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Des chercheurs du MIT ont créé des cellules solaires ultra fines et flexibles qui peuvent être imprimées à l’aide d’encres semi-conductrices et de techniques de fabrication évolutives. Ils sont beaucoup plus fins qu’un cheveu humain, pèsent 1% de plus qu’un panneau solaire conventionnel et génèrent 18 fois plus d’énergie par kilogramme, selon un article de blog du MIT.
Lorsqu’ils sont collés à un tissu solide et léger, ils sont faciles à installer sur n’importe quelle 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. Parce qu’elles sont si fines et légères, ces cellules solaires peuvent être laminées sur de nombreuses surfaces différentes, des voiles d’un bateau aux tentes et bâches qui sont déployées dans les opérations de récupération après sinistre. Ils pourraient même être utilisés pour faire le tour de l’Australie. Cette technologie solaire légère peut être facilement intégrée dans des environnements bâtis avec des besoins d’installation minimes, affirment les chercheurs.
« Les paramètres utilisés pour évaluer une nouvelle technologie de cellules solaires se limitent généralement à leur efficacité de conversion de puissance et à leur coût en dollars par watt. L’intégrabilité est tout aussi importante, c’est-à-dire la facilité avec laquelle la nouvelle technologie peut être adaptée. Les tissus solaires légers permettent une intégrabilité, donnant une impulsion aux travaux en cours. Nous nous efforçons d’accélérer l’adoption de l’énergie solaire, compte tenu du besoin urgent actuel de déployer de nouvelles sources d’énergie sans carbone », déclare Vladimir Bulović, responsable des technologies émergentes au MIT et responsable du laboratoire d’électronique organique et nanostructurée (ONE Lab). Il est également directeur de MIT.nano et auteur principal d’un nouvel article décrivant ce travail révolutionnaire sur les cellules solaires ultra minces.
Ses co-auteurs sont Mayuran Saravanapavanantham, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique au MIT, et Jeremiah Mwaura, chercheur au MIT Research Laboratory of Electronics. Pour les lecteurs qui souhaitent approfondir les détails techniques de cette découverte, vous pouvez en trouver plus – beaucoup plus – sur Petites méthodesqui a publié le document de recherche le 9 décembre. Heureusement, le document n’est pas derrière un mur payant et est accessible à toute personne disposant d’une connexion Internet.
La route vers les cellules solaires ultra minces
Les cellules solaires au silicium traditionnelles sont fragiles, ce qui signifie qu’elles doivent être enfermées dans du verre et emballées dans un cadre en aluminium épais. Cela les rend lourds et rigides, ce qui limite à leur tour où et comment ils peuvent être déployés.
La quête des cellules solaires imprimées a commencé il y a plus de dix ans. Il y a six ans, l’équipe ONE Lab du MIT 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.
Pour produire ces nouvelles cellules solaires ultra fines et flexibles, on utilise des nanomatériaux qui se présentent sous la forme d’encres électroniques imprimables. Travaillant dans la salle blanche du MIT.nano, les chercheurs enduisent la structure de la cellule solaire à l’aide d’une coucheuse à filière 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.
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 connu commercialement sous le nom de Dyneema. Ce tissu est fait de fibres si résistantes qu’elles ont été utilisées comme cordes pour soulever le bateau de croisière Costa Concordia du fond de la Méditerranée (après que son capitaine l’ait dirigé trop près du rivage pour saluer sa famille et ses amis, après quoi il a heurté un rocher et a coulé). En ajoutant une couche de colle durcissable aux UV de seulement quelques microns d’épaisseur, ils collent les modules solaires aux 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 possibles ou d’autres surfaces de réception à ceux qui sont chimiquement et thermiquement compatibles avec toutes les étapes de traitement nécessaires pour fabriquer les appareils. Notre approche dissocie la fabrication des cellules solaires de son intégration finale », explique Saravanapavanantham.
Des panneaux solaires conventionnels exceptionnels
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. C’est environ 18 fois plus que les cellules solaires conventionnelles sur une base de puissance par kilogramme.
« Une installation solaire typique sur un toit dans le Massachusetts est d’environ 8 000 watts. Pour générer la même quantité d’énergie, notre photovoltaïque en tissu n’ajouterait qu’environ 20 kilogrammes (44 livres) au toit d’une maison », explique le co-auteur. Lorsqu’elles ont été testées pour leur durabilité, les cellules solaires ultraminces ont conservé plus de 90 % de leurs capacités de production d’énergie initiales après avoir été enroulées et déroulées plus de 500 fois.
Alors que les cellules solaires du MIT sont beaucoup plus légères et 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 au 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, », dit Mwaura.
«Nous travaillons pour éliminer autant que possible le matériau actif non solaire 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 simplifié en imprimant les substrats détachables, ce qui équivaut 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.
Nous savons que la partie « transition vers le marché » est souvent la partie la plus difficile. Un examen de la Clean Technica La bibliothèque révèle deux histoires sur les cellules solaires imprimées par des entreprises dont on n’a jamais entendu parler depuis – une en 2009 et une autre en 2016. Comme Tom Petty nous l’a dit un jour, « l’attente est la partie la plus difficile ».
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