Células fotovoltaicas flexibles ultrafina

Imagínese células solares tan delgada, flexible y ligeras que puedan ser colocados en casi cualquier material o superficie, incluyendo sombrero, camisas, o un teléfono inteligente,  incluso en una hoja de papel o un globo de helio.

Aunque puede tomar años para convertirse en un producto comercial, el laboratorio de prueba  muestra un nuevo enfoque para hacer células solares que podrían ayudar a impulsar la próxima generación de dispositivos electrónicos portátiles.

El nuevo proceso se describe en un documento elaborado por el profesor del MIT Vladimir Bulović, científico de investigación Annie Wang, y el estudiante de doctorado Joel Jean, en la revista electrónica orgánica.

Bulović, decano asociado del MIT para la innovación y la Fariborz Masih (1990) Profesor de Tecnología Emergente, dice que la clave para el nuevo enfoque es hacer que la célula solar, la superficie  que la soporta, y un recubrimiento protector para protegerlo del medio ambiente, todo en un solo proceso.

La superficie esta  en su lugar y nunca necesita ser manejado, limpiado, o eliminado del vacío durante la fabricación, reduciendo así al mínimo la exposición al polvo u otros contaminantes que podrían degradar el rendimiento de la célula.
“El paso innovador es la comprensión de que puede agrandar la superficie al mismo tiempo,que crece el dispositivo”, dice Bulović.

En este experimento inicial de prueba de concepto, el equipo utilizó un polímero flexible común llamado parileno ya que tanto la superficie , el recubrimiento, y un material orgánico llamado PAD como la capa de absorción de luz primaria.

Parileno es un revestimiento de plástico disponibles comercialmente utilizado ampliamente para proteger los dispositivos biomédicos implantados y placas de circuito impreso de daños al medio ambiente.

Todo el proceso se lleva a cabo en una cámara de vacío a temperatura ambiente y sin el uso de ningún disolvente, a diferencia de la fabricación de células solares convencionales, que requiere altas temperaturas y productos químicos agresivos.

En este caso, tanto la superficie y la célula solar se “cultivan” usando técnicas de deposición de vapor establecidos.

Diferentes materiales podrían ser utilizados para las capas de la superficie, de encapsulación, y diferentes tipos de materiales de las celdas solares de película delgada, incluyendo puntos cuánticos o perovskitas, podrían ser sustituidos por las capas orgánicas utilizadas en las pruebas iniciales.

Pero ya, el equipo ha logrado  las células solares más delgada y ligera completas que se han hecho.

Para demostrar cuán delgado y ligero son las células, los investigadores colocaron una célula de trabajo en la parte superior de una burbuja de jabón, sin que explote la burbuja.

Los investigadores reconocen que esta célula puede ser demasiado delgada para ser práctica- “Si inhala demasiado duro, es posible arrancarla de su sitio”, dice Jean-películas, pero parileno de espesores de hasta 80 micras se pueden depositar fácilmente utilizando equipos comerciales, sin la pérdida de los otros beneficios de la formación de sustrato en línea.
Una película de parileno flexibles, similar a la cocina cling-wrap pero sólo una décima parte de espesor, se deposita primero sobre un material de soporte robusto – en este caso, de vidrio.

Encontrar la manera de separar limpiamente la fina tela de la copa era un desafío clave, explica Wang, que ha pasado muchos años trabajando con parileno.
Los investigadores levantantodo el parileno / célula solar / parileno fuera del habitáculo después de que el proceso de fabricación se ha completado, el uso de un marco hecho de película flexible.

El final es  una cèlula solar flexibles ultra-delgadas , incluyendo superficie  y recubrimiento, son sólo una quincuagésima parte del grosor de un cabello humano y una milésima parte del grosor de células equivalentes en la superficie  de vidrio de dos micrómetros de grosor, sin embargo, que convierten la luz solar en electricidad tan eficientemente como sus homólogos basados en vidrio.

“Ponemos nuestra celula  en un sistema de vacío, entonces depositamos todo lo demás en la parte superior de la misma, y ​​luego pelar todo el asunto”, explica Wang. Bulović dice que como la mayoría de los nuevos inventos, todo suena muy simple, una vez que se ha hecho.

Pero en realidad el desarrollo de las técnicas para hacer que el proceso funcione requirió años de esfuerzo.
Si bien se utilizó un soporte de vidrio para  sus células solares, Jean dice que “podría ser otra cosa. Se puede usar casi cualquier material,” ya que el procesamiento se lleva a cabo bajo tales condiciones benignas.
Mientras que la célula solar en este dispositivo de demostración no es especialmente eficiente, debido a su bajo peso, su relación potencia-peso se encuentra entre la más alta jamás alcanzada.

Eso es importante para aplicaciones donde el peso es importante, como en naves espaciales o en globos de helio a gran altura usados ​​para la investigación.

Mientras que un módulo solar a base de silicio típico, cuyo peso está dominado por una cubierta de vidrio, se puede producir alrededor de 15 vatios de potencia por kilogramo de peso, las nuevas células ya han demostrado una potencia de 6 vatios por gramo aproximadamente 400 veces mayor.
“Podría ser tan ligero que ni siquiera sabe que está ahí, en su camisa o en su cuaderno,” dice Bulović. “Estas células podrían ser simplemente un complemento a las estructuras existentes.”
Aún así, este es temprano, el trabajo a escala de laboratorio, y el desarrollo en un producto puede fabricar llevará tiempo, dice el equipo.

Sin embargo, aunque el éxito comercial en el corto plazo puede ser incierto, este trabajo podría abrir nuevas aplicaciones para la energía solar en el largo plazo. “Tenemos una prueba de laboratorio que funciona”, dice Bulović.

La siguiente pregunta es: “¿Cuántos se tarda en hacer que sea rentable? Creemos que es un montón de trabajo duro por delante, pero que probablemente no sea necesario un milagro .”
“Esta demostración por el equipo del MIT es casi un orden de diluyente de magnitud y más ligero” que el anterior poseedor del récord, dice Max Shtein, profesor asociado de la ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería química, y física aplicada, de la Universidad de Michigan, que no participó en este trabajo.

Como resultado, dice, “tiene enormes implicaciones para maximizar la relación potencia-peso (importante para aplicaciones aeroespaciales, por ejemplo), y por la capacidad de las células fotovoltaicas simplemente laminar allí a las estructuras existentes.”