超薄太阳能
你“穿”上你也行~
近日，美国麻省理工学院（MIT）工程师在最新一期《小方法》杂志上刊*论发**文称，他们开发出一款超轻太阳能电池，可快速方便地将任何表面变为电源。这款比人头发丝还纤薄的太阳能电池黏附于一块织物上，重量仅为传统太阳能电池板的百分之一，但每千克的发电量是其18倍，可集成在船帆、救灾帐篷和防水布、无人机的机翼及各种建筑物表面。
它们的重量是传统太阳能电池板的百分之一，但是每千克发电量是传统太阳能板的18倍，由半导体油墨制成，采用印刷工艺，未来可扩大面积制造。由于这些太阳能电池非常薄且重量轻，因此可以将其层压在许多不同的表面上。例如，它们可以集成在船的帆上，在海上提供动力，粘附在灾难恢复行动中部署的帐篷和防水布上，或者应用在无人机的机翼上，以扩大其飞行范围。这种轻量级的太阳能技术可以轻松地集成到建筑环境中，只需很少的安装质量。
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为生产太阳能电池，MIT有机和纳米结构电子实验室团队使用了电子墨水形式的纳米材料。在纳米洁净室内，他们使用挤出式涂布机将纳米电子材料层沉积到3微米厚的基底上，随后使用丝网印刷术，印制出电极并完成太阳能模块，接着将厚度约为15微米的印刷模块从塑料基板上剥离，形成一种超轻太阳能装置模块。
但这种纤薄而独立式的太阳能模块很难处理，且很容易撕裂，因此难以部署。为此，研究团队需要找到一种轻质、柔韧的基材，将太阳能电池黏附在其上，最终他们找到了每平方米仅重13克的复合材料“大力马”（Dyneema）。通过添加一层只有几微米厚的固化胶，他们将太阳能组件黏附在“大力马”上，最终形成超轻且坚固的太阳能结构。
测试结果显示，独立式太阳能电池每千克可产生730瓦的功率，如果将其黏附在高强度“大力马”织物上，每千克约产生370瓦的功率，是传统太阳能电池的18倍。而且，即使将该织物太阳能电池卷起、展开500多次后，仍保持90%以上的初始发电能力。这种电池生产方法可以扩展，生产出面积更大的柔性电池。
材料依然是难题
科学家还在想办法
不过，研究人员强调，虽然他们的太阳能电池比传统电池更轻、更柔韧，但制造电池的碳基有机材料会与空气中的水分和氧气相互作用，可能降低电池的性能，因此需要包裹另一种材料来保护电池不受环境影响，他们目前正在开发超薄封装解决方案。
用于评估新太阳能电池技术的指标通常限于其功率转换效率和成本（美元/瓦）。同样重要的是可积性——新技术多久可以量产。轻质的太阳能织物可积性极高，为当前的诸多工作提供了动力。“鉴于目前迫切需要部署新的无碳能源，我们努力加快太阳能的应用。”一位参与本项研究的有机和纳米结构科学家解释说：“传统的硅太阳能电池很脆弱，因此必须用玻璃包裹，并用厚重的铝框架包装，这限制了它们的部署位置和方式。”
六年前，科学家们使用一种新兴的薄膜材料生产太阳能电池，这种材料非常轻，可以放在肥皂泡上。但是，这些超薄太阳能电池是使用复杂的真空工艺制造的，非常昂贵的，而且量产起来非常困难。在新的研究中，科学家们着手开发完全可打印的薄膜太阳能电池，使用基于墨水的材料和可扩展的制造技术。
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为了生产太阳能电池，科学家们使用可打印电子墨水形式的纳米材料，并使用槽模涂布机涂布太阳能电池结构，将电子材料层沉积到制备好的、可释放的基底上，该基底只有3微米厚。使用丝网印刷（一种类似于将设计添加到丝网T恤上的技术），在结构上沉积电极以完成太阳能模块。然后，研究人员可以将厚度约为15微米的印刷模块从塑料基板上剥离，形成一个超轻太阳能装置。
但这种薄而独立的太阳能模块很难处理，而且很容易撕裂，这将使其难以部署。为了解决这一挑战，科学家们寻找了一种轻质、灵活、高强度的基板，他们可以将太阳能电池粘附在基板上。科学家们认为织物是最佳解决方案，因为它们提供了机械弹性和灵活性，几乎不增加重量。为此科学家们发现了一种理想的材料——一种每平方米只有13克重的复合材料，被称为Dyneema。这种织物是由非常坚固的纤维制成的，通过添加一层只有几微米厚的紫外线固化胶，科学家们可以将太阳能组件粘附在这种织物上，这形成了一个超轻且非常坚固的太阳能结构。
