TECNOLOGÍA. Las células solares impresas ultrafinas del MIT pueden electrificar cualquier superficie

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Investigadores del MIT han ideado células solares impresas ultrafinas que superan a las células solares convencionales en términos de rendimiento por peso.

Investigadores del MIT han creado células solares ultrafinas y flexibles que se pueden imprimir con tintas semiconductoras y técnicas de fabricación escalables. 

12 diciembre 2022.- Son mucho más delgados que un cabello humano, pesan un 1% más que un panel solar convencional y generan 18 veces más energía por kilogramo, según una publicación de blog del MIT .

Cuando se pegan a una tela fuerte y liviana, son fáciles de instalar en cualquier superficie fija. Pueden proporcionar energía sobre la marcha como un tejido de energía portátil o transportarse y desplegarse rápidamente en ubicaciones remotas para asistencia en emergencias. Debido a que son tan delgadas y livianas, estas celdas solares se pueden laminar en muchas superficies diferentes, desde las velas de un bote hasta tiendas de campaña y lonas que se implementan en operaciones de recuperación de desastres. Incluso podrían usarse para circunnavegar Australia . 

Esta tecnología solar liviana se puede integrar fácilmente en entornos construidos con necesidades mínimas de instalación, afirman los investigadores.

Las métricas utilizadas para evaluar una nueva tecnología de celdas solares generalmente se limitan a su eficiencia de conversión de energía y su coste en dólares por vatio. Igual de importante es la integrabilidad: la facilidad con la que se puede adaptar la nueva tecnología. Los tejidos solares ligeros permiten la integrabilidad, dando impulso al trabajo actual. 

"Nos esforzamos por acelerar la adopción de la energía solar, dada la urgente necesidad actual de implementar nuevas fuentes de energía libres de carbono”, dice Vladimir Bulović, jefe de tecnología emergente en el MIT y líder del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab). También es director de MIT.nano y autor principal de un nuevo artículo que describe este trabajo innovador sobre células solares ultrafinas.

Para los lectores que deseen profundizar más en los detalles técnicos de este descubrimiento, pueden encontrar más, mucho más, en Small Methods , que publicó el artículo de investigación el 9 de diciembre. Afortunadamente, el artículo no está detrás de un muro de pago y es accesible para todos. 

El camino hacia las células solares ultradelgadas

Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, lo que significa que tienen que estar revestidas de vidrio y empaquetadas en un marco de aluminio grueso. Eso los hace pesados ​​e inflexibles, lo que a su vez limita dónde y cómo se pueden implementar.

La búsqueda de células solares impresas comenzó hace más de una década. Hace seis años, el equipo de ONE Lab del MIT produjo células solares utilizando una clase emergente de materiales de película delgada que eran tan livianos que podían colocarse encima de una pompa de jabón. Pero estas células solares ultrafinas se fabricaron mediante procesos complejos basados ​​en el vacío, que pueden ser costosos y difíciles de ampliar.

Para producir estas nuevas células solares ultrafinas y flexibles, se utilizan nanomateriales en forma de tintas electrónicas imprimibles. Trabajando en la sala limpia MIT.nano, los investigadores recubren la estructura de la célula solar utilizando un recubridor de ranura que deposita capas de materiales electrónicos en un sustrato preparado y liberable que tiene solo 3 micrones de espesor. Mediante serigrafía (una técnica similar a cómo se añaden diseños a las camisetas serigrafiadas), se deposita un electrodo sobre la estructura para completar el módulo solar. Luego, los investigadores pueden despegar el módulo impreso, que tiene un grosor de aproximadamente 15 micrones, del sustrato de plástico, formando un dispositivo solar ultraligero.

Dichos módulos solares delgados e independientes son difíciles de manejar y pueden rasgarse fácilmente, lo que dificultaría su implementación. Para resolver este desafío, el equipo del MIT buscó un sustrato liviano, flexible y de alta resistencia al que pudieran adherirse las células solares. Identificaron los tejidos como la solución óptima, ya que proporcionan resistencia mecánica y flexibilidad con poco peso añadido.

Encontraron un material ideal: un tejido compuesto que pesa solo 13 gramos por metro cuadrado conocido comercialmente como Dyneema. Esta tela está hecha de fibras que son tan fuertes que se usaron como cuerdas para levantar el crucero Costa Concordia desde el fondo del Mediterráneo (después de que su capitán lo acercara demasiado a la orilla para saludar a familiares y amigos, con lo cual chocó contra una roca). y se hundió). Al agregar una capa de pegamento curable con UV de solo unas pocas micras de espesor, adhieren los módulos solares a las láminas de esa tela. Esto forma una estructura solar ultraligera y mecánicamente robusta.

Si bien puede parecer más simple imprimir las células solares directamente sobre la tela, esto limitaría la selección de posibles telas u otras superficies receptoras a las que son química y térmicamente compatibles con todos los pasos de procesamiento necesarios para fabricar los dispositivos. Este nuevo enfoque desvincula la fabricación de células solares de su integración final.

Eclipsando a los paneles solares convencionales

Cuando probaron el dispositivo, los investigadores del MIT descubrieron que podía generar 730 vatios de potencia por kilogramo cuando estaba de pie y alrededor de 370 vatios por kilogramo si se desplegaba sobre el tejido Dyneema de alta resistencia. Eso es aproximadamente 18 veces más que las células solares convencionales en términos de potencia por kilogramo.

Una instalación solar típica en un tejado es de unos 8.000 vatios. Para generar la misma cantidad de energía, la fotovoltaica de tela solo agregaría unos 20 kilogramos al techo de una casa, explica el coautor. Cuando se probó su durabilidad, las células solares ultrafinas conservaron más del 90 % de sus capacidades iniciales de generación de energía después de enrollarse y desenrollarse más de 500 veces.

Si bien las celdas solares del MIT son mucho más livianas y flexibles que las celdas tradicionales, deberían revestirse con otro material para protegerlas del medio ambiente. El material orgánico a base de carbono utilizado para fabricar las células podría modificarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría deteriorar su rendimiento.

Encerrar estas celdas solares en vidrio pesado, como es estándar con las celdas solares de silicio tradicionales, minimizaría el valor del avance actual, por lo que el equipo está desarrollando soluciones de empaque ultradelgadas que solo aumentarían fraccionalmente el peso de los dispositivos ultraligeros actuales.

El proceso de fabricación se puede simplificar aún más imprimiendo los sustratos liberables, equivalente al proceso usado para fabricar las otras capas del nuevo dispositivo. Esto aceleraría la traducción de esta tecnología al mercado.


Más información: Mayuran Saravanapavanantham et al, Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra‐thin Substrates as Additive Power Sources, Small Methods (2022). DOI: 10.1002/smtd.202200940

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