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2022-12-12La célula solar delgada como el papel puede convertir cualquier superficie en una fuente de energía

MIT |Los investigadores desarrollan una técnica de fabricación escalable para producir células solares ultrafinas y ligeras que se pueden añadir sin problemas a cualquier superficie.

Los ingenieros del MIT han desarrollado células solares de tela ultraligeras que pueden convertir rápida y fácilmente cualquier superficie en una fuente de energía.

Estas células solares duraderas y flexibles, que son mucho más delgadas que un cabello humano, están pegadas a una tela fuerte y liviana, lo que las hace fáciles de instalar en una 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. Tienen una centésima parte del peso de los paneles solares convencionales, generan 18 veces más energía por kilogramo y están hechos de tintas semiconductoras utilizando procesos de impresión que pueden escalarse en el futuro a la fabricación en grandes áreas.

Debido a que son tan delgadas y livianas, estas células solares se pueden laminar en muchas superficies diferentes. Por ejemplo, podrían integrarse en las velas de un barco para proporcionar energía en el mar, adherirse a tiendas de campaña y lonas que se despliegan en operaciones de recuperación de desastres o aplicarse a las alas de drones para ampliar su alcance de vuelo. Esta tecnología solar liviana se puede integrar fácilmente en entornos construidos con necesidades mínimas de instalación.

“Las métricas utilizadas para evaluar una nueva tecnología de celdas solares generalmente se limitan a su eficiencia de conversión de energía y su costo 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 solar, dada la urgente necesidad actual de implementar nuevas fuentes de energía libres de carbono”, dice Vladimir Bulović, presidente de Fariborz Maseeh en Tecnología Emergente, líder del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab), director de MIT.nano, y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.

Junto a Bulović en el artículo están los coautores principales Mayuran Saravanapavanantham, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT; y Jeremiah Mwaura, científico investigador del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. La investigación se publica hoy en Small Methods.

Solar adelgazado

Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, por lo que deben revestirse de vidrio y empaquetarse en un marco de aluminio pesado y grueso, lo que limita dónde y cómo se pueden implementar.

Hace seis años, el equipo de ONE Lab 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.

En este trabajo, se propusieron desarrollar células solares de película delgada que fueran completamente imprimibles, utilizando materiales basados ​​en tinta y técnicas de fabricación escalables.

Para producir las células solares, utilizan nanomateriales que se encuentran en forma de tintas electrónicas imprimibles. Trabajando en la sala limpia de MIT.nano, recubren la estructura de la celda solar utilizando un recubridor de matriz ranurada, que deposita capas de los materiales electrónicos en un sustrato liberado preparado 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.

Pero estos módulos solares delgados e independientes son difíciles de manejar y pueden romperse 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. Este tejido está hecho de fibras que son tan fuertes que se usaron como cuerdas para levantar el crucero hundido Costa Concordia desde el fondo del mar Mediterráneo. Añadiendo una capa de cola curable por UV, de tan solo unas micras de espesor, adhieren los módulos solares a las láminas de este tejido. 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. Nuestro enfoque desvincula la fabricación de células solares de su integración final”, explica Saravanapavanantham.

Eclipsando a las células solares convencionales

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

“Una instalación solar típica en un tejado en Massachusetts es de unos 8.000 vatios. Para generar la misma cantidad de energía, nuestra fotovoltaica de tela solo agregaría unos 20 kilogramos (44 libras) al techo de una casa”, dice.

También probaron la durabilidad de sus dispositivos y descubrieron que, incluso después de enrollar y desenrollar un panel solar de tela más de 500 veces, las celdas aún conservaban más del 90 por ciento de sus capacidades iniciales de generación de energía.

Si bien sus celdas solares son mucho más livianas y mucho más 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”, dice Mwaura.

“Estamos trabajando para eliminar la mayor cantidad posible de material no solar activo sin dejar de conservar el factor de forma y el rendimiento de estas estructuras solares ultraligeras y flexibles. Por ejemplo, sabemos que el proceso de fabricación se puede simplificar aún más imprimiendo los sustratos liberables, equivalente al proceso que usamos para fabricar las otras capas de nuestro dispositivo. Esto aceleraría la traducción de esta tecnología al mercado”, añade.

Esta investigación está financiada, en parte, por Eni SpA a través de  la Iniciativa Energética del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.

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Autor
MIT

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