மெல்லிய படல சூரிய மின்கலங்கள் வழக்கமான சூரிய மின்கலங்களை விட சுமார் 100 மடங்கு குறைவான எடையைக் கொண்டுள்ளன, அதே நேரத்தில் ஒரு கிலோவுக்கு 18 மடங்கு அதிக சக்தியை உருவாக்குகின்றன. கடன்: மெலனி கோனிக், எம்ஐடி

எந்தவொரு மேற்பரப்பிலும் தடையின்றி ஒருங்கிணைக்கக்கூடிய அல்ட்ராதின் மற்றும் இலகுரக சூரிய மின்கலங்களை உற்பத்தி செய்வதற்கான புதிய நுட்பத்தை ஆராய்ச்சியாளர்கள் குழு உருவாக்கியுள்ளது.

மசாசூசெட்ஸ் தொழில்நுட்ப நிறுவனம் (எம்ஐடி) பொறியாளர்கள் புதிய அல்ட்ராலைட் ஃபேப்ரிக் சோலார் செல்களை உருவாக்கியுள்ளனர், இது எந்த மேற்பரப்பையும் எளிதில் மற்றும் வேகத்துடன் ஆற்றல் மூலமாக மாற்றும்.

இந்த நீடித்த, நெகிழ்வான சூரிய மின்கலங்கள், மனித முடியை விட மிகவும் மெல்லியவை, வலுவான, இலகுரக துணியில் ஒட்டப்படுகின்றன, அவை நிலையான மேற்பரப்பில் நிறுவுவதை எளிதாக்குகின்றன. அவை அணியக்கூடிய பவர் ஃபேப்ரக்டாக பயணத்தின்போது ஆற்றலை வழங்கலாம் அல்லது அவசர காலங்களில் உதவிக்காக தொலைதூர இடங்களில் கொண்டு செல்லப்பட்டு விரைவாகப் பயன்படுத்தப்படலாம். அவை வழக்கமான சோலார் பேனல்களின் எடையில் நூறில் ஒரு பங்காகும், ஒரு கிலோவுக்கு 18 மடங்கு அதிக சக்தியை உருவாக்குகின்றன, மேலும் அச்சிடும் செயல்முறைகளைப் பயன்படுத்தி குறைக்கடத்தி மைகளிலிருந்து தயாரிக்கப்படுகின்றன, அவை எதிர்காலத்தில் பெரிய பகுதி உற்பத்திக்கு அளவிடப்படலாம்.

அவை மிகவும் மெல்லியதாகவும் இலகுவாகவும் இருப்பதால், இந்த சூரிய மின்கலங்கள் பல்வேறு பரப்புகளில் லேமினேட் செய்யப்படலாம். உதாரணமாக, கடலில் இருக்கும் போது சக்தியை வழங்க படகின் படகில் ஒருங்கிணைக்கப்படலாம், பேரிடர் மீட்பு நடவடிக்கைகளில் பயன்படுத்தப்படும் கூடாரங்கள் மற்றும் டார்ப்களில் ஒட்டிக்கொள்ளலாம் அல்லது அவற்றின் பறக்கும் வரம்பை நீட்டிக்க ட்ரோன்களின் இறக்கைகளில் பயன்படுத்தப்படலாம். இந்த இலகுரக சூரிய தொழில்நுட்பம் குறைந்த நிறுவல் தேவைகளுடன் உள்ளமைக்கப்பட்ட சூழல்களில் எளிதாக ஒருங்கிணைக்கப்படலாம்.

எம்ஐடி ஆராய்ச்சியாளர்கள் அல்ட்ராதின், இலகுரக சூரிய மின்கலங்களை உற்பத்தி செய்ய அளவிடக்கூடிய புனையமைப்பு நுட்பத்தை உருவாக்கியுள்ளனர். கடன்: மெலனி கோனிக், எம்ஐடி

“ஒரு புதிய சூரிய மின்கலத் தொழில்நுட்பத்தை மதிப்பிடுவதற்குப் பயன்படுத்தப்படும் அளவீடுகள் பொதுவாக அவற்றின் ஆற்றல் மாற்றும் திறன் மற்றும் ஒரு வாட்டிற்கு டாலர்கள் என்ற விலையில் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளன. ஒருங்கிணைக்கும் தன்மை எவ்வளவு முக்கியமானது – புதிய தொழில்நுட்பத்தை எளிதில் மாற்றியமைக்க முடியும். இலகுரக சோலார் துணிகள் ஒருங்கிணைப்பை செயல்படுத்துகிறது, இது தற்போதைய வேலைக்கு உத்வேகம் அளிக்கிறது. புதிய கார்பன் இல்லாத ஆற்றல் மூலங்களை வரிசைப்படுத்துவதற்கான தற்போதைய அவசரத் தேவையைக் கருத்தில் கொண்டு, சூரிய ஒளியைத் தத்தெடுப்பதை விரைவுபடுத்த நாங்கள் முயற்சி செய்கிறோம், ”என்று ஆர்கானிக் மற்றும் நானோ கட்டமைக்கப்பட்ட எலக்ட்ரானிக்ஸ் ஆய்வகத்தின் (ஒன் லேப்) இயக்குனரின் தலைவரும், வளர்ந்து வரும் தொழில்நுட்பத்தின் ஃபரிபோர்ஸ் மசீஹ் தலைவருமான விளாடிமிர் புலோவிக் கூறுகிறார்.[{” attribute=””>MIT.nano, and senior author of a new paper describing the work.

