Солнечные батареи в виде самоклеящейся пленки

«Солнечную батарею можно будет наклеить на что угодно, от портативных источников питания для гаджетов, до умной одежды и даже автономных скафандров космонавтов», — сказано в статье Сяолинь Чжен, опубликованной в журнале Scientific Reports.

Объединение тонкопленочной электроники с новыми солнечными батареями откроет возможности для создания новых технических устройств, и это только первый этап в развитии данной технологии. Технологию «оторви и наклей» можно будет использовать совершенно разносторонне, уверена руководитель коллектива физиков Стэнфордского университета Сяолинь Чжен.

Чжен с единомышленниками разработали и воспроизвели настоящие солнечные батареи-наклейки, ставшие результатом экспериментов с пленками оксида кремния и никеля нанометровой толщины. Ученые поясняют, что солнечные батареи традиционно могут нормально работать лишь на очень-очень ровных поверхностях, на особых подложках, например — из стекла или кремния.

Проблема в том, что если использовать другие подложки, то они не подойдут по причине плохой плоскостности поверхности, низкой устойчивости к воздействию высоких температур и к химической обработке. Такая традиция очень ограничивает сферы применения солнечных источников питания с одновременным ростом их себестоимости.

Разработчикам удалось избавиться от этих недостатков в своих тонкопленочных батареях благодаря оригинальному подходу. Главной идеей стало отделить готовую батарею от кремниевой пластины, чтобы затем можно было бы использовать любую подложку, независимо от ее плоскостности и жесткости.

На решение ученых натолкнула технология получения графена его первооткрывателями Геймом и Новоселовым. По аналогичной методике Сяолинь Чжен с коллегами нанесли тончайшую пленку никеля (300 нм) на пластинку из смеси оксида кремния и чистого кремния методом электронно-лучевого испарения.

Следующим шагом на полученную двухслойную структуру нанесли активную часть тонкопленочной солнечной батареи и защитный полимерный слой для предотвращения контакта активной части с водой. Затем к одному краю приклеили термоскотч, и поместили пластинку на водяную баню при комнатной температуре.

Спустя несколько минут ученые отделили краешек скотча, чтобы молекулы воды проникли между никелем и пластинкой, затем поднимая полоску термоскотча, физики полностью отделили всю пленку полученной солнечной батареи от кремниевой пластины. На этапе полного отделения пленки ученые предварительно нагрели всю структуру до 90 градусов для ослабления адгезии.

После отделения от пластины, пленка может быть наклеена на целевую поверхность при помощи клея, а сама пластина может быть использована вновь для формирования следующей батареи-наклейки.

Важно отметить, что полученные пленочные солнечные батареи показывают практически одинаковую эффективность до и после отделения пленки от подложки. Измерения показали, что ток и напряжение до и после процесса переклейки на лист из нержавеющей стали или на натриево-кальциевое стекло неразличимы, подразумевается, что никаких повреждений не возникает во время переноса наклейки на любую поверхность.

Средние измерения показателей производительности более 20 солнечных батарей площадью 0,05 кв.см и 0,28 кв.см соответственно, показали КПД = 7,4 ± 0,5% и 5,2 ± 0,1% до процесса переклейки и КПД = 7,6 ± 0,5% и п = 5,3 ± 0,1% после переклейки. Разница эффективности у элементов различной площади обусловлена большим сопротивлением последовательно соединенных батарей.

Тем не менее, более важным является то, что обе солнечные батареи имеют почти идентичные показатели эффективности до и после процесса переклейки, а отклонение составляет всего 5%, что находится в пределах погрешности измерений. Эти результаты иллюстрируют несколько ключевых преимуществ данной технологии: универсальность в выборе подложки, высокое качество оригинального исполнения, простота и масштабируемость технологического процесса, а также дополнительная экономия на многоразовом использовании оригинальных кремниевых подложек.

Чжен утверждает, что подобные пленочные солнечные батареи можно будет наклеивать на любые поверхности: на стекло, на ткань, на бумагу, или на любой другой нетипичный для фотоэлектроники материал, даже на стены домов. И в каждом случае батарея будет генерировать такое же количество электричества, что и традиционные солнечные батареи предшествующей технологии, сохраняя эффективность 7,5%.

Плюс ко всему, батарея-наклейка легко гнется, и это не приводит ни к поломкам, ни к снижению эффективности. Ученые предвидят, что это замечательное свойство при невысокой себестоимости позволит применять новые солнечные батареи — наклейки в качестве источников питания для умной одежды и прочих электронных устройств, где важна гибкость.