18 fois plus de puissance : des chercheurs du MIT ont développé des cellules solaires ultra-minces et légères

Par Adam Zewe, Massachusetts Institute of Technology22 janvier 2023

Les cellules solaires à couche mince pèsent environ 100 fois moins que les cellules solaires conventionnelles tout en générant environ 18 fois plus d'énergie par kilogramme. Crédit : Mélanie Gonick, MIT

Une équipe de chercheurs a développé une nouvelle technique pour produire des cellules solaires ultra-minces et légères qui peuvent être intégrées de manière transparente dans n'importe quelle surface.

Les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont créé de nouvelles cellules solaires en tissu ultralégères, qui peuvent transformer n'importe quelle surface en source d'alimentation avec facilité et rapidité.

Ces cellules solaires durables et flexibles, beaucoup plus fines qu'un cheveu humain, sont collées sur un tissu solide et léger, ce qui les rend faciles à installer sur une surface fixe. Ils peuvent fournir de l'énergie en déplacement en tant que tissu d'alimentation portable ou être transportés et déployés rapidement dans des endroits éloignés pour une assistance en cas d'urgence. Ils pèsent un centième du poids des panneaux solaires conventionnels, génèrent 18 fois plus d'énergie par kilogramme et sont fabriqués à partir d'encres semi-conductrices utilisant des procédés d'impression qui pourront être adaptés à l'avenir à une fabrication à grande surface.

Parce qu'elles sont si fines et légères, ces cellules solaires peuvent être laminées sur de nombreuses surfaces différentes. Par exemple, ils pourraient être intégrés aux voiles d'un bateau pour fournir de l'énergie en mer, collés sur des tentes et des bâches déployées lors d'opérations de récupération après sinistre, ou appliqués sur les ailes de drones pour étendre leur portée de vol. Cette technologie solaire légère peut être facilement intégrée dans des environnements bâtis avec des besoins d'installation minimes.

Les chercheurs du MIT ont développé une technique de fabrication évolutive pour produire des cellules solaires ultrafines et légères qui peuvent être collées sur n'importe quelle surface. Crédit : Mélanie Gonick, MIT

"The metrics used to evaluate a new solar cell technology are typically limited to their power conversion efficiency and their cost in dollars-per-watt. Just as important is integrability — the ease with which the new technology can be adapted. The lightweight solar fabrics enable integrability, providing impetus for the current work. We strive to accelerate solar adoption, given the present urgent need to deploy new carbon-free sources of energy," says Vladimir Bulović, the Fariborz Maseeh Chair in Emerging Technology, leader of the Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), director of MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT.nano, et auteur principal d'un nouvel article décrivant le travail.

Rejoindre Bulović sur l'article sont les co-auteurs principaux Mayuran Saravanapavanantham, un étudiant diplômé en génie électrique et en informatique au MIT; et Jeremiah Mwaura, chercheur au Laboratoire de recherche en électronique du MIT. La recherche a récemment été publiée dans la revue Small Methods.

Les cellules solaires traditionnelles au silicium sont fragiles, elles doivent donc être enfermées dans du verre et emballées dans un cadre en aluminium lourd et épais, ce qui limite où et comment elles peuvent être déployées.

Il y a six ans, l'équipe de ONE Lab a produit des cellules solaires à l'aide d'une classe émergente de matériaux à couches minces si légers qu'ils pouvaient reposer sur une bulle de savon. Mais ces cellules solaires ultrafines ont été fabriquées à l'aide de processus complexes basés sur le vide, qui peuvent être coûteux et difficiles à mettre à l'échelle.

Dans ce travail, ils ont entrepris de développer des cellules solaires à couches minces entièrement imprimables, en utilisant des matériaux à base d'encre et des techniques de fabrication évolutives.

Pour produire les cellules solaires, ils utilisent des nanomatériaux qui se présentent sous la forme d'encres électroniques imprimables. Travaillant dans la salle blanche du MIT.nano, ils enduisent la structure de la cellule solaire à l'aide d'une coucheuse à matrice plate, qui dépose des couches de matériaux électroniques sur un substrat préparé et détachable de seulement 3 microns d'épaisseur. En utilisant la sérigraphie (une technique similaire à la façon dont les motifs sont ajoutés aux tee-shirts sérigraphiés), une électrode est déposée sur la structure pour compléter le module solaire.