Joining Bulović on the paper are co-lead authors Mayuran Saravanapavanantham, an electrical engineering and computer science graduate student at MIT; and Jeremiah Mwaura, a research scientist in the MIT Research Laboratory of Electronics. The research was recently published in the journal Small Methods.

Slimmed down solar

Traditional silicon solar cells are fragile, so they must be encased in glass and packaged in heavy, thick aluminum framing, which limits where and how they can be deployed.

Six years ago, the ONE Lab team produced solar cells using an emerging class of thin-film materials that were so lightweight they could sit on top of a soap bubble. But these ultrathin solar cells were fabricated using complex, vacuum-based processes, which can be expensive and challenging to scale up.

In this work, they set out to develop thin-film solar cells that are entirely printable, using ink-based materials and scalable fabrication techniques.

To produce the solar cells, they use nanomaterials that are in the form of a printable electronic inks. Working in the MIT.nano clean room, they coat the solar cell structure using a slot-die coater, which deposits layers of the electronic materials onto a prepared, releasable substrate that is only 3 microns thick. Using screen printing (a technique similar to how designs are added to silkscreened T-shirts), an electrode is deposited on the structure to complete the solar module.

The researchers can then peel the printed module, which is about 15 microns in thickness, off the plastic substrate, forming an ultralight solar device.

But such thin, freestanding solar modules are challenging to handle and can easily tear, which would make them difficult to deploy. To solve this challenge, the MIT team searched for a lightweight, flexible, and high-strength substrate they could adhere the solar cells to. They identified fabrics as the optimal solution, as they provide mechanical resilience and flexibility with little added weight.

They found an ideal material — a composite fabric that weighs only 13 grams per square meter, commercially known as Dyneema. This fabric is made of fibers that are so strong they were used as ropes to lift the sunken cruise ship Costa Concordia from the bottom of the Mediterranean Sea. By adding a layer of UV-curable glue, which is only a few microns thick, they adhere the solar modules to sheets of this fabric. This forms an ultra-light and mechanically robust solar structure.

“While it might appear simpler to just print the solar cells directly on the fabric, this would limit the selection of possible fabrics or other receiving surfaces to the ones that are chemically and thermally compatible with all the processing steps needed to make the devices. Our approach decouples the solar cell manufacturing from its final integration,” Saravanapavanantham explains.

Outshining conventional solar cells

When they tested the device, the MIT researchers found it could generate 730 watts of power per kilogram when freestanding and about 370 watts-per-kilogram if deployed on the high-strength Dyneema fabric, which is about 18 times more power-per-kilogram than conventional solar cells.

“A typical rooftop solar installation in Massachusetts is about 8,000 watts. To generate that same amount of power, our fabric photovoltaics would only add about 20 kilograms (44 pounds) to the roof of a house,” he says.

They also tested the durability of their devices and found that, even after rolling and unrolling a fabric solar panel more than 500 times, the cells still retained more than 90 percent of their initial power generation capabilities.

While their solar cells are far lighter and much more flexible than traditional cells, they would need to be encased in another material to protect them from the environment. The carbon-based organic material used to make the cells could be modified by interacting with moisture and oxygen in the air, which could deteriorate their performance.

“Encasing these solar cells in heavy glass, as is standard with the traditional silicon solar cells, would minimize the value of the present advancement, so the team is currently developing ultrathin packaging solutions that would only fractionally increase the weight of the present ultralight devices,” says Mwaura.

“We are working to remove as much of the non-solar-active material as possible while still retaining the form factor and performance of these ultralight and flexible solar structures. For example, we know the manufacturing process can be further streamlined by printing the releasable substrates, equivalent to the process we use to fabricate the other layers in our device. This would accelerate the translation of this technology to the market,” he adds.

Reference: “Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra-thin Substrates as Additive Power Sources” by Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura and Vladimir Bulović, 9 December 2022, Small Methods.
DOI: 10.1002/smtd.202200940

The study was funded by the MIT Energy Initiative, the U.S. National Science Foundation, and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.