Výzkumníci z MIT vyvinuli škálovatelný způsob výroby ultratenkých, lehkých a ohebných solárních článků, které mohou být nalepeny na mnohé typy povrchů. Kredit: Melanie Gonick, MIT

Ve světě vzdělávání, vědy a nových technologií je zkratka MIT obecně známým pojmem. Massachusetts Institute of Technology, tedy Massachusettský technologický institut, nebo někdy také Massachusettská technická univerzita je soukromou výzkumnou univerzitou založenou před 161 lety v Cambridge, americkém státě Massachusetts. V celosvětovém měřítku patří k těm nejprestižnějším akademickým institucím, kde se vysoce kvalitní výuka snoubí se špičkovou vědou a vývojem moderních technologií.

Trojice inženýrů z laboratoře elektroniky a Katedry elektrotechniky a informatiky na MIT, jejichž jména – Mayuran Saravanapavanantham, Jeremiah Mwaura a Vladimir Bulović odhalují kořeny sahající do různých koutů světa, představila ve studii zveřejněné v odborném časopisu Small Methods ultratenké, ohebné, přesto mechanicky odolné solární články. Nalepené na tenkou, ale pevnou tkaninu umožňují mnoho povrchů proměnit na přídavný zdroj energie. Jejich potenciální využití vědci vidí například na lodních plachtách, stanech, křídlech dronů nebo střechách aut. S hmotností přibližně jedné setiny hmotnosti konvenčních solárních panelů, generují tyto ultratenké 18krát více energie v přepočtu na kilogram. To je ale teoretický propočet, vývoj a testování v laboratoři se uskutečnilo na vzorcích o rozměru několik centimetrů. Protože se aktivní vrstvy tisknou nebo nanášejí pomocí speciálních inkoustů, bylo potřebné zvolit vhodný podklad. Tenkou skleněnou tabulku pro její křehkost a komplikovanější řezání na potřebný tvar vědci nahradili speciální, tepelně stabilizovanou PET folií. Na ni nanesli separační fluoropolymer, aby bylo možné výsledný elaborát od PET podkladu oddělit. Pak následují tyto nanovrstvičky samotného fotovoltaického článku:

Jednotlivé nanovrstvy solárního článku, který po vytištění a sejmutí z podkladu má tloušťku pouhých 15 mikronů, tedy 15 tisícin milimetru (před nalepením na vyztužující tkaninu) Kredit: Mayuran Saravanapavanantham et al., Small Methods 2022

1/ Spodní izolační film z polymeru parylen,

2/ Prostřednictvím chemické depozice par nanesená průhledná vodivá nano-vrstva oxidu india a cínu (ITO) kombinovaná se stříbrnými nanodrátky (vrstva IMI), případně vrstvička pouze z nanodrátků stříbra bez oxidů ITO (AgNW = Ag-nanowires).

3/ Elektronová transportní vrstva z chemicky stabilního oxidu cíničitého SnO₂.

4/ Fotoaktivní vrstva PV2000:PC₆₀BM. Jde o kombinaci polymeru PV2000, jenž je donorem elektronů a speciální formy buckyballs fulerenů (buckminsterfullerenů), které elektrony přijímají – jsou jejich akceptorem.

5/ Další vrstvu označenou PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylendioxythiofen) polystyrensulfonát) tvoří vodivá polymerní směs dvou ionomerů, která přenáší kladné díry. Díra vzniká uvolněním valenčního elektronu z atomu, čímž se vytvoří místo s kladným elektrickým nábojem. Díry se neposunují pohybem samotných iontů, ale přeskoky valenčních elektronů.

6/ Vrchní aktivní vrstvou je elektroda tvořená jemnou vrstvičkou stříbra

Jeden z autorské trojice, Vladimir Bulović, je profesorem elektrotechniky na MIT, vedoucím Katedry Fariborze Maseeha pro nové technologie, ředitelem Laboratoře organické a nanostrukturní elektroniky a vedoucím pracovníkem v MIT-Eni Solar Frontiers Center. Kredit: MITnano.

Polovodičové inkousty v jednotlivých nanovrstvách jsou nanášeny pomocí tisků, a to umožňuje fotovoltaické články v budoucnu škálovat na různé, i velkoplošné rozměry.

Výsledné flexibilní články o tloušťce 15 mikrometrů jsou mnohem tenčí než lidský vlas. Mohou sice být naneseny na jakýkoli vhodný povrch přímo, nicméně při neopatrné manipulaci jim hrozí roztržení. Aby vědci poškození předešli, nalepili je na extrémně pevnou, ale zároveň tenkou a lehkou kompozitní tkaninu, známou pod komerčním názvem Dyneema. Ohebnost článků neomezuje, zvyšuje jejich mechanickou odolnost, ulehčuje manipulaci a aplikaci na různé povrchy. Na hmotnosti moc nepřidá – metr čtvereční Dyneemy váží pouze 13 gramů. Výsledná tloušťka – tkanina spolu s vrstvičkou lepidla tvrzeného UV světlem a samotného solárního článku je přibližně 50 mikronů a plošná hustota je pouhých 105 g m⁻².

Při testech na odolnost takto vyztužený článek bez poškození zvládl 500 cyklů srolování a opětovného natažení, přičemž si uchoval 90 % původní účinnosti proměny sluneční energie na elektrickou. Tedy i tkanina s fotočlánky větších rozměru by měla být snadno skladována nebo přepravována a použita na vzdálených či těžko dostupných místech.

Nejdůležitější hodnotou bezpochyby je, kolik energie z tohoto fotovoltaického materiálu můžeme získat. Samozřejmě za dostatečně slunečního počasí. Autoři článku uvádějí, že samotný, ničím nepodlepený solární článek poskytuje 730 wattů na kilogram. Spolu s vyztužující tkaninou, jež s lepidlem přidává na neúčinné hmotnosti, specifický výkon klesne na 370 W kg⁻¹. Jde opět o propočet, jelikož laboratorní vzorky mají jen několik gramů.

V mediální zprávě MITu je uvedeno přirovnání: "Typická střešní solární instalace v Massachusetts nabízí asi 8 000 wattů. K výrobě stejného množství energie by naše textilní fotovoltaika na střechu domu přidala jen asi 20 kilogramů". Zní to sice zajímavě, nicméně v přepočtu to znamená pokrýt fotovoltaickou tkaninou téměř 200 m čtverečných. Ale pravděpodobně o nemálo více, protože na dlouhodobé venkovní použití látkové panely vhodné nejsou, vyžadují povrchovou laminaci ochranným materiálem. Což sníží výkon i přidá na váze. Tvrzené sklo je kvůli vysoké hustotě a rigidnosti kontraproduktivní. Proto se výzkumná skupina nyní hodlá zabývat kromě jiného i hledáním vhodného, dostatečně odolného, přesto lehkého a alespoň částečně ohebného krycího materiálu.

Video: Solární článek tenký jako papír dokáže proměnit jakýkoli povrch ve zdroj energie Kredit: Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Literatura: MIT news, Small Methods (volně dostupný článek)