Imagine a future in which solar cells are everywhere around you—on your window shades, in your laptop cover, in your clothing, perhaps even on a folded slip of paper that you carry in your pocket and take out when you want to charge your cell phone or other electronic gadget.
That’s the future that several MIT researchers envision. Using a novel process involving moderate temperatures and no liquids, they’ve printed photovoltaic (PV) cells on tissue paper, printer paper, newsprint, textiles, and even plastic food wrap. They’ve made solar devices that are low-cost, lightweight, flexible, and durable—features that make them ideal not only for integrating into consumer products but also for shipping to remote regions of the world where energy demand is growing rapidly and there’s no power grid in sight.
For PVs to make a real difference to our energy future, they need to pervade people’s lives worldwide. But today’s PVs are typically fragile and must be moved with care and installed by trained experts to avoid damage. More robust PVs have been made on flexible materials such as plastic, but thus far they have not been entirely successful. Problems have stemmed largely from the anode (the positive electrode), which has a tendency to crack or lift off when the surface it’s mounted on is bent. If PVs are to be manufactured and used on a large commercial scale, they must be made on lightweight, flexible materials with anodes that adhere under the most extreme stress—and that are composed of common, inexpensive substances.
Anodes with those features have now been fabricated by Karen K. Gleason, the Alexander and I. Michael Kasser Professor of Chemical Engineering, and her colleague Vladimir Bulovic, professor of electrical engineering, with their “Paper PV Team”: graduate students Miles C. Barr, Jill A. Rowehl, Jingjing Xu, and Annie Wang; postdoctoral associate Richard R. Lunt; and undergraduate Christopher M. Boyce. The work takes place in the Eni-MIT Solar Frontiers Center, which is co-directed by Bulovic, and funded by the Italian oil and gas company Eni S.p.A.
Key to their success is a process called oxidative chemical vapor deposition, or oCVD. Invented by Gleason, oCVD is designed especially for making thin films of organic polymers—carbon-containing molecules that are composed of repeating structural units and offer desirable traits including low cost, good electrical conductivity, and good mechanical properties that allow them to be flexed, stretched, and even folded.
The oCVD process is based on conventional CVD, a well-known method of depositing a thin coating of one material on the surface of another (the “substrate”). It involves heating up reactant gases and the substrate in a furnace until the former react and deposit on the latter. But the temperatures and other operating conditions required for CVD are too harsh to use with the organic materials of interest to Gleason. Adding the oxidant and carefully selecting the correct starting materials enable oCVD to operate at “gentler” conditions inside a vacuum chamber.
In addition, the oCVD process is completely dry—no liquids allowed. It therefore provides a new capability for making polymers. “Thousands of people synthesize polymers in solution,” says Gleason. “We don’t really want to compete with them. Instead, we want to do things they can’t do”—including making robust anodes out of polymers composed entirely of earth-abundant elements such as carbon, hydrogen, oxygen, and sulfur.
Three processes in one
To make their anodes using oCVD, Gleason and her research group start with two reactants: iron chloride, the oxidizing agent, and ethylenedioxythiophene (EDOT), the monomer. The EDOT molecules are the basic building blocks that link together to form long chains of the polymer known as PEDOT.
The researchers first prepare the selected substrate by placing on it a physical mask that can be pulled off to leave the desired pattern. (Think of using stencils to paint a strip of flowers on the wall of a room.) They then spray their two reactants, both in vapor form, onto the surface of the substrate. Three things happen at once. When the iron chloride and EDOT meet on the surface, they react to form PEDOT. At the same time, they form a thin film. And because of the presence of the mask, the film is deposited in the pattern needed to act as an anode.
“If we were working with a solution, we’d do those steps one at a time,” says Gleason. “But we can do all of them at the same time—synthesis, film growth, and patterning all in one step. So that gives us three-for-one. We call it vapor printing.”
จินตนาการถึงอนาคตที่เซลล์แสงอาทิตย์มีอยู่ทุกที่รอบตัวคุณในเฉดสีที่หน้าต่างของคุณในปกแล็ปท็อปของคุณในเสื้อผ้าของคุณ บางทีแม้แต่ในพับใบกระดาษที่คุณพกในกระเป๋าของคุณและจะออกเมื่อคุณต้องการชาร์จมือถือ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆของคุณนั่นคืออนาคตที่นักวิจัยหลายด้วยจินตนาการ การใช้กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับนวนิยายที่อุณหภูมิปานกลาง และไม่มีของเหลว จะพิมพ์แผงเซลล์แสงอาทิตย์ ( PV ) เซลล์ในเนื้อเยื่อกระดาษ กระดาษหนังสือพิมพ์ กระดาษ , เครื่องพิมพ์ , สิ่งทอ , และแม้แต่พลาสติกห่ออาหาร . พวกเขาได้ทำอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีราคาถูก น้ำหนักเบา ยืดหยุ่น ทนทาน และคุณลักษณะที่ทำให้พวกเขาเหมาะสำหรับการรวมลงในผลิตภัณฑ์ของผู้บริโภคไม่เพียง แต่ยังสำหรับการขนส่งสินค้าไปยังพื้นที่ห่างไกลของโลกที่ความต้องการพลังงานมีการเติบโตอย่างรวดเร็ว และไม่มีไฟฟ้าใช้ในสายตาสำหรับ PVS เพื่อสร้างความแตกต่างจริงกับอนาคตพลังงานของเรา พวกเขาต้องตลบ ชีวิตของผู้คนทั่วโลก แต่ PVS วันนี้มักจะเปราะบาง และต้องย้ายไปอยู่กับการดูแลและติดตั้งโดยการฝึกอบรมผู้เชี่ยวชาญเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย ที่แข็งแกร่งมากขึ้น PVS ได้ด้วยวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ เช่น พลาสติก แต่ป่านนี้ก็ยังไม่ประสบความสําเร็จแน่นอน ปัญหามี stemmed ส่วนใหญ่จากขั้วบวก ( ขั้วไฟฟ้าบวก ) ซึ่งมีแนวโน้มที่จะร้าวหรือยกออกเมื่อพื้นผิวมัน ติดเบี้ยว ถ้า PVS เป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตและใช้ในระดับเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ พวกเขาจะต้อง ทำ เบา ด้วยวัสดุที่ยืดหยุ่นไม่ยึดติดภายใต้ความเครียดมากที่สุด และเป็นองค์ประกอบของสารทั่วไป ราคาไม่แพงขั้วบวกกับคุณลักษณะเหล่านั้