Dal Mit una cella solare sottilissima che può trasformare qualsiasi superficie in una fonte di energia (VIDEO)
Sviluppata una tecnica di fabbricazione di celle solari ultrasottili e leggere in tessuto
[13 Dicembre 2022]
Lo studio “Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra-thin Substrates as Additive Power Sources”, pubblicato su Small Methods da Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura e Vladimir Bulović del Massachusetts Institute of Technology (MIT), illustra la realizzazione di celle solari in tessuto ultraleggero che possono trasformare rapidamente e facilmente qualsiasi superficie in una fonte di energia.
Al MIT evidenziano che «Queste celle solari durevoli e flessibili, molto più sottili di un capello umano, sono incollate su un tessuto resistente e leggero, che le rende facili da installare su una superficie fissa. Possono fornire energia in movimento come tessuto energetico indossabile o essere trasportate e dispiegate rapidamente in località remote per l’assistenza in caso di emergenza. Hanno un centesimo del peso dei pannelli solari convenzionali, generano 18 volte più potenza per chilogrammo e sono realizzate con inchiostri semiconduttori, utilizzando processi di stampa che possono essere implementati in futuro per la produzione di grandi aree. Poiché sono così sottili e leggere, queste celle solari possono essere laminate su molte superfici diverse. Ad esempio, potrebbero essere integrate sulle vele di una barca per fornire energia in mare, applicate su tende e teloni utilizzati nelle operazioni di ripristino di emergenza o applicate sulle ali dei droni per estendere il loro raggio di volo. Questa tecnologia solare leggera può essere facilmente integrata in ambienti edificati con esigenze di installazione minime».
Bulović, Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader dell’Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab) e direttore di MIT.nano, ricorda che «Le metriche utilizzate per valutare una nuova tecnologia di celle solari sono in genere limitate alla loro efficienza di conversione di potenza e al loro costo in dollari per watt. Altrettanto importante è l’integrabilità: la facilità con cui la nuova tecnologia può essere adattata. I tessuti solari leggeri consentono l’integrabilità, fornendo slancio per il lavoro in corso. Data l’attuale urgente necessità di implementare nuove fonti di energia carbon-free, ci sforziamo per accelerare l’adozione del solare».
La ricerca, finanziata in parte da Eni attraverso la MIT Energy Initiative, dall’US National Science Foundation e del Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, parte dalla constatazione che «Le tradizionali celle solari al silicio sono fragili, quindi devono essere racchiuse in vetro e confezionate in un telaio di alluminio pesante e spesso, che limita dove e come possono essere dispiegate». 6 anni fa, il team di ONE Lab del MIT ha prodotto celle solari utilizzando una classe emergente di materiali a film sottile così leggeri da poter stare sopra una bolla di sapone ma gli autori del nuovo studio fanno notare che «Queste celle solari ultrasottili sono state fabbricate utilizzando processi complessi basati sul vuoto, che possono essere costosi e difficili da rendere economici». Per questo, hanno deciso di sviluppare celle solari a film sottile interamente stampabili, utilizzando materiali a base di inchiostro e tecniche di fabbricazione economiche.
Per produrre le celle solari hanno usato nanomateriali sotto forma di inchiostri elettronici stampabili. Lavorando nella clean room del MIT.nano, hanno rivestito la struttura della cella solare utilizzando un rivestimento a slot-die, che deposita strati di materiali elettronici su un substrato preparato e rilasciabile che ha uno spessore di soli 3 micron. Usando la serigrafia, un elettrodo viene depositato sulla struttura per completare il modulo solare. I ricercatori possono quindi staccare il modulo stampato, che ha uno spessore di circa 15 micron, dal substrato di plastica, formando un dispositivo solare ultraleggero.
Ma al MIT riconoscono che «Moduli solari così sottili e autoportanti sono difficili da maneggiare e possono facilmente strapparsi, il che li renderebbe difficili da installare». Per risolvere questo problema, il team di ricercatori ha cercato un substrato leggero, flessibile e ad alta resistenza al quale far aderire le celle solari e hanno identificato i tessuti come la soluzione ottimale, «In quanto forniscono resilienza meccanica e flessibilità con poco peso aggiunto».
Alla fine hanno trovato un materiale ideale: «Un tessuto composito che pesa solo 13 grammi per metro quadrato, commercialmente noto come Dyneema. Questo tessuto è realizzato con fibre così resistenti da essere utilizzate come funi per sollevare dal fondo del Mar Mediterraneo la nave da crociera affondata Costa Concordia». Aggiungendo uno strato di colla induribile ai raggi UV, spesso solo pochi micron, hanno fatto aderire i moduli solari ai fogli di questo tessuto producendo così una struttura solare ultraleggera e meccanicamente robusta.
Saravanapavanantham spiega a sua volta che «Sebbene possa sembrare più semplice stampare le celle solari direttamente sul tessuto, questo limiterebbe la selezione di possibili tessuti o altre superfici riceventi a quelle che sono chimicamente e termicamente compatibili con tutte le fasi di lavorazione necessarie per realizzare i dispositivi. Il nostro approccio separa la produzione di celle solari dalla sua integrazione finale».
Quando i ricercatori del MIT hanno testato il dispositivo, hanno scoperto che «Potrebbe generare 730 watt di potenza per chilogrammo quando è indipendente e circa 370 watt per chilogrammo se distribuito sul tessuto Dyneema ad alta resistenza, che è circa 18 volte più potenza per chilogrammo. rispetto alle celle solari convenzionali».
Saravanapavanantham fa notare che «Una tipica installazione solare su tetto nel Massachusetts è di circa 8.000 watt. Per generare la stessa quantità di energia, il nostro fotovoltaico in tessuto aggiungerebbe solo circa 20 chilogrammi al tetto di una casa».
Gli scienziati del MIT hanno anche testato la durata dei loro dispositivi e hanno scoperto che «Anche dopo aver arrotolato e srotolato un pannello solare in tessuto più di 500 volte, le celle conservavano ancora più del 90% delle loro capacità iniziali di generazione di energia». Però, anche se le loro celle solari sono molto più leggere e molto più flessibili delle celle tradizionali, dovrebbero essere racchiuse comunque in un altro materiale per proteggerle dall’ambiente perché «Il materiale organico a base di carbonio utilizzato per realizzare le celle potrebbe essere modificato interagendo con l’umidità e l’ossigeno nell’aria, il che potrebbe deteriorarne le prestazioni».
Mwaura conclude: «Racchiudere queste celle solari in vetro pesante, come è standard con le tradizionali celle solari al silicio, ridurrebbe al minimo il valore dell’attuale progresso, quindi il team sta attualmente sviluppando soluzioni di imballaggio ultrasottili che aumenterebbero solo in minima parte il peso degli attuali dispositivi ultraleggeri. Stiamo lavorando per rimuovere quanto più materiale non solare attivo possibile, pur mantenendo il fattore di forma e le prestazioni di queste strutture solari ultraleggere e flessibili. Ad esempio, sappiamo che il processo di produzione può essere ulteriormente semplificato stampando i substrati rilasciabili, che è equivalente al processo che utilizziamo per fabbricare gli altri strati nel nostro dispositivo. Questo accelererebbe l’introduzione di questa tecnologia sul mercato».