太陽能是全球儲備最為豐富的能源，利用好太陽能并開發高效且穩定的太陽能電池能夠極大地緩解全球的能源危機，太陽能電池技術也被視為清潔能源轉型的關鍵支柱。在未來的科技發展及生產生活中，太陽能電池將會承擔越來越重要的作用，它們不僅可用于屋頂和太陽能發電場，還可用于為飛機和人造衛星等自動作業的航空航天機器提供動力。

伴隨半導體電子元器件制造工藝的發展，全球對太陽能電池展開了異常活躍的研究，制造技術也百花齊放。其中，超薄電池太陽能電池在該領域具有獨特的前景，因為它們可以應用于各種不規則的、彎曲的或其他不適合的表面，并且可以減少材料消耗和制造需求，直接降低成本。

近日，美國麻省理工學院（MIT）工程師在最新一期《小方法》雜志上刊發論文稱，他們開發出一款超薄太陽能電池，可快速方便地將任何表面變為電源。這款比人頭發絲還纖薄的太陽能電池黏附于一塊織物上，重量僅為傳統太陽能電池板的百分之一，但每千克的發電量是其18倍，可集成在船帆、救災帳篷和防水布、無人機的機翼及各種建筑物表面。

文章的共同主要作者Mayuran Saravanapavanantham說："在馬薩諸塞州，一個典型的屋頂太陽能裝置大約是8000瓦。為了產生相同數量的電力，我們的織物光伏只需在房子的屋頂上增加大約20公斤（44磅）。"

超薄太陽能電池的產生

這項技術背后的麻省理工學院團隊試圖在其之前的材料科學進展的基礎上再接再厲，其在2016年就完成了一款超薄太陽能電池，其重量足以坐在肥皂泡上而不致破裂。傳統的太陽能電池的制造技術需要真空室和昂貴的蒸鍍方法。這一次，為了擴大該技術的規模，科學家們轉向了基于電子墨水的可打印納米材料，以簡化該過程。

在納米潔凈室內，研究人員使用擠出式涂布機將納米電子材料層沉積到3微米厚的基底上，隨后使用絲網印刷術，印制出電極并完成太陽能模塊，接著將厚度約為15微米的印刷模塊從塑料基板上剝離，形成一種超輕太陽能裝置模塊。但是這種纖薄而獨立式的太陽能模塊很難處理，且很容易撕裂，因此難以部署。

因此，研究人員將該模塊剝離并粘在一個織物基底上，該基底提供了防止撕裂所需的機械強度。這種輕質、柔韌的基材基于復合材料“大力馬”（Dyneema），每平方米僅重13克，能將太陽能電池黏附在其上。通過添加一層只有幾微米厚的固化膠，太陽能組件可以黏附在“大力馬”上，并最終形成超輕且堅固的太陽能結構。

優異性能和廣闊應用前景

這種耐用的織物-光伏系統，其厚度為50微米，模塊面積的重量低于1克（相當于面積密度為105克/平方米）。實驗測試結果顯示，獨立式超薄太陽能電池每千克可產生730瓦的功率，如果將其黏附在高強度“大力馬”織物上，其比功率也可達到370瓦/公斤，是傳統太陽能電池的18倍。將超薄模塊集成到復合織物上，可使其具有機械彈性，而這些織物-光伏系統在經過500次卷起循環后仍能保持其性能，具有90%以上的初始發電能力。此外，這種電池生產方法可以擴展，生產出面積更大的柔性電池。

圖說：OPV模塊和獨立的Parylene裝置。A）PET基底上完成的OPV模塊的照片。B）控制裝置（PET-IMI、PET-AgNW）和PET裝置上的對二甲苯在脫離PET載體之前和之后的電流-電壓特性。

來源：MIT

超薄太陽能電池為人們尋找替代電源的方式提供了動力。由于這些太陽能電池非常薄和輕，它們可以被貼在許多不同的表面上。例如，它們可以被集成到船帆上，以便在海上提供電力，粘附在災難恢復行動中部署的帳篷和防水布上，或者應用到無人機的機翼上，以擴大其飛行范圍。這種輕量級的太陽能技術也可以很容易地集成到建筑環境中，或將對建筑業未來設計、建造帶來重大影響。此外，這些便攜式太陽能電池可以在旅途中作為可穿戴電源結構提供能量，也可以在偏遠地區運輸和快速部署，以便在緊急情況下提供援助。

未來挑戰

研究人員表示，雖然他們的太陽能電池比傳統的電池更輕、更柔韌，但它們需要被包裹在另一種材料中，以保護它們免受環境影響。而用于制造這些電池的碳基有機材料可以通過與空氣中的水分和氧氣相互作用而被改變，這可能降低電池的性能。

麻省理工學院電子研究實驗室的研究科學家Jeremiah Mwaura表示，將這些太陽能電池包裹在沉重的玻璃中，就像傳統的硅太陽能電池的標準做法一樣，會將目前的進步價值降到最低，因此該團隊目前正在開發超薄的包裝解決方案來解決電池受環境影響的退化問題，這將只會使目前超輕設備的重量增加一小部分。

Jeremiah Mwaura補充說："我們正在努力去除盡可能多的非太陽能活性材料，同時仍然保留這些超輕和柔性太陽能結構的外形和性能。例如，我們知道，通過印刷可釋放的基板，可以進一步簡化制造過程，相當于我們用來制造我們設備中其他層的過程。這將加速這項技術向市場的轉化。”

伴隨著科學技術水平的持續發展，多種多樣的新材料、技術、能源的發掘和使用，一定會持續推動太陽能電池的應用發展。超薄太陽能電池也將在不久的將來，為社會創造更大的價值。

編輯：黃飛

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