科学家们解释说：“马萨诸塞州典型的屋顶太阳能装置约为8000瓦。要产生同样的电力，我们的纤维光伏只会为屋顶增加约20公斤（44磅）的重量。”科学家们还测试了设备的耐久性，发现即使在将织物太阳能电池板滚动和展开500多次后，电池仍保持了90%以上的初始发电能力。虽然新的太阳能电池比传统电池更轻、更灵活，但科学家们需要用另一种材料来保护这些太阳能电池不受环境影响。用于制造电池的碳基有机材料可以通过与空气中的水分和氧气相互作用进行改性，这会降低电池的性能，这是科学家们下一步需要做的事情。
薄膜太阳能
背靠纳米技术
而在太阳能领域，不仅仅是全新材料的太阳能技术~使用基于墨水的材料和可升级的制造技术，研究人员正在着手开发完全可打印的薄膜太阳电池。这些电池是使用纳米材料生产的，这些纳米材料以可打印电子墨水的形式呈现。研究人员使用一个槽模涂布机涂覆太阳能电池结构，涂布机将电子材料层沉积到一个准备好的、可释放的3微米厚基板上。使用丝网印刷在这一结构上沉积一个电极以完成太阳能组件。然后将15微米厚的印刷组件从塑料基材上剥离，形成一个超轻太阳能设备。
麻省理工学院团队认为，织物是可附着在太阳电池上的、高强度基材的最佳解决方案，它们可在几乎不增加重量的情况下提供机械弹性和灵活性。他们找到了一种理想的材料——一种每平方米仅重13克的、商业上被称为Dyneema的坚固复合织物。
研究人员添加了一层紫外线固化胶水(只有几微米厚)，他们将太阳能组件粘在这种织物薄片上，形成了一个超轻的、机械性能强劲的太阳能结构。虽然这些电池比传统电池要轻得多、灵活得多，但它们也需要被包裹在另一种材料中以保护它们不受环境影响。研究人员称："将这些太阳电池包裹在沉重的玻璃中，这是传统的硅太阳能电池的标准做法，这会把当前进步的价值降到最低。因此，团队目前正在开发超薄封装解决方案，这种方案只会让目前超轻设备的重量稍有增加。”
目前，团队正在努力去除尽可能多的非太阳能活性材料，同时保留这些超轻的柔性太阳能结构的外形和性能，从而加速这一技术向市场的转化。今年年初，麻省理工学院的研究人员开发了一种利用静电来保持太阳能组件无尘的方法，从而无需用水清洁。此前，来自国家可再生能源实验室和威斯康星大学Stout分校的研究人员声称，通过增加热效率高的光伏窗，玻璃墙建筑的能效可以提高40%。
再薄的太阳能
洁净镀膜都是第一步
无论是哪种太阳能，都离不开表面镀膜：目前所有的技术方法，都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中，喷中心镀膜液富集多，造成花斑；表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一，导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀；即使均匀性辊涂法，受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约，也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下，其结果一方面造成组件的色差影响外观，另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应，影响组件的耐久性。
针对这一问题，在制备太阳能电池时，一般是需要使用真空镀膜手套箱的：由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液，避免接触水和空气，可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里，蒸发电极，全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。
方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内，配套膜厚仪，分子泵，机械泵，4个蒸发源，合理的蒸发源布局，保证每个蒸发源到基片的距离完全一样，提高了成膜质量和均匀性；整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成，可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀，并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。
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