Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato celle solari in tessuto ultraleggero, possono trasformare rapidamente e facilmente qualsiasi superficie in una fonte di energia, queste celle solari durevoli e flessibili, molto più sottili di un capello umano, sono incollate su un tessuto resistente e leggero, le rende facili da installare su una superficie fissa. Possono fornire energia in movimento come tessuto elettrico indossabile o essere trasportati e distribuiti rapidamente in luoghi remoti per l’assistenza in caso di emergenza. Il loro peso è un centesimo di quello dei pannelli solari convenzionali, generano un’energia 18 volte superiore per chilogrammo e sono realizzati con inchiostri semiconduttori utilizzando processi di stampa che in futuro potranno essere sviluppati per la produzione su larga scala.
Le celle solari poiché sono così sottili e leggere, possono essere laminate su molte differenti superfici, 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 minime esigenze di installazione.
Vladimir Bulović professore di ingegneria elettrica al MIT titolare della cattedra Fariborz Maseeh in tecnologia emergente. Dirige il Laboratorio di Elettronica Organica e Nanostrutturata (ONE Lab), co-dirige il MIT-Eni Solar Frontiers Center, guida il programma Tata GridEdge ed è il direttore fondatore di MIT.nano, la nuova nano-fabbricazione, nano-caratterizzazione e prototipazione di 20.000 m2 del MIT struttura aperta nell’estate del 2018.
Vladimir Bulović ha affermato:
«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. Ci sforziamo di accelerare l’adozione del solare, data l’attuale urgente necessità di implementare nuove fonti di energia prive di carbonio».
Vladimir Bulović insieme agli autori principali Mayuran Saravanapavanantham (Istituto di Tecnologia del Massachussetts, Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica ingegneria elettrica e informatica al MIT) e Jeremiah Mwaura (ricercatore del MIT Research Laboratory of Electronics), hanno pubblicato la ricerca nella rivista Small Methods.
Solare snellito
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.
Il team di ONE Lab sei anni fa ha prodotto celle solari utilizzando una classe emergente di materiali a pellicola sottile così leggeri da poter stare sopra una bolla di sapone, ma queste celle solari ultrasottili sono state fabbricate utilizzando processi complessi basati sul vuoto, che possono essere costosi e difficili da scalare, in questo lavoro, hanno deciso di sviluppare celle solari a pellicola sottile interamente stampabili, utilizzando materiali a base di inchiostro e tecniche di fabbricazione scalabili.
Il team di ricercatori per produrre le celle solari, utilizzano nanomateriali sotto forma di inchiostri elettronici stampabili. Lavorando nella camera bianca del MIT.nano, hanno rivestito la struttura delle celle solari usando una macchina per il rivestimento di stampi a fessura, un rivestimento a slot-die, deposita strati di materiali elettronici su un substrato preparato e rilasciabile che ha uno spessore di soli 3 micron. È una tecnica di rivestimento per l’applicazione di pellicole sottili in una miscela acquosa di materia insolubile o con estrusione su substrati tipicamente piatti come vetro, metallo, carta, tessuto o fogli di plastica. Il processo è stato inizialmente sviluppato per la produzione industriale di carte fotografiche negli anni ’50, da allora è diventato rilevante in numerosi processi commerciali e campi di ricerca relativi ai nanomateriali.
Il team di ricercatori usando la serigrafia (una tecnica simile a quella con cui si aggiungono i disegni alle magliette serigrafate), un elettrodo viene collocato 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.
I moduli solari così sottili e autoportanti sono difficili da maneggiare e possono facilmente strapparsi, il che li renderebbe difficili da installare. Il team di ingegneri del MIT per risolvere questa sfida, ha cercato un substrato leggero, flessibile e ad alta resistenza su cui far aderire le celle solari. La soluzione ottimale è stata individuata nei tessuti, che offrono resistenza meccanica e flessibilità con un peso ridotto.
I ricercatori dopo aver identificato i tessuti come la soluzione ottimale, in quanto forniscono resilienza meccanica e flessibilità con poco peso aggiunto, 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 che potrebbero 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, fanno aderire i moduli solari ai fogli di questo tessuto, questo forma una struttura solare ultraleggera e meccanicamente robusta.
Mayuran Saravanapavanantham ha detto:
«Sebbene possa sembrare più semplice stampare le celle solari direttamente sul tessuto, ciò 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 metodo separa la produzione di celle solari dalla sua integrazione finale».
Superando le celle solari convenzionali
I ricercatori del MIT nelle fasi di test del dispositivo, hanno scoperto che quando è indipendente potrebbe generare 730 watt di potenza per chilogrammo e circa 370 watt per chilogrammo se distribuito sul tessuto Dyneema ad alta resistenza, rispetto alle celle solari convenzionali genera circa 18 volte più potenza per chilogrammo. Hanno detto:
«Una tipica installazione solare su tetto nel Massachusetts è di circa 8.000 watt. Il nostro fotovoltaico in tessuto per generare la stessa quantità di energia, aggiungerebbe solo circa 20 chilogrammi al tetto di una casa».
I ricercatori del MIT hanno anche testato la durata dei loro dispositivi, hanno scoperto che, anche dopo aver arrotolato e srotolato più di 500 volte un pannello solare in tessuto, le celle conservavano ancora più del 90% delle loro capacità iniziali di generazione di energia. Sebbene le loro celle solari siano molto più leggere e molto più flessibili delle celle tradizionali, dovrebbero essere racchiuse in un altro materiale per proteggerle dall’ambiente. 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.
Mayuran Saravanapavanantham in conlusione ha detto:
«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, attualmente stiamo 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, equivalente al processo che utilizziamo per fabbricare gli altri strati nel nostro dispositivo. Ciò accelererebbe la diffusione di questa tecnologia sul mercato».
