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Investigadores del MIT han desarrollado células solares flexibles y ultrafinas que se pueden imprimir con tintas semiconductoras y técnicas de fabricación escalables. Son mucho más delgados que un cabello humano, pesan un 1% más que los paneles solares convencionales y generan 18 veces más electricidad por kilogramo, según una publicación de blog del MIT.

Cuando se pegan a una tela fuerte y liviana, se adhieren fácilmente a cualquier superficie sólida. Pueden proporcionar energía sobre la marcha como pañuelos eléctricos portátiles, o transportarse y desplegarse rápidamente a lugares remotos para ayudar en emergencias. Debido a que son tan delgadas y livianas, estas celdas solares se pueden laminar en muchas superficies diferentes, desde las velas de un bote hasta tiendas de campaña y lonas que se usan en operaciones de socorro en casos de desastre. Incluso podrían usarse para circunnavegar Australia. Esta tecnología solar liviana se puede integrar fácilmente en entornos construidos con un mínimo esfuerzo de instalación, afirman los investigadores.

“Las métricas utilizadas para evaluar una nueva tecnología de celdas solares generalmente se limitan a su eficiencia de conversión de energía y su costo en dólares por vatio. Igualmente importante es la capacidad de integración: la facilidad con la que se puede adaptar la nueva tecnología. Los tejidos solares ligeros permiten la integración y dan impulso al trabajo actual. Dada la urgente necesidad actual de implementar nuevas fuentes de energía libres de carbono, nos esforzamos por acelerar la adopción de la energía solar”, dice Vladimir Bulović, director de tecnologías emergentes del MIT y jefe del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab). También es director de MIT.nano y autor principal de un nuevo artículo que describe este trabajo pionero en células solares ultrafinas.

Sus coautores son Mayuran Saravanapavanantham, estudiante de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT, y Jeremiah Mwaura, científico investigador del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. Para los lectores interesados ​​en profundizar en los detalles técnicos de este descubrimiento, vea más, mucho más, en Pequeños métodosque publicó el trabajo de investigación el 9 de diciembre. Afortunadamente, el periódico no está detrás de un muro de pago y es accesible para cualquier persona con conexión a Internet.

El camino hacia las células solares ultrafinas

Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, lo que significa que deben estar revestidas de vidrio y empaquetadas en un marco de aluminio grueso. Esto los hace pesados ​​e inflexibles, lo que a su vez limita dónde y cómo pueden desplegarse.

La búsqueda de celdas solares impresas comenzó hace más de una década. Hace seis años, el equipo de ONE Lab en el MIT produjo células solares utilizando una clase emergente de materiales de película delgada que eran tan livianos que podían sentarse en una pompa de jabón. Pero estas células solares ultrafinas se han fabricado mediante procesos complejos basados ​​en el vacío que pueden ser costosos y difíciles de escalar.

Los nanomateriales en forma de tintas electrónicas imprimibles se utilizan para fabricar estas nuevas células solares ultrafinas y flexibles. En la sala limpia de MIT.nano, los investigadores recubren la estructura de la célula solar con un recubridor de matriz ranurada, que deposita capas de los materiales electrónicos en un sustrato desmontable preparado de solo 3 micrones de espesor. Mediante serigrafía (una técnica similar a la forma en que se serigrafían los diseños en camisetas), se aplica un electrodo a la estructura para completar el panel solar. Luego, los investigadores pueden despegar el módulo impreso, que tiene un grosor de aproximadamente 15 micrones, del sustrato de plástico para formar un dispositivo solar ultraligero.

Dichos paneles solares delgados e independientes son difíciles de manejar y pueden rasgarse fácilmente, lo que dificulta el despliegue. Para resolver este desafío, el equipo del MIT buscó un sustrato liviano, flexible y de alta resistencia al que pudieran adherirse las células solares. Identificaron los tejidos como la solución óptima porque ofrecen resistencia mecánica y flexibilidad con poco peso añadido.

Encontraron un material ideal: un tejido compuesto que pesa solo 13 gramos por metro cuadrado conocido comercialmente como Dyneema. Esta tela está hecha de fibras tan fuertes que se usaron como cuerdas para levantar el crucero Costa Concordia del fondo del mar Mediterráneo (después de que su capitán lo acercara demasiado a la orilla para saludar a familiares y amigos, con lo cual se estrelló contra una roca y se hundió). Añadiendo una capa de adhesivo curable por UV de unas pocas micras de espesor, pegan los paneles solares a láminas de este tejido. Esto crea una estructura solar ultraligera y mecánicamente robusta.

«Aunque puede parecer más sencillo imprimir las células solares directamente sobre la tela, esto limitaría las opciones de posibles telas u otras superficies de grabación a aquellas que sean química y térmicamente compatibles con todos los pasos de procesamiento necesarios para fabricar los dispositivos». Nuestro enfoque desvincula la fabricación de células solares de su integración final”, explica Saravanapavanantham.

Eclipsa a los paneles solares convencionales

Cuando probaron el dispositivo, los investigadores del MIT descubrieron que podía generar 730 vatios por kilogramo de forma independiente y alrededor de 370 vatios por kilogramo cuando se desplegaba sobre el tejido Dyneema de alta resistencia. Esto es aproximadamente 18 veces más que las células solares convencionales, en función de la producción por kilogramo.

“Un panel solar de techo típico en Massachusetts es de aproximadamente 8,000 vatios. Para generar la misma cantidad de electricidad, nuestra fotovoltaica textil solo añadiría unos 20 kilogramos al techo de una casa”, explica el coautor. En las pruebas de durabilidad, las células solares ultrafinas conservaron más del 90 % de su capacidad inicial de generación de energía después de enrollarse y bajarse más de 500 veces.

Si bien las celdas solares del MIT son mucho más livianas y flexibles que las celdas convencionales, deberían revestirse con un material diferente para protegerlas del medio ambiente. El material orgánico a base de carbono utilizado para fabricar las células podría modificarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría afectar su rendimiento.

«Elaborar estas células solares en vidrio pesado, como es común con las células solares de silicio tradicionales, minimizaría el valor de los avances actuales, por lo que el equipo está desarrollando actualmente soluciones de empaque ultradelgadas que aumentarían solo marginalmente el peso de las actuales ultraligeras». dispositivos.» ‘, dice Mwaura.

“Estamos trabajando para eliminar la mayor cantidad posible de material no solar activo mientras mantenemos el factor de forma y el rendimiento de estas estructuras solares ultraligeras y flexibles. Por ejemplo, sabemos que el proceso de fabricación se puede simplificar aún más imprimiendo los sustratos liberables, que es el mismo proceso que usamos para crear las otras capas en nuestro dispositivo. Esto aceleraría la introducción en el mercado de esta tecnología”, añade.

Sabemos que la transición a la parte del mercado suele ser la parte más difícil. Una revisión de la CleanTechnica La biblioteca revela dos historias sobre celdas solares impresas de compañías de las que nunca se ha sabido nada desde entonces: una en 2009 y otra en 2016. Como nos dijo una vez Tom Petty, «La espera es la parte más difícil».


 

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