Những tế bào năng lượng mặt trời bền, linh hoạt này, mỏng hơn nhiều so với sợi tóc người, được dán vào một loại vải chắc chắn, nhẹ, giúp các tế bào PV dễ dàng lắp đặt trên một bề mặt cố định.

Những tế bào PV đặc biệt này có thể cung cấp năng lượng khi đang di chuyển dưới dạng vải năng lượng có thể treo, đeo được hoặc được vận chuyển và triển khai nhanh chóng ở những địa điểm xa xôi, hẻo lánh, cung cấp điện năng hỗ trợ trong trường hợp khẩn cấp. Những tấm PV mới có trọng lượng bằng 1/100 so với những tấm pin mặt trời thông thường, tạo ra năng lượng trên mỗi kg cao gấp 18 lần và được làm từ mực bán dẫn, sử dụng những quy trình in 3D, cho phép mở rộng quy mô sản xuất công ngiệp trên diện rộng trong tương lai.

Do các tế bào PV rất mỏng và nhẹ nên những pin mặt trời này có thể được dát mỏng lên nhiều bề mặt khác nhau. Các pin điện mặt trời siêu mỏng có thể được tích hợp vào cánh buồm của một chiếc thuyền để cung cấp năng lượng khi đi trên biển, gắn vào lều và tấm bạt được triển khai trong những hoạt động khắc phục thảm họa, gắn trên cánh máy bay không người lái (UAV) để mở rộng phạm vi bay. Công nghệ năng lượng mặt trời siêu nhẹ này dễ dàng tích hợp vào môi trường xây dựng với nhu cầu lắp đặt tối thiểu.

Vladimir Bulović, Chủ tịch Fariborz Maseeh về Công nghệ mới nổi, chủ nhiệm Phòng thí nghiệm Điện tử cấu trúc nano và hữu cơ (ONE Lab), giám đốc MIT .nano, tác giả cao cấp cao của báo cáo khoa học mới mô tả công trình nghiên cứu cho biết:

“Những số liệu thống kê, được sử dụng để đánh giá công nghệ pin mặt trời mới thường bị giới hạn ở hiệu suất chuyển đổi năng lượng và chi phí tính bằng USD trên mỗi watt. Điều quan trọng không kém là khả năng tích hợp, sự dễ dàng, thuận lợi mà công nghệ mới có thể được điều chỉnh phù hợp với ứng dụng. Các loại vải năng lượng mặt trời mỏng nhẹ cho phép tích hợp, cung cấp động lực cho công việc hiện nay khi chúng ta cố gắng đẩy nhanh khả năng sử dụng năng lượng mặt trời do nhu cầu cấp thiết là triển khai các nguồn năng lượng mới phi carbon,”

Tham gia cùng Bulović trong báo cáo khoa học là đồng tác giả nghiên cứu chính, Mayuran Saravanapavanantham, sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại MIT, Jeremiah Mwaura, nhà nghiên cứu khoa học tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử của MIT. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Small Methods.

Tế bào pin mặt trời siêu nhẹ có thể in 3D

Pin mặt trời silicon truyền thống rất dễ vỡ, vì vậy các tấm pin phải được bọc trong thủy tinh và đóng gói trong khung nhôm dày, nặng, cấu trúc này hạn chế vị trí và phương thức có thể được triển khai trên các ứng dụng.

6 năm trước, nhóm ONE Lab thử nghiệm sản xuất pin mặt trời bằng phương pháp sử dụng một loại vật liệu màng mỏng mới nổi có trọng lượng nhẹ đến mức có thể đặt trên bong bóng xà phòng. Nhưng những pin mặt trời siêu mỏng này chế tạo với những quy trình phức tạp trong môi trường chân không, có chi phí tốn kém và khó mở rộng quy mô.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học phát triển pin mặt trời màng mỏng hoàn toàn có thể in 3D, sử dụng vật liệu được chế tác thành mực bán dẫn, kỹ thuật chế tạo pin có thể mở rộng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp.

Để sản xuất pin mặt trời, nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu nano ở dạng mực điện tử có thể in. Trong phòng sạch MIT.nano, các nhà khoa học sử dụng máy phủ khuôn có rãnh để thực hiện các lớp phủ vật liệu điện tử của cấu trúc tế bào năng lượng mặt trời lên một chất nền đã chuẩn bị sẵn, có thể tách rời chỉ dày 3 micron. Sử dụng kỹ thuật in lụa (một kỹ thuật tương tự như phương thức đưa các hình họa in thêm vào áo phông), các nhà khoa học in điện cực trên cấu trúc để hoàn thiện module năng lượng mặt trời.

Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể tách module in 3D, có độ dày khoảng 15 micron ra khỏi nền nhựa, tạo thành một thiết bị năng lượng mặt trời siêu nhẹ.

Nhưng các module năng lượng mặt trời mỏng, riêng biệt này rất khó xử lý do dễ dàng bị rách, khiến PV gặp khó khăn khi triển khai. Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu MIT tìm kiếm một chất nền nhẹ, linh hoạt và có độ bền cao mà nhóm nghiên cứu có thể gắn các pin mặt trời lên trên. Nhóm nghiên cứu xác định, các loại vải sẽ là giải pháp tối ưu vì vật liệu có khả năng đàn hồi cơ học và tính linh hoạt, trọng lượng nhẹ.

Các nhà nghiên cứu phát hiện được một vật liệu lý tưởng, một loại vải tổng hợp chỉ nặng 13 gram trên một mét vuông, được biết đến với tên thương mại là Dyneema. Loại vải này được làm từ những sợi bền đến mức được sử dụng làm dây thừng để nâng con tàu du lịch Costa Concordia bị chìm lên khỏi đáy biển Địa Trung Hải.

Bằng cách thêm một lớp keo có thể được làm khô bằng tia cực tím, chỉ dày vài micron, nhóm nghiên cứu dán các module năng lượng mặt trời lên các tấm vải đã chọn. Phương pháp này tạo thành một cấu trúc năng lượng mặt trời siêu nhẹ và chắc chắn về mặt cơ học.

Saravanapavanantham giải thích: “Mặc dù có vẻ đơn giản hơn nếu chỉ in pin mặt trời trực tiếp trên vải, nhưng điều này sẽ hạn chế khả năng lựa chọn các loại vải có thể hoặc những bề mặt tiếp nhận khác trong những ứng dụng thực tế của những loại vật liệu, tương thích về mặt hóa học và nhiệt với tất cả các bước xử lý cần thiết để chế tạo chế tạo pin mặt trời. Phương thức tiếp cận của chúng tôi là tách rời quá trình sản xuất pin mặt trời khỏi sự tích hợp cuối cùng với vật liệu cần thiết.

Vượt trội so với pin mặt trời thông thường

Khi thử nghiệm thiết bị này, các nhà khoa học MIT phát hiện thấy, sản phẩm có thể sản xuất đến 730 watt điện trên mỗi kg khi sử dụng độc lập và khoảng 370 watt trên mỗi kg nếu được dán trên vải Dyneema có độ bền cao, tức là công suất trên mỗi kg cao hơn khoảng 18 lần so với pin mặt trời thông thường.

“Lắp đặt năng lượng mặt trời trên mái nhà điển hình ở Massachusetts là khoảng 8.000 watt. Để tạo ra cùng một lượng điện năng đó, hệ thống quang điện bằng vải của chúng tôi chỉ thêm khoảng 20 kg (44 pound) vào mái nhà,” Saravanapavanantham nói.

Nhóm nghiên cứu cũng kiểm tra độ bền của thiết bị và xác nhận, ngay cả sau khi cuộn và mở tấm pin mặt trời dán trên vải hơn 500 lần, những tế bào vẫn giữ được hơn 90% khả năng phát điện ban đầu.

Mặc dù pin mặt trời mới nhẹ hơn và linh hoạt hơn nhiều so với pin truyền thống, pv vẫn cần được bọc trong một vật liệu khác để bảo vệ trước tác động môi trường. Vật liệu hữu cơ trên cơ sở carbon được sử dụng để tạo ra những tế bào, có thể sẽ biến đổi khi tương tác với độ ẩm và oxy trong không khí, làm giảm hiệu suất của các tấm pv.

Nhà nghiên cứu Mwaura nói: “Bọc các pin mặt trời này trong thủy tinh nặng, theo tiêu chuẩn với pin mặt trời silicon truyền thống làm giảm giá trị của công nghệ tiên tiến này, vì vậy nhóm nghiên cứu đang phát triển những giải pháp đóng gói siêu mỏng, chỉ làm tăng một chút trọng lượng của các thiết bị siêu nhẹ hiện nay.”

“Chúng tôi đang nghiên cứu để loại bỏ càng nhiều vật liệu không hoạt động với năng lượng mặt trời càng tốt trong khi vẫn giữ được yếu tố hình thức và hiệu suất của các pin năng lượng mặt trời siêu nhẹ và linh hoạt này. Ví dụ: chúng tôi biết quy trình sản xuất có thể được hợp lý hóa hơn nữa bằng phương pháp in những chất nền có thể tái sử dụng, tương đương với quy trình được sử dụng để chế tạo các lớp khác trong pin điện mặt trời. Phương pháp này sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển dịch công nghệ tiên tiến này ra thị trường”.