Supertenké a 100x ľahšie solárne panely? Zmenia (aj) nositeľnú elektroniku

Tím výskumníkov z Massachusetts Institute of Technology (MIT) vyvinul zoštíhlené solárne články, ktoré by pri pokrytí typickej strechy rodinného domu v USA pridali iba 20 kg hmotnosti.

Tenkovrstvová fotovoltaika s funkčnými komponentmi o hrúbke niekoľkých mikrónov umožní generovať elektrickú energiu na akomkoľvek povrchu bez pridania nadmernej hmotnosti a tvarových obmedzení.

Nový ľahký solárny článok od vedcov z MIT, tenší ako ľudský vlas, posúva latku v tejto oblasti. Ide o vyvrcholenie niekoľkoročného výskumu, počas ktorého sa vedci snažili nájsť praktickejšie formy výroby tenkých FV článkov. Technológia výroby pôvodne vyžadovala vákuové komory a drahé metódy naparovania, teraz sa vedci zamerali na tlačové materiály na báze atramentu, aby proces zefektívnili.

Možnosti využitia ultratenkých solárnych článkov sú široké – od papierovej elektroniky, až po ľahké nositeľné zariadenia, ktoré zbierajú energiu počas celého dňa.

Doposiaľ sa demonštrácie ultratenkej fotovoltaiky obmedzovali na malé zariadenia, často pripravované na sklenených nosných substrátoch s iba niekoľkými vrstvami. Vedci z MIT teraz vytvorili veľkoplošné, ultratenké organické fotovoltaické moduly vyrobené pomocou škálovateľných procesov tlače.

Namiesto skleneného substrátu ich dokázali naniesť na ľahké a vysokopevné kompozitné tkaniny, čím sa podarilo získať solárne články-tkaniny s hrúbkou cca 50 mikrónov, s hmotnosťou pod 1 gram na plochu modulu. Plošná merná hmotnosť dosahuje len 105 g/m² a špecifický výkon 370 W/ kg. Integrácia modulov do kompozitných tkanín dáva takýmto panelom vysokú mechanickú odolnosť, takže si zachovajú viac ako 90% výkonu aj po 500 cykloch navinutia.

Flexibilný, ultraľahký solárny článok má iba stotinu hmotnosti konvenčných solárnych článkov, ale dokáže generovať 18-krát viac energie na kilogram. Testy ukázali, že solárny článok môže generovať 370 wattov na kilogram, keď je prilepený k látke, ale až 730 W/kg, keď stojí samostatne. Čo je však pri jeho zanedbateľnej hrúbke asi nemožné.

„Typická strešná solárna inštalácia v Massachusetts má asi 8 kW,“ povedal spoluautor výskumu Mayuran Saravanapavanantham. „Na výrobu rovnakého množstva energie by nová látková fotovoltaika pridala na strechu domu len asi 20 kilogramov hmotnosti.

Strechy domov však asi nebudú ideálnym cieľom na použitie takýchto ultratenkých fotovoltaických článkov. Pri výkonnosti 370 W/kg dosahuje prepočítaný plošný výkon asi 38,9 W/m²,  čo by si na dosiahnutie spomínaných 8 kW vyžiadalo vyše 200 m² panelov. Dom, ktorý by mal južnú stranu strechy s takouto plochou, je už poriadny palác.

Medzi problémy, na riešení ktorých tím MIT stále pracuje, je vplyv prostredia na solárne články. Na ich ochranu pred degradáciou je potrebná určitá forma ultratenkého obalu. Použitie vrstvy skla, čo je bežný postup pri FV paneloch, by minimalizovalo prínos uľtraľahkej štruktúry. Vedci preto v súčasnosti vyvíjajú ultratenké obalové riešenia, ktoré by zvýšili hmotnosť súčasných ultraľahkých článkov len nepatrne.

Ak sa technické problémy podarí vyriešiť, tenký profil a nízka hmotnosť solárnych článkov by umožnili ich uplatnenie v rôznych aplikáciách. Dali by sa umiestniť na lodné plachty, steny stanov, používaných napríklad na núdzové ubytovanie pri živelných pohromách, alebo na krídla bezpilotných lietadiel. Zaujímavou oblasťou je, samozrejme, aj segment nositeľnej elektroniky, kde by boli takéto solárne články súčasťou oblečenia.

Výskum bol publikovaný v časopise Small Methods.