DOI: 10.1002/smtd.202200940
Credibilidade: 999
#Células Solares
Os engenheiros do MIT desenvolveram uma célula solar de tecido ultraleve que pode transformar praticamente qualquer superfície em uma fonte de energia. Veja como eles funcionam.
Os engenheiros do MIT revelaram uma conquista inovadora na tecnologia solar com a criação de células solares de tecido ultraleve. Estas células, mais finas que um fio de cabelo humano e com apenas um centésimo do peso dos painéis solares convencionais, têm a notável capacidade de transformar quase qualquer superfície numa fonte de energia. Esta inovação é possível graças à utilização de tintas semicondutoras e processos de impressão escaláveis, resultando numa produção de energia por quilograma 18 vezes superior à dos painéis solares tradicionais.
A produção dessas células solares depende de tintas eletrônicas e materiais totalmente imprimíveis. O processo envolve a deposição de camadas de nanomateriais em um substrato de 3 mícrons de espessura usando um revestidor slot-die. Com a adição de um eletrodo por meio de serigrafia, o módulo solar final tem apenas 15 mícrons de espessura. Para superar sua fragilidade, o MIT utiliza Dyneema, um tecido superforte, como substrato, protegendo as células solares com cola curável por UV. Estas células, quando testadas em Dyneema, geraram aproximadamente 370 watts por quilograma, demonstrando a sua superioridade sobre as células solares convencionais. Sua composição leve também apresenta uma alternativa ecologicamente correta, reduzindo o desperdício solar, e mantiveram mais de 90% de sua capacidade de geração de energia após serem enrolados e desenrolados 500 vezes. A equipe continua a explorar soluções para proteção ambiental, incluindo opções de embalagens ultrafinas.
Em resumo, as células solares de tecido ultraleve do MIT representam um salto transformador na tecnologia solar, oferecendo eficiência e portabilidade incomparáveis. Com a sua capacidade de aproveitar a energia solar de praticamente qualquer superfície, estas células possuem um enorme potencial para a geração de energia sustentável. Apesar dos desafios da durabilidade, a sua abordagem inovadora poderá revolucionar a indústria solar, oferecendo uma solução mais ecológica e adaptável para a geração de energia renovável.
Estas células solares duráveis e flexíveis, que são muito mais finas que um fio de cabelo humano, são coladas a um tecido forte e leve, tornando-as fáceis de instalar numa superfície fixa. Eles podem fornecer energia em trânsito como um tecido elétrico vestível ou ser transportados e rapidamente implantados em locais remotos para assistência em emergências. Eles têm um centésimo do peso dos painéis solares convencionais, geram 18 vezes mais energia por quilograma e são feitos de tintas semicondutoras usando processos de impressão que podem ser escalados no futuro para fabricação em grandes áreas.
Por serem tão finas e leves, essas células solares podem ser laminadas em muitas superfícies diferentes. Por exemplo, poderiam ser integrados nas velas de um barco para fornecer energia no mar, colados em tendas e lonas que são utilizadas em operações de recuperação de desastres ou aplicados nas asas de drones para aumentar o seu alcance de voo. Esta tecnologia solar leve pode ser facilmente integrada em ambientes construídos com necessidades mínimas de instalação.
“As métricas usadas para avaliar uma nova tecnologia de células solares são normalmente limitadas à eficiência de conversão de energia e ao custo em dólares por watt. Igualmente importante é a integrabilidade – a facilidade com que a nova tecnologia pode ser adaptada. Os tecidos solares leves permitem a integrabilidade, dando impulso ao trabalho atual. Nós nos esforçamos para acelerar a adoção da energia solar, dada a atual necessidade urgente de implantar novas fontes de energia livres de carbono”, disse Vladimir Bulović, Presidente Fariborz Maseeh em Tecnologia Emergente, líder do Laboratório de Eletrônica Orgânica e Nanoestruturada (ONE Lab), diretor de MIT.nano e autor sênior de um novo artigo que descreve o trabalho.
Juntando-se a Bulović no artigo estão os co-autores principais Mayuran Saravanapavanantham, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação no MIT; e Jeremiah Mwaura, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. A pesquisa é publicada hoje em Small Methods.
Créditos:Crédito: Melanie Gonick, MIT
Energia solar reduzida
As células solares de silício tradicionais são frágeis, por isso devem ser envoltas em vidro e embaladas em estruturas de alumínio pesadas e espessas, o que limita onde e como podem ser implantadas.
