Солнечная энергетика – это один из краеугольных камней успеха перехода человечества на чистую энергию из возобновляемых источников. Данная отрасль открыта для экспериментов, позволяющих оптимизировать те или иные аспекты преобразования солнечной энергии в электрическую. В частности, особый интерес для данной сферы представляют тонкие и гибкие фотоэлементы, которые можно было бы наносить на нестандартные поверхности. Инженеры из МТИ разработали сверхтонкие лёгкие фотоэлементы, продолжая расширять границы возможного в сфере солнечной энергетики.

Прорыв учёных из МТИ базируется на прежних достижениях в области материаловедения. В частности, ещё в 2016 году исследователи разработали сверхтонкие фотоэлементы, которые можно было разместить на мыльном пузыре, не разрушив его. Ещё тогда перед инженерами раскрылись многочисленные перспективы применения подобного форм-фактора солнечных панелей, включая возможность их интеграции в носимую электронику. Несмотря на потенциал технологии, учёным было нужно решить немало проблем, которые касались сложности производственных процессов, включая необходимость использования вакуумных камер и методики химического осаждения вещества из газовой фазы. Это было критически важно, чтобы масштабировать технологию и сделать возможным серийное производство облегченных фотоэлементов.

В поисках альтернативных методик инженеры научились печатать сверхтонкие фотоэлементы при помощи полупроводниковых наночернил. Чернила наносятся на пластиковый субстрат слоем толщиной всего 3 микрона. Вместе с печатным электроном они образуют солнечный модуль, который можно отслоить с пластикового субстрата и приклеить на тканевый субстрат, придающий «панели» механическую жёсткость при относительно небольшом весе. Готовые продукты данного процесса – сверхлёгкие и гибкие фотоэлементы, которые весят в сотню раз меньше традиционных солнечных панелей. При этом они генерируют в 18 раз больше энергии из расчёта на килограмм. В ходе лабораторных испытаний учёные обнаружили, что элементы на тканевой подложке производят до 370 ватт на килограмм, а без субстрата их производительность вырастает до 730 ватт на килограмм. По словам одного из разработчиков фотоэлементов Маюрана Сараванапванантама, среднестатистическая домашняя солнечная электростанция в Массачусетсе с панелями, размещёнными на крыше, генерирует около 8000 ватт энергии. Аналогичного объёма производства энергии получится достичь всего с ~21 кг инновационных фотоэлементов на тканевой подложке.

 Тесты материала также показали, что тканевую солнечную панель можно сворачивать и разворачивать до 500 раз, и при этом она сохраняет до 90% генерирующего потенциала. Впрочем, учёные считают, что над прочностью сверхтонких фотоэлементов ещё следует поработать. В частности, они уже продумывают способы защиты тончайшего слоя фотоэлемента от факторов окружающей среды. Для мультикристталических кремниевых фотоэлементов традиционной является практика помещения чувствительных компонентов под слой стекла. Однако в случае со сверхлёгкими фотоэлементами подобные меры нивелируют значительную долю их достоинств. Потому исследователи разрабатывают сверхтонкий «чехол» для инновационных солнечных панелей, который лишь незначительно увеличит их массу. Решение вопроса прочности и устойчивости материала к воздействию внешних факторов позволит значительно расширить сферу его применения. К примеру, подобные фотоэлементы можно было бы наносить на судовые паруса, палатки или детали беспилотников.