超薄太阳能电池的优异性能和广阔应用前景

太阳能是全球储备最为丰富的能源，利用好太阳能并开发高效且稳定的太阳能电池能够极大地缓解全球的能源危机，太阳能电池技术也被视为清洁能源转型的关键支柱。在未来的科技发展及生产生活中，太阳能电池将会承担越来越重要的作用，它们不仅可用于屋顶和太阳能发电场，还可用于为飞机和人造卫星等自动作业的航空航天机器提供动力。

伴随半导体电子元器件制造工艺的发展，全球对太阳能电池展开了异常活跃的研究，制造技术也百花齐放。其中，超薄电池太阳能电池在该领域具有独特的前景，因为它们可以应用于各种不规则的、弯曲的或其他不适合的表面，并且可以减少材料消耗和制造需求，直接降低成本。

近日，美国麻省理工学院（MIT）工程师在最新一期《小方法》杂志上刊发论文称，他们开发出一款超薄太阳能电池，可快速方便地将任何表面变为电源。这款比人头发丝还纤薄的太阳能电池黏附于一块织物上，重量仅为传统太阳能电池板的百分之一，但每千克的发电量是其18倍，可集成在船帆、救灾帐篷和防水布、无人机的机翼及各种建筑物表面。

文章的共同主要作者Mayuran Saravanapavanantham说："在马萨诸塞州，一个典型的屋顶太阳能装置大约是8000瓦。为了产生相同数量的电力，我们的织物光伏只需在房子的屋顶上增加大约20公斤（44磅）。"

超薄太阳能电池的产生

这项技术背后的麻省理工学院团队试图在其之前的材料科学进展的基础上再接再厉，其在2016年就完成了一款超薄太阳能电池，其重量足以坐在肥皂泡上而不致破裂。传统的太阳能电池的制造技术需要真空室和昂贵的蒸镀方法。这一次，为了扩大该技术的规模，科学家们转向了基于电子墨水的可打印纳米材料，以简化该过程。

在纳米洁净室内，研究人员使用挤出式涂布机将纳米电子材料层沉积到3微米厚的基底上，随后使用丝网印刷术，印制出电极并完成太阳能模块，接着将厚度约为15微米的印刷模块从塑料基板上剥离，形成一种超轻太阳能装置模块。但是这种纤薄而独立式的太阳能模块很难处理，且很容易撕裂，因此难以部署。

因此，研究人员将该模块剥离并粘在一个织物基底上，该基底提供了防止撕裂所需的机械强度。这种轻质、柔韧的基材基于复合材料“大力马”（Dyneema），每平方米仅重13克，能将太阳能电池黏附在其上。通过添加一层只有几微米厚的固化胶，太阳能组件可以黏附在“大力马”上，并最终形成超轻且坚固的太阳能结构。

优异性能和广阔应用前景

这种耐用的织物-光伏系统，其厚度为50微米，模块面积的重量低于1克（相当于面积密度为105克/平方米）。实验测试结果显示，独立式超薄太阳能电池每千克可产生730瓦的功率，如果将其黏附在高强度“大力马”织物上，其比功率也可达到370瓦/公斤，是传统太阳能电池的18倍。将超薄模块集成到复合织物上，可使其具有机械弹性，而这些织物-光伏系统在经过500次卷起循环后仍能保持其性能，具有90%以上的初始发电能力。此外，这种电池生产方法可以扩展，生产出面积更大的柔性电池。

图说：OPV模块和独立的Parylene装置。A）PET基底上完成的OPV模块的照片。B）控制装置（PET-IMI、PET-AgNW）和PET装置上的对二甲苯在脱离PET载体之前和之后的电流-电压特性。

来源：MIT

超薄太阳能电池为人们寻找替代电源的方式提供了动力。由于这些太阳能电池非常薄和轻，它们可以被贴在许多不同的表面上。例如，它们可以被集成到船帆上，以便在海上提供电力，粘附在灾难恢复行动中部署的帐篷和防水布上，或者应用到无人机的机翼上，以扩大其飞行范围。这种轻量级的太阳能技术也可以很容易地集成到建筑环境中，或将对建筑业未来设计、建造带来重大影响。此外，这些便携式太阳能电池可以在旅途中作为可穿戴电源结构提供能量，也可以在偏远地区运输和快速部署，以便在紧急情况下提供援助。

未来挑战

研究人员表示，虽然他们的太阳能电池比传统的电池更轻、更柔韧，但它们需要被包裹在另一种材料中，以保护它们免受环境影响。而用于制造这些电池的碳基有机材料可以通过与空气中的水分和氧气相互作用而被改变，这可能降低电池的性能。

麻省理工学院电子研究实验室的研究科学家Jeremiah Mwaura表示，将这些太阳能电池包裹在沉重的玻璃中，就像传统的硅太阳能电池的标准做法一样，会将目前的进步价值降到最低，因此该团队目前正在开发超薄的包装解决方案来解决电池受环境影响的退化问题，这将只会使目前超轻设备的重量增加一小部分。

Jeremiah Mwaura补充说："我们正在努力去除尽可能多的非太阳能活性材料，同时仍然保留这些超轻和柔性太阳能结构的外形和性能。例如，我们知道，通过印刷可释放的基板，可以进一步简化制造过程，相当于我们用来制造我们设备中其他层的过程。这将加速这项技术向市场的转化。”

伴随着科学技术水平的持续发展，多种多样的新材料、技术、能源的发掘和使用，一定会持续推动太阳能电池的应用发展。超薄太阳能电池也将在不久的将来，为社会创造更大的价值。

编辑：黄飞