纸一样薄的太阳能电池 可以将任何表面变成电源

MELANIE GONICK/MIT

麻省理工学院的研究人员已经制造出比人类头发更薄的太阳能电池板，每千克提供的能量是现在的玻璃和硅基太阳能电池板的18倍。事实上，这些太阳能电池的重量是传统光伏电池的百分之一。

如果有一天能够扩大这项技术，其影响可能是相当大的。麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Vladimir Bulović表示，他们的大屋顶是太阳能发电设施的主要地产，但他们无法承受当今硅太阳能电池板的重量。如果我们有重量更轻的太阳能电池板，我们将能够很快让这些屋顶通电。

Bulović表示，用于评估新太阳能电池技术的指标通常限于功率转换效率和每瓦美元的成本。而同样重要的是可积性，即新技术的易用性。这种轻薄的太阳能织物实现了可积性，并为当前的工作提供了动力。鉴于目前对于无碳排放能源的急切需求，我们正努力实现对于太阳能的采用。

由于这些太阳能电池非常薄且重量轻，因此可以将它们层压在许多不同的表面上。例如，它们可以集成在船的帆上，在海上可为船只提供动力，粘附在灾后重建时所搭建的帐篷和防水布上，或者应用在无人机的机翼上，以扩大其飞行范围和距离。这种轻型太阳能技术可以很容易地集成到建筑环境中，无需很复杂的安装要求。

Bulović说，硅太阳能电池板的重量使太阳能的部署速度远不及目前。薄膜太阳能电池，如First Solar公司生产的太阳能电池，重量更轻，制造起来也更容易、更便宜。但它们仍然沉积在一片玻璃上，因此最终的模块变得和传统模块一样重。

他说，减少太阳能电池的重量将使制造商能够制造更大的太阳能电池板，并使安装成本大大降低。迄今为止，在柔性塑料薄膜上制作超薄太阳能电池的尝试很少，但实验装置非常小，或者它们很脆弱，或者没有最佳的实际使用性能。

麻省理工学院的团队在一片塑料上涂了一层几微米厚的聚对二甲苯。聚对二甲苯具有电气绝缘性，可防止湿气和化学腐蚀。除此之外，研究人员使用由各种材料制成的可打印墨水沉积了不同的太阳能电池层。整个太阳能电池结构的厚度为2至3微米。研究人员选择了有机半导体作为有源光电转换层，银纳米线和导电聚合物作为透明电极。Bulović说，你也可以使用钙钛矿进行光转换。这些材料将提供更高的效率，但它们在湿气和氧气中降解。

接下来，该团队在成品太阳能电池的边缘涂上几微米的胶水，并将其与一种坚固、轻便、可商购的高性能织物接触。然后，他们扯下织物，用它剥下非常薄的聚对二甲苯基材和上面的太阳能电池堆，将太阳能模块转移到织物上。

织物模块的功率密度为370瓦/千克，重量为0.1千克/平方米。相比之下，商用住宅硅太阳能电池板的功率密度为20W/kg，重量为10.7kg/m2，而玻璃基板上的碲化镉薄膜太阳能模块的比功率为13W/kg，重14kg/m2。

虽然Bulović团队制造的实验室规模的设备尺寸约为10 x 10厘米，但他表示，“我们所展示的一切都可以做得更大。没有什么可以阻止该过程的可扩展性。”

纸一样薄的太阳能电池需要在现实世界中稳定使用。研究人员计划进行更广泛的测试，并制作一种轻质的封装层，该封装层可以承受这些元素，并使太阳能电池安全工作多年。Bulović说：“该设备在没有包装的情况下可以维持一到两年。有了包装，我们可以将其延长至5至10年。这已经足够了。”

Bulović旗下已有三家初创公司，包括被三星收购的量子点电子公司QD Vision，以及生产透明太阳能电池的Ubiquitous Energy。他现在计划通过一家新成立的初创公司Active Surfaces进一步开发和商业化新型超薄太阳能电池。

研究人员在本月发表在Small Methods杂志上的一篇论文中介绍了他们的新装置。