Seis anos atrás, a equipe do ONE Lab produziu células solares usando uma classe emergente de materiais de película fina que eram tão leves que podiam ficar em cima de uma bolha de sabão. Mas essas células solares ultrafinas foram fabricadas usando processos complexos baseados em vácuo, que podem ser caros e difíceis de ampliar.
Neste trabalho, eles se propuseram a desenvolver células solares de película fina totalmente imprimíveis, usando materiais à base de tinta e técnicas de fabricação escaláveis.
Para produzir as células solares, eles usam nanomateriais na forma de tintas eletrônicas imprimíveis. Trabalhando na sala limpa do MIT.nano, eles revestem a estrutura da célula solar usando um revestidor slot-die, que deposita camadas de materiais eletrônicos em um substrato preparado e liberável com apenas 3 mícrons de espessura. Por meio da serigrafia (técnica semelhante à adição de desenhos em camisetas serigrafadas), um eletrodo é depositado na estrutura para completar o módulo solar.
Os pesquisadores podem então retirar o módulo impresso, que tem cerca de 15 mícrons de espessura, do substrato plástico, formando um dispositivo solar ultraleve.
Mas esses módulos solares finos e independentes são difíceis de manusear e podem rasgar facilmente, o que dificultaria sua implantação. Para resolver este desafio, a equipe do MIT procurou um substrato leve, flexível e de alta resistência ao qual pudesse aderir as células solares. Eles identificaram os tecidos como a solução ideal, pois proporcionam resiliência mecânica e flexibilidade com pouco peso adicional.
Eles encontraram um material ideal – um tecido composto que pesa apenas 13 gramas por metro quadrado, conhecido comercialmente como Dyneema. Este tecido é feito de fibras tão fortes que foram usadas como cordas para içar do fundo do Mar Mediterrâneo o navio de cruzeiro Costa Concordia naufragado. Ao adicionar uma camada de cola curável por UV, com apenas alguns mícrons de espessura, eles aderem os módulos solares às folhas deste tecido. Isto forma uma estrutura solar ultraleve e mecanicamente robusta.
“Embora possa parecer mais simples imprimir as células solares diretamente no tecido, isso limitaria a seleção de possíveis tecidos ou outras superfícies receptoras àquelas que são química e termicamente compatíveis com todas as etapas de processamento necessárias para fabricar os dispositivos. Nossa abordagem separa a fabricação de células solares de sua integração final”, explica Saravanapavanantham.
Créditos:Crédito: Melanie Gonick, MIT
Superando as células solares convencionais
Quando testaram o dispositivo, os pesquisadores do MIT descobriram que ele poderia gerar 730 watts de potência por quilograma quando independente e cerca de 370 watts por quilograma se implantado no tecido Dyneema de alta resistência, que é cerca de 18 vezes mais potência por quilograma. do que as células solares convencionais.
“Uma instalação solar típica em um telhado em Massachusetts tem cerca de 8.000 watts. Para gerar a mesma quantidade de energia, a nossa energia fotovoltaica de tecido acrescentaria apenas cerca de 20 kg (44 libras) ao telhado de uma casa”, diz ele.
Eles também testaram a durabilidade dos seus dispositivos e descobriram que, mesmo depois de enrolar e desenrolar um painel solar de tecido mais de 500 vezes, as células ainda retinham mais de 90% da sua capacidade inicial de geração de energia.
Embora suas células solares sejam muito mais leves e flexíveis do que as células tradicionais, elas precisariam ser envoltas em outro material para protegê-las do meio ambiente. O material orgânico à base de carbono usado para fabricar as células pode ser modificado pela interação com a umidade e o oxigênio do ar, o que pode deteriorar seu desempenho.
“Envolver essas células solares em vidro pesado, como é padrão nas células solares de silício tradicionais, minimizaria o valor do avanço atual, por isso a equipe está atualmente desenvolvendo soluções de embalagens ultrafinas que aumentariam apenas uma fração do peso dos atuais dispositivos ultraleves, “, diz Mwaura.
“Estamos trabalhando para remover o máximo possível de material não ativo solar, mantendo ao mesmo tempo o formato e o desempenho dessas estruturas solares ultraleves e flexíveis. Por exemplo, sabemos que o processo de fabricação pode ser ainda mais simplificado com a impressão dos substratos liberáveis, equivalente ao processo que usamos para fabricar as outras camadas do nosso dispositivo. Isso aceleraria a tradução dessa tecnologia para o mercado”, acrescenta.
Publicado em 06/10/2023 20h51
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