Los investigadores han desarrollado células solares de tejido ultraligero que pueden convertir rápida y fácilmente cualquier superficie en una fuente de energía.
Estas células solares pesan una centésima parte que los paneles solares convencionales, pero pueden generar 18 veces más energía por kilogramo.
Los investigadores probaron la durabilidad de estos dispositivos y comprobaron que, tras enrollar y desenrollar el panel solar de tejido más de 500 veces, las células conservaron el 90 % de su capacidad inicial de generación de energía.
Los ingenieros del MIT han desarrollado células solares de tejido ultraligero que pueden convertir rápida y fácilmente cualquier superficie en una fuente de energía.
Estas células solares duraderas y flexibles, que son mucho más delgadas que un cabello humano, se adhieren a un tejido resistente y ligero, lo que facilita su instalación en una superficie fija. Pueden proporcionar energía en movimiento como tejido energético portátil, o bien transportarse e desplegarse rápidamente en lugares remotos para prestar asistencia en emergencias. Pesan una centésima parte que los paneles solares convencionales, generan 18 veces más energía por kilogramo y están fabricadas con tintas semiconductoras mediante procesos de impresión que, en el futuro, podrán escalarse a la fabricación de gran superficie.
Debido a que son tan finas y ligeras, estas células solares pueden laminarse sobre muchas superficies diferentes. Por ejemplo, podrían integrarse en las velas de un barco para proporcionar energía en alta mar, adherirse a tiendas de campaña y lonas desplegadas en operaciones de recuperación tras desastres, o aplicarse sobre las alas de drones para ampliar su autonomía de vuelo. Esta tecnología solar ligera puede integrarse fácilmente en entornos construidos con necesidades mínimas de instalación.
«Las métricas utilizadas para evaluar una nueva tecnología de células solares suelen limitarse a su eficiencia de conversión de energía y a su coste por dólar por vatio. Igual de importante es la integrabilidad: la facilidad con la que la nueva tecnología puede adaptarse. Los tejidos solares ligeros permiten la integrabilidad, lo que impulsa el trabajo actual. Nos esforzamos por acelerar la adopción de la energía solar, dada la urgente necesidad actual de desplegar nuevas fuentes de energía libres de carbono», afirma Vladimir Bulović, titular de la Cátedra Fariborz Maseeh en Tecnología Emergente, director del Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada (ONE Lab), director de MIT.nano y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.
Junto con Bulović, son coautores principales del artículo Mayuran Saravanapavanantham, estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica e Informática en el MIT, y Jeremiah Mwaura, científico investigador del Laboratorio de Investigación en Electrónica del MIT. La investigación se publica hoy en Small Methods.
Energía solar más delgada
Las células solares de silicio tradicionales son frágiles, por lo que deben encapsularse en vidrio y empaquetarse en un marco de aluminio pesado y grueso, lo que limita dónde y cómo pueden desplegarse.
Hace seis años, el equipo del ONE Lab produjo células solares utilizando una clase emergente de materiales de capa fina tan ligeros que podían posarse sobre una pompa de jabón. Sin embargo, estas células solares ultrafinas se fabricaron mediante procesos complejos basados en vacío, que pueden resultar costosos y difíciles de escalar.
En este trabajo, se propusieron desarrollar células solares de capa fina totalmente imprimibles, utilizando materiales a base de tintas y técnicas de fabricación escalables.
Para producir las células solares, emplean nanomateriales en forma de tintas electrónicas imprimibles. Trabajando en la sala limpia de MIT.nano, recubren la estructura de la célula solar mediante un recubridor de boquilla de ranura, que deposita capas de los materiales electrónicos sobre un sustrato preparado y desprendible de solo 3 micras de grosor. Mediante serigrafía (una técnica similar a la que se utiliza para añadir diseños a las camisetas serigrafiadas), se deposita un electrodo sobre la estructura para completar el módulo solar.
A continuación, los investigadores pueden despegar el módulo impreso, que tiene un grosor de unas 15 micras, del sustrato de plástico, formando un dispositivo solar ultraligero.
Sin embargo, estos módulos solares delgados y autoportantes son difíciles de manipular y pueden romperse con facilidad, lo que dificultaría su despliegue. Para resolver este desafío, el equipo del MIT buscó un sustrato ligero, flexible y de alta resistencia al que pudieran adherir las células solares. Identificaron los tejidos como la solución óptima, ya que aportan resistencia mecánica y flexibilidad con un peso añadido mínimo.
Encontraron un material ideal: un tejido compuesto que pesa solo 13 gramos por metro cuadrado, comercialmente conocido como Dyneema. Este tejido está formado por fibras tan resistentes que se utilizaron como cuerdas para izar el crucero hundido Costa Concordia desde el fondo del mar Mediterráneo. Mediante la adición de una capa de adhesivo curable por UV, de solo unas pocas micras de grosor, adhieren los módulos solares a láminas de este tejido. Así se forma una estructura solar ultraligera y mecánicamente robusta.
«Aunque podría parecer más sencillo imprimir directamente las células solares sobre el tejido, esto limitaría la selección de tejidos u otras superficies receptoras posibles a aquellas que sean química y térmicamente compatibles con todos los pasos de procesamiento necesarios para fabricar los dispositivos. Nuestro enfoque desacopla la fabricación de las células solares de su integración final», explica Saravanapavanantham.
Superar a las células solares convencionales
Al probar el dispositivo, los investigadores del MIT comprobaron que podía generar 730 vatios de potencia por kilogramo cuando era autoportante y unos 370 vatios por kilogramo si se desplegaba sobre el tejido Dyneema de alta resistencia, lo que supone unas 18 veces más potencia por kilogramo que las células solares convencionales.
«Una instalación solar típica en un tejado de Massachusetts tiene unos 8.000 vatios. Para generar esa misma cantidad de energía, nuestros fotovoltaicos de tejido solo añadirían unos 20 kilogramos (44 libras) al tejado de una casa», afirma.
También probaron la durabilidad de sus dispositivos y comprobaron que, incluso tras enrollar y desenrollar el panel solar de tejido más de 500 veces, las células seguían conservando más del 90 por ciento de su capacidad inicial de generación de energía.
Aunque sus células solares son mucho más ligeras y flexibles que las tradicionales, necesitarían encapsularse en otro material para protegerlas del entorno. El material orgánico a base de carbono empleado para fabricar las células podría modificarse al interactuar con la humedad y el oxígeno del aire, lo que podría deteriorar su rendimiento.
«Encapsular estas células solares en vidrio pesado, como es habitual con las células solares de silicio tradicionales, reduciría el valor de este avance, por lo que el equipo está desarrollando actualmente soluciones de encapsulado ultrafinas que solo aumentarían ligeramente el peso de los dispositivos ultraligeros actuales», afirma Mwaura.
«Trabajamos para eliminar la mayor cantidad posible de material no activo solar, manteniendo al mismo tiempo el factor de forma y el rendimiento de estas estructuras solares ultraligeras y flexibles. Por ejemplo, sabemos que el proceso de fabricación puede simplificarse aún más imprimiendo los sustratos desprendibles, de forma equivalente al proceso que utilizamos para fabricar las demás capas de nuestro dispositivo. Esto aceleraría la llegada de esta tecnología al mercado», añade.
Esta investigación cuenta en parte con la financiación de Eni S.p.A. a través de la MIT Energy Initiative, la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos y el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.
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