Les chercheurs peuvent ensuite décoller le module imprimé, d'une épaisseur d'environ 15 microns, du substrat en plastique, formant un dispositif solaire ultraléger.

Mais ces modules solaires minces et autonomes sont difficiles à manipuler et peuvent facilement se déchirer, ce qui les rendrait difficiles à déployer. Pour résoudre ce défi, l'équipe du MIT a recherché un substrat léger, flexible et à haute résistance sur lequel adhérer les cellules solaires. Ils ont identifié les tissus comme la solution optimale, car ils offrent une résistance mécanique et une flexibilité avec peu de poids supplémentaire.

Ils ont trouvé un matériau idéal - un tissu composite qui ne pèse que 13 grammes par mètre carré, commercialement connu sous le nom de Dyneema. Ce tissu est fait de fibres si résistantes qu'elles ont été utilisées comme cordes pour soulever le navire de croisière coulé Costa Concordia du fond de la mer Méditerranée. En ajoutant une couche de colle durcissable aux UV, qui n'a que quelques microns d'épaisseur, ils collent les modules solaires sur des feuilles de ce tissu. Cela forme une structure solaire ultra-légère et mécaniquement robuste.

« Bien qu'il puisse sembler plus simple d'imprimer simplement les cellules solaires directement sur le tissu, cela limiterait la sélection de tissus ou d'autres surfaces de réception possibles à ceux qui sont chimiquement et thermiquement compatibles avec toutes les étapes de traitement nécessaires à la fabrication des appareils. Notre approche dissocie la fabrication des cellules solaires de son intégration finale », explique Saravanapavanantham.

Lorsqu'ils ont testé l'appareil, les chercheurs du MIT ont découvert qu'il pouvait générer 730 watts de puissance par kilogramme lorsqu'il était autonome et environ 370 watts par kilogramme s'il était déployé sur le tissu Dyneema à haute résistance, soit environ 18 fois plus de puissance par kilogramme que les cellules solaires conventionnelles.

"Une installation solaire typique sur le toit dans le Massachusetts est d'environ 8 000 watts. Pour générer la même quantité d'énergie, nos panneaux photovoltaïques en tissu n'ajouteraient qu'environ 20 kilogrammes (44 livres) au toit d'une maison", dit-il.

Ils ont également testé la durabilité de leurs appareils et ont constaté que, même après avoir enroulé et déroulé un panneau solaire en tissu plus de 500 fois, les cellules conservaient encore plus de 90 % de leurs capacités de production d'énergie initiales.

Bien que leurs cellules solaires soient beaucoup plus légères et beaucoup plus flexibles que les cellules traditionnelles, elles devraient être enfermées dans un autre matériau pour les protéger de l'environnement. Le matériau organique à base de carbone utilisé pour fabriquer les cellules pourrait être modifié en interagissant avec l'humidité et l'oxygène de l'air, ce qui pourrait détériorer leurs performances.

"Envelopper ces cellules solaires dans du verre épais, comme c'est le cas avec les cellules solaires en silicium traditionnelles, minimiserait la valeur de l'avancement actuel, de sorte que l'équipe développe actuellement des solutions d'emballage ultra-minces qui n'augmenteraient que légèrement le poids des appareils ultra-légers actuels", explique Mwaura.

"Nous nous efforçons d'éliminer autant que possible le matériau non solaire actif tout en conservant le facteur de forme et les performances de ces structures solaires ultralégères et flexibles. Par exemple, nous savons que le processus de fabrication peut être encore rationalisé en imprimant les substrats libérables, équivalent au processus que nous utilisons pour fabriquer les autres couches de notre appareil. Cela accélérerait la traduction de cette technologie sur le marché", ajoute-t-il.

Référence : "Printed Organic Photovoltaic Modules on Transferable Ultra-thin Substrates as Additive Power Sources" par Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura et Vladimir Bulović, 9 décembre 2022, Small Methods.DOI : 10.1002/smtd.202200940

L'étude a été financée par la MIT Energy Initiative, la National Science Foundation des États-Unis et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.