer endgültigen Integration“, erklärt Saravanapavanantham.

Als sie das Gerät testeten, stellten die MIT-Forscher fest, dass es freistehend 730 Watt Leistung pro Kilogramm und etwa 370 Watt pro Kilogramm erzeugen konnte, wenn es auf dem hochfesten Dyneema-Gewebe eingesetzt wurde, was etwa 18-mal mehr Leistung pro Kilogramm entspricht als herkömmliche Solarzellen.

„Eine typische Solaranlage auf dem Dach in Massachusetts hat eine Leistung von etwa 8.000 Watt. Um dieselbe Strommenge zu erzeugen, würde unsere Textil-Photovoltaik das Dach eines Hauses nur um etwa 20 Kilogramm (44 Pfund) zusätzlich belasten“, sagt er.

Sie testeten auch die Haltbarkeit ihrer Geräte und stellten fest, dass die Zellen selbst nach mehr als 500-maligem Auf- und Abrollen eines Stoffsolarpanels immer noch mehr als 90 Prozent ihrer ursprünglichen Stromerzeugungsfähigkeit behielten.

Obwohl ihre Solarzellen viel leichter und viel flexibler sind als herkömmliche Zellen, müssten sie zum Schutz vor Umwelteinflüssen in ein anderes Material eingehüllt werden. Das zur Herstellung der Zellen verwendete kohlenstoffbasierte organische Material könnte durch Wechselwirkung mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in der Luft verändert werden, was zu einer Verschlechterung ihrer Leistung führen könnte.

„Das Einhüllen dieser Solarzellen in schweres Glas, wie es bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen üblich ist, würde den Wert des gegenwärtigen Fortschritts minimieren. Daher entwickelt das Team derzeit ultradünne Verpackungslösungen, die das Gewicht der derzeitigen ultraleichten Geräte nur geringfügig erhöhen würden. ", sagt Mwaura.

„Wir arbeiten daran, so viel nicht solaraktives Material wie möglich zu entfernen und gleichzeitig den Formfaktor und die Leistung dieser ultraleichten und flexiblen Solarstrukturen beizubehalten. Wir wissen beispielsweise, dass der Herstellungsprozess durch das Drucken des lösbaren Materials weiter rationalisiert werden kann.“ „Wir entwickeln Substrate, die dem Prozess entsprechen, den wir zur Herstellung der anderen Schichten in unserem Gerät verwenden. Dies würde die Umsetzung dieser Technologie auf den Markt beschleunigen“, fügt er hinzu.

Referenz: „Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra-thin Substrates as Additive Power Sources“ von Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura und Vladimir Bulović, 9. Dezember 2022, Small Methods.DOI: 10.1002/smtd.202200940

Die Studie wurde von der MIT Energy Initiative, der US National Science Foundation und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada finanziert.