18倍の電力：MITの研究者が超薄型軽量太陽電池を開発

マサチューセッツ工科大学アダ​​ム・ゼー著 2023 年 1 月 22 日

薄膜太陽電池は、従来の太陽電池に比べて重量が約 100 分の 1 であり、1 キログラムあたり約 18 倍の電力を生成します。 クレジット: メラニー・ゴニック、MIT

研究者チームは、あらゆる表面にシームレスに統合できる超薄型軽量の太陽電池を製造するための新しい技術を開発しました。

マサチューセッツ工科大学 (MIT) のエンジニアは、あらゆる表面を簡単かつ迅速に電源に変えることができる、新しい超軽量布製太陽電池を開発しました。

これらの耐久性と柔軟性に優れた太陽電池は、人間の髪の毛よりもはるかに薄く、強力で軽量な生地に接着されているため、固定面に簡単に取り付けることができます。 ウェアラブル パワー ファブリックとして外出先でエネルギーを供給したり、緊急時の支援のために遠隔地に輸送して迅速に展開したりできます。 従来のソーラーパネルの100分の1の重量で、1キログラムあたり18倍の電力を生成し、将来的には大面積製造に拡張できる印刷プロセスを使用して半導体インクから作られています。

これらの太陽電池は非常に薄くて軽量であるため、さまざまな表面にラミネートすることができます。 たとえば、海上で電力を供給するためにボートの帆に組み込んだり、災害復旧活動で配備されるテントや防水シートに貼り付けたり、ドローンの翼に貼り付けて飛行範囲を拡大したりすることができます。 この軽量ソーラー技術は、設置の必要性を最小限に抑えて、建築環境に簡単に統合できます。

MITの研究者らは、あらゆる表面に貼り付けることができる超薄型軽量の太陽電池を製造するための拡張性の高い製造技術を開発した。 クレジット: メラニー・ゴニック、MIT

"The metrics used to evaluate a new solar cell technology are typically limited to their power conversion efficiency and their cost in dollars-per-watt. Just as important is integrability — the ease with which the new technology can be adapted. The lightweight solar fabrics enable integrability, providing impetus for the current work. We strive to accelerate solar adoption, given the present urgent need to deploy new carbon-free sources of energy," says Vladimir Bulović, the Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader of the Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), director of MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT.nano であり、この研究について説明した新しい論文の上級著者です。

この論文には、共同筆頭著者のマユラン・サラヴァナパヴァナンタム氏もブロヴィッチ氏に加わっている。マユラン・サラヴァナパヴァナンタム氏は、マサチューセッツ工科大学の電気工学およびコンピューターサイエンスの大学院生である。 そしてマサチューセッツ工科大学エレクトロニクス研究所の研究員ジェレミア・ムワウラ氏。 この研究は最近、Small Methods 誌に掲載されました。

従来のシリコン太陽電池は壊れやすいため、ガラスで覆い、重くて厚いアルミニウムのフレームで梱包する必要があるため、設置場所と方法が制限されます。

6 年前、ONE Lab チームは、シャボン玉の上に乗れるほど軽量な、新興クラスの薄膜材料を使用して太陽電池を製造しました。 しかし、これらの超薄型太陽電池は複雑な真空ベースのプロセスを使用して製造されているため、高価であり、スケールアップが困難な場合があります。

この研究では、インクベースの材料とスケーラブルな製造技術を使用して、完全に印刷可能な薄膜太陽電池の開発に着手しました。

太陽電池を製造するには、印刷可能な電子インクの形をしたナノマテリアルが使用されます。 MIT.nano クリーン ルームで作業する彼らは、スロット ダイ コーターを使用して太陽電池構造をコーティングします。このコーターは、準備された厚さわずか 3 ミクロンの剥離可能な基板上に電子材料の層を堆積します。 スクリーン印刷 (シルクスクリーン印刷された T シャツにデザインを追加する方法に似た技術) を使用して、電極を構造上に堆積して、ソーラー モジュールを完成させます。

研究者らはその後、厚さ約15ミクロンのプリントモジュールをプラスチック基板から剥がして、超軽量ソーラーデバイスを形成することができる。

しかし、このように薄くて自立型の太陽電池モジュールは取り扱いが難しく、簡単に破れてしまうため、設置が困難になります。 この課題を解決するために、MIT チームは太陽電池を接着できる、軽量で柔軟性があり、高強度の基板を探しました。 彼らは、重量をほとんど追加せずに機械的弾性と柔軟性を提供するファブリックを最適なソリューションとして特定しました。

彼らは理想的な素材、つまりダイニーマとして商業的に知られる、1 平方メートルあたりわずか 13 グラムの重さの複合繊維を発見しました。 この生地は非常に強い繊維でできており、沈没したクルーズ船コスタ・コンコルディアを地中海の底から引き上げるロープとして使用されました。 厚さわずか数ミクロンの UV 硬化性接着剤の層を追加することで、太陽電池モジュールをこの布地のシートに接着します。 これにより、超軽量で機械的に堅牢な太陽構造が形成されます。

「太陽電池を布地に直接印刷する方が簡単に見えるかもしれませんが、これでは考えられる布地やその他の受け取り面の選択が、デバイスの製造に必要なすべての加工ステップと化学的および熱的に適合するものに限定されてしまいます。このアプローチは、太陽電池の製造と最終的な統合を切り離します」とサラヴァナパヴァナンサム氏は説明します。

MITの研究者らは、このデバイスをテストしたところ、自立状態では1キログラムあたり730ワットの電力を生成でき、高強度ダイニーマ生地上に配置した場合は1キログラムあたり約370ワットの電力を生成できることを発見しました。これは、1キログラムあたりの電力が約18倍になります。従来の太陽電池よりも優れています。

「マサチューセッツ州の一般的な屋上の太陽光発電設備は約 8,000 ワットです。同じ量の電力を生成するために、当社の布地太陽光発電は家の屋根に約 20 キログラム (44 ポンド) の重量を加えるだけです。」と彼は言います。

また、デバイスの耐久性もテストしたところ、布製ソーラー パネルを 500 回以上丸めたり広げたりした後でも、セルが初期の発電能力の 90% 以上を維持していることがわかりました。

同社の太陽電池は従来の太陽電池よりもはるかに軽量で柔軟性に優れていますが、環境から保護するために別の素材で覆う必要があります。 電池の製造に使用される炭素ベースの有機材料は、空気中の水分や酸素と相互作用することによって変質する可能性があり、その結果、電池の性能が低下する可能性があります。

「従来のシリコン太陽電池の標準であるように、これらの太陽電池を重いガラスで覆うと、現在の進歩の価値が最小限に抑えられてしまうため、チームは現在、現在の超軽量デバイスの重量をほんの一部しか増加させない超薄型パッケージングソリューションを開発中です。 」とムワラは言います。

「私たちは、これらの超軽量で柔軟な太陽電池構造のフォームファクターと性能を維持しながら、非太陽活動材料を可能な限り除去することに取り組んでいます。たとえば、剥離可能なシートを印刷することで製造プロセスをさらに合理化できることを私たちは知っています。これは、デバイス内の他の層を製造するために使用するプロセスと同等です。これにより、この技術の市場への導入が加速されるでしょう」と彼は付け加えました。

参考文献：Mayran Saravanapavanantham、Jeremiah Mwaura、および Vladimir Bulović 著「付加的電源としての転写可能な超薄型基板上の印刷有機太陽電池モジュール」、2022 年 12 月 9 日、Small Methods.DOI: 10.1002/smtd.202200940

この研究は、MIT エネルギー イニシアチブ、米国国立科学財団、およびカナダ自然科学工学研究評議会から資金提供を受けました。