MIT พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบ

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่มีอยู่มากที่สุดในโลก และการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพและเสถียรสามารถบรรเทาวิกฤตพลังงานโลกได้อย่างมาก และเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ถูกมองว่าเป็นเสาหลักของการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาด ในอนาคต เซลล์แสงอาทิตย์จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการพัฒนาเทคโนโลยีและอายุการใช้งานของการผลิต ไม่เพียงแต่สำหรับหลังคาและฟาร์มแสงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังสำหรับการจ่ายพลังงานให้กับเครื่องจักรอวกาศอัตโนมัติ เช่น เครื่องบินและดาวเทียม

นอกจากการพัฒนากระบวนการผลิตสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์แล้ว โลกยังได้เห็นการวิจัยจำนวนมากเป็นพิเศษเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ และเทคโนโลยีการผลิตที่หลากหลาย ในบรรดาเซลล์เหล่านี้ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดบางพิเศษถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ไม่เหมือนใครในด้านนี้ เนื่องจากสามารถนำไปใช้กับพื้นผิวที่ไม่เรียบ โค้ง หรือพื้นผิวที่ไม่เหมาะสมได้หลากหลาย และสามารถลดการใช้วัสดุและข้อกำหนดในการผลิต ซึ่งช่วยลดต้นทุนโดยตรง

ในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Small Methods ฉบับล่าสุด วิศวกรของสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) กล่าวว่าพวกเขาได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบที่สามารถเปลี่ยนพื้นผิวใดๆ ให้กลายเป็นแหล่งพลังงานได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย เซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งบางกว่าเส้นผมของมนุษย์และติดอยู่กับเศษผ้า มีน้ำหนักเพียงหนึ่งในร้อยของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป แต่ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 18 เท่าต่อกิโลกรัม และสามารถประกอบเข้ากับใบเรือ เต็นท์บรรเทาภัยพิบัติ และผ้าใบกันน้ำ ปีกของโดรนและพื้นผิวของอาคารต่างๆ

การติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์บนหลังคาโดยทั่วไปในแมสซาชูเซตส์อยู่ที่ประมาณ 8,000 วัตต์" มยุรัณ สรวนาปวันนันทน์ ผู้เขียนบทความร่วมกล่าว หากต้องการผลิตไฟฟ้าในปริมาณที่เท่ากัน แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบผ้าของเราต้องการเพียงประมาณ 20 กก. (44 ปอนด์) )ที่จะต่อเติมหลังคาบ้าน"

การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบ

ทีมงานของ MIT ที่อยู่เบื้องหลังเทคโนโลยีนี้พยายามต่อยอดจากความก้าวหน้าด้านวัสดุศาสตร์ก่อนหน้านี้ และสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบจนเสร็จสมบูรณ์ในปี 2559 ซึ่งหนักพอที่จะวางบนฟองสบู่โดยไม่แตก เทคนิคดั้งเดิมในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ต้องใช้ห้องสุญญากาศและวิธีการสะสมไอระเหยที่มีราคาแพง ในครั้งนี้ เพื่อขยายขนาดเทคโนโลยี นักวิทยาศาสตร์ได้หันไปใช้วัสดุนาโนที่พิมพ์ได้โดยใช้ e-ink เพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการ

เซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบ

ในห้องปลอดเชื้อนาโน นักวิจัยใช้เครื่องเคลือบอัดรีดเพื่อเคลือบชั้นของวัสดุนาโนอิเล็กทรอนิกส์ลงบนพื้นผิวหนา 3 ไมครอน ตามด้วยการพิมพ์สกรีนเพื่อพิมพ์อิเล็กโทรดและทำโมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ให้สมบูรณ์ ตามด้วยการลอกโมดูลที่พิมพ์ออกมา ซึ่งมีความหนาประมาณ 15 ไมครอน ออกจากพื้นผิวพลาสติกเพื่อสร้างโมดูลอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์แบบเบาพิเศษ แต่โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์แบบตั้งอิสระที่เพรียวบางนี้ยากต่อการจัดการและฉีกขาดง่าย ทำให้ติดตั้งได้ยาก

นักวิจัยจึงลอกและติดโมดูลกับพื้นผิวผ้าที่ให้ความแข็งแรงทางกลที่จำเป็นในการป้องกันการฉีกขาด พื้นผิวน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นซึ่งทำจากวัสดุผสม Dyneema มีน้ำหนักเพียง 13 กรัมต่อตารางเมตรและสามารถยึดติดกับเซลล์แสงอาทิตย์ได้ ด้วยการเพิ่มชั้นของกาวสำหรับบ่มที่มีความหนาเพียงไม่กี่ไมครอน โมดูลแสงอาทิตย์สามารถยึดติดกับ Dyneema ทำให้โครงสร้างแสงอาทิตย์มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษและแข็งแกร่ง

ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและโอกาสในการใช้งานในวงกว้าง

ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบผ้าที่ทนทานนี้มีความหนา 50 ไมครอน และมีน้ำหนักน้อยกว่า 1 กรัมของพื้นที่โมดูล (เทียบเท่ากับความหนาแน่นของพื้นที่ 105 g/m2) การทดสอบเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบบางพิเศษแบบตั้งอิสระสามารถผลิตไฟฟ้าได้ 730 วัตต์ต่อกิโลกรัม และหากนำไปเชื่อมกับผ้า "Power Horse" ที่มีความแข็งแรงสูง ก็จะสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าเฉพาะที่ 370 วัตต์ต่อกิโลกรัม 18 เท่า ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบธรรมดา การรวมโมดูลบางเฉียบเข้ากับแฟบริคคอมโพสิตทำให้มีความยืดหยุ่นทางกลไก และระบบโฟโต้โวลตาอิกแฟบริคเหล่านี้ยังคงประสิทธิภาพไว้ได้หลังจากม้วนขึ้น 500 รอบ โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าเริ่มต้นมากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ยังสามารถขยายวิธีการผลิตเซลล์นี้เพื่อผลิตเซลล์ที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งมีพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้น

ภาพประกอบ: โมดูล OPV และอุปกรณ์ Parylene แยกต่างหาก A) ภาพถ่ายของโมดูล OPV ที่เสร็จสมบูรณ์แล้วบนวัสดุพิมพ์ PET B) ลักษณะเฉพาะของแรงดันกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ควบคุม (PET-IMI, PET-AgNW) และ Parylene บนอุปกรณ์ PET ก่อนและหลังการปลดออกจากตัวพา PET

เซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบทำให้เกิดแรงผลักดันในการค้นหาแหล่งพลังงานทางเลือก เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้มีความบางและเบามาก จึงสามารถติดบนพื้นผิวต่างๆ ได้หลากหลาย ตัวอย่างเช่น สามารถรวมเข้ากับใบเรือเพื่อให้พลังงานในทะเล ติดเต็นท์และผ้าใบกันน้ำที่ใช้ในปฏิบัติการกู้ภัยพิบัติ หรือนำไปใช้กับปีกของโดรนเพื่อขยายระยะการบิน เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์น้ำหนักเบานี้ยังสามารถรวมเข้ากับสภาพแวดล้อมที่สร้างขึ้นได้อย่างง่ายดาย และอาจมีผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบและการก่อสร้างในอนาคตของอุตสาหกรรมอาคาร นอกจากนี้ เซลล์แสงอาทิตย์แบบพกพาเหล่านี้ยังสามารถขับเคลื่อนเป็นโครงสร้างพลังงานที่สวมใส่ได้ในขณะเดินทาง หรือสามารถขนส่งและปรับใช้อย่างรวดเร็วในพื้นที่ห่างไกลเพื่อให้ความช่วยเหลือในสถานการณ์ฉุกเฉิน

ความท้าทายในอนาคต

นักวิจัยกล่าวว่าแม้เซลล์แสงอาทิตย์จะเบาและยืดหยุ่นกว่าเซลล์ทั่วไป แต่จำเป็นต้องหุ้มด้วยวัสดุอื่นเพื่อปกป้องจากสิ่งแวดล้อม และสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบที่ใช้ในการสร้างเซลล์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการโต้ตอบกับความชื้นและออกซิเจนในอากาศ ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ลดลง

รูปถ่าย: เซลล์แสงอาทิตย์บางเฉียบภายใต้การทดสอบ

Jeremiah Mwaura นักวิทยาศาสตร์การวิจัยจากห้องปฏิบัติการวิจัยอิเล็กทรอนิกส์ของ MIT กล่าวว่าการหุ้มเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ไว้ในกระจกหนา เช่นเดียวกับวิธีปฏิบัติมาตรฐานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนแบบดั้งเดิม จะลดมูลค่าของความก้าวหน้าในปัจจุบัน ดังนั้นทีมจึงกำลังพัฒนาบรรจุภัณฑ์ที่บางเฉียบ โซลูชันเพื่อจัดการกับความเสื่อมโทรมของเซลล์จากผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษเพียงเศษเสี้ยวของน้ำหนักเท่านั้น

Jeremiah Mwaura กล่าวเพิ่มเติมว่า: "เรากำลังพยายามกำจัดวัสดุที่ไม่ใช้แสงอาทิตย์ออกให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่ยังคงรักษารูปแบบและประสิทธิภาพของโครงสร้างแสงอาทิตย์ที่เบาเป็นพิเศษและยืดหยุ่นเหล่านี้ไว้ได้ ตัวอย่างเช่น เราทราบดีว่ากระบวนการผลิตสามารถทำได้ต่อไป ทำให้ง่ายขึ้นด้วยการพิมพ์วัสดุพิมพ์ที่ปล่อยออกได้ เทียบเท่ากับกระบวนการที่เราใช้สร้างเลเยอร์อื่นๆ ในอุปกรณ์ของเรา ซึ่งจะช่วยเร่งการแปลเทคโนโลยีนี้ออกสู่ตลาด"

ในขณะที่ระดับของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยียังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง การค้นพบและการใช้วัสดุ เทคโนโลยี และแหล่งพลังงานใหม่ๆ ที่หลากหลายจะช่วยขับเคลื่อนการพัฒนาแอพพลิเคชั่นเซลล์แสงอาทิตย์ต่อไปอย่างแน่นอน เซลล์แสงอาทิตย์แบบบางเฉียบจะสร้างมูลค่าเพิ่มให้กับสังคมในอนาคตอันใกล้