Une cellule solaire aussi fine que du papier peut transformer n’importe quelle surface en source d’alimentation

Les ingénieurs du MIT ont développé des cellules solaires en tissu ultralégères qui peuvent rapidement et facilement transformer n’importe quelle surface en source d’alimentation.

Ces cellules solaires durables et flexibles, beaucoup plus fines qu’un cheveu humain, sont collées sur un tissu solide et léger, ce qui les rend faciles à installer sur une surface fixe. Ils peuvent fournir de l’énergie en déplacement en tant que tissu d’alimentation portable ou être transportés et déployés rapidement dans des endroits éloignés pour une assistance en cas d’urgence. Ils pèsent un centième du poids des panneaux solaires conventionnels, génèrent 18 fois plus d’énergie par kilogramme et sont fabriqués à partir d’encres semi-conductrices utilisant des procédés d’impression qui pourront être adaptés à l’avenir à une fabrication à grande surface.

Parce qu’elles sont si fines et légères, ces cellules solaires peuvent être laminées sur de nombreuses surfaces différentes. Par exemple, ils pourraient être intégrés aux voiles d’un bateau pour fournir de l’énergie en mer, collés sur des tentes et des bâches déployées lors d’opérations de récupération après sinistre, ou appliqués sur les ailes de drones pour étendre leur portée de vol. Cette technologie solaire légère peut être facilement intégrée dans des environnements bâtis avec des besoins d’installation minimes.

“Les mesures utilisées pour évaluer une nouvelle technologie de cellules solaires se limitent généralement à leur efficacité de conversion de puissance et à leur coût en dollars par watt. L’intégrabilité est tout aussi importante, c’est-à-dire la facilité avec laquelle la nouvelle technologie peut être adaptée. Les tissus solaires légers permettre l’intégrabilité, donnant une impulsion aux travaux en cours. Nous nous efforçons d’accélérer l’adoption de l’énergie solaire, étant donné le besoin urgent actuel de déployer de nouvelles sources d’énergie sans carbone », déclare Vladimir Bulović, titulaire de la Chaire Fariborz Maseeh en technologies émergentes, responsable de l’Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), directeur du MIT.nano et auteur principal d’un nouvel article décrivant les travaux.

Rejoindre Bulović sur l’article sont les co-auteurs principaux Mayuran Saravanapavanantham, un étudiant diplômé en génie électrique et en informatique au MIT; et Jeremiah Mwaura, chercheur au Laboratoire de recherche en électronique du MIT. La recherche est publiée aujourd’hui dans Petites méthodes.

Le solaire allégé

Les cellules solaires traditionnelles au silicium sont fragiles, elles doivent donc être enfermées dans du verre et emballées dans un cadre en aluminium lourd et épais, ce qui limite où et comment elles peuvent être déployées.

Il y a six ans, l’équipe de ONE Lab a produit des cellules solaires à l’aide d’une classe émergente de matériaux à couches minces si légers qu’ils pouvaient reposer sur une bulle de savon. Mais ces cellules solaires ultrafines ont été fabriquées à l’aide de processus complexes basés sur le vide, qui peuvent être coûteux et difficiles à mettre à l’échelle.

Dans ce travail, ils ont entrepris de développer des cellules solaires à couches minces entièrement imprimables, en utilisant des matériaux à base d’encre et des techniques de fabrication évolutives.

Pour produire les cellules solaires, ils utilisent des nanomatériaux qui se présentent sous la forme d’encres électroniques imprimables. Travaillant dans la salle blanche du MIT.nano, ils enduisent la structure de la cellule solaire à l’aide d’une coucheuse à matrice plate, qui dépose des couches de matériaux électroniques sur un substrat préparé et détachable de seulement 3 microns d’épaisseur. En utilisant la sérigraphie (une technique similaire à la façon dont les motifs sont ajoutés aux tee-shirts sérigraphiés), une électrode est déposée sur la structure pour compléter le module solaire.

Les chercheurs peuvent ensuite décoller le module imprimé, d’une épaisseur d’environ 15 microns, du substrat en plastique, formant un dispositif solaire ultraléger.

Mais ces modules solaires minces et autonomes sont difficiles à manipuler et peuvent facilement se déchirer, ce qui les rendrait difficiles à déployer. Pour résoudre ce défi, l’équipe du MIT a recherché un substrat léger, flexible et à haute résistance sur lequel adhérer les cellules solaires. Ils ont identifié les tissus comme la solution optimale, car ils offrent une résistance mécanique et une flexibilité avec peu de poids supplémentaire.

Ils ont trouvé un matériau idéal : un tissu composite qui ne pèse que 13 grammes par mètre carré, connu commercialement sous le nom de Dyneema. Ce tissu est fait de fibres si résistantes qu’elles ont été utilisées comme cordes pour soulever le navire de croisière coulé Costa Concordia du fond de la mer Méditerranée. En ajoutant une couche de colle durcissable aux UV, qui n’a que quelques microns d’épaisseur, ils collent les modules solaires sur des feuilles de ce tissu. Cela forme une structure solaire ultra-légère et mécaniquement robuste.

“Bien qu’il puisse sembler plus simple d’imprimer simplement les cellules solaires directement sur le tissu, cela limiterait la sélection de tissus possibles ou d’autres surfaces de réception à ceux qui sont chimiquement et thermiquement compatibles avec toutes les étapes de traitement nécessaires à la fabrication des appareils. Notre approche dissocie la fabrication des cellules solaires de son intégration finale », explique Saravanapavanantham.

Des cellules solaires conventionnelles plus brillantes

Lorsqu’ils ont testé l’appareil, les chercheurs du MIT ont découvert qu’il pouvait générer 730 watts de puissance par kilogramme lorsqu’il était autonome et environ 370 watts par kilogramme s’il était déployé sur le tissu Dyneema à haute résistance, soit environ 18 fois plus de puissance par kilogramme. que les cellules solaires conventionnelles.

“Une installation solaire typique sur le toit dans le Massachusetts est d’environ 8 000 watts. Pour générer la même quantité d’énergie, nos panneaux photovoltaïques en tissu n’ajouteraient qu’environ 20 kilogrammes (44 livres) au toit d’une maison”, dit-il.

Ils ont également testé la durabilité de leurs appareils et ont constaté que, même après avoir enroulé et déroulé un panneau solaire en tissu plus de 500 fois, les cellules conservaient encore plus de 90 % de leurs capacités de production d’énergie initiales.

Bien que leurs cellules solaires soient beaucoup plus légères et beaucoup plus flexibles que les cellules traditionnelles, elles devraient être enfermées dans un autre matériau pour les protéger de l’environnement. Le matériau organique à base de carbone utilisé pour fabriquer les cellules pourrait être modifié en interagissant avec l’humidité et l’oxygène de l’air, ce qui pourrait détériorer leurs performances.

“Envelopper ces cellules solaires dans du verre épais, comme c’est le cas avec les cellules solaires au silicium traditionnelles, minimiserait la valeur de l’avancement actuel, de sorte que l’équipe développe actuellement des solutions d’emballage ultra-minces qui n’augmenteraient que légèrement le poids des appareils ultra-légers actuels, ” dit Mwaura.

“Nous nous efforçons d’éliminer autant que possible le matériau non solaire actif tout en conservant le facteur de forme et les performances de ces structures solaires ultralégères et flexibles. Par exemple, nous savons que le processus de fabrication peut être davantage rationalisé en imprimant le substrats, équivalent au processus que nous utilisons pour fabriquer les autres couches de notre dispositif. Cela accélérerait la mise en marché de cette technologie », ajoute-t-il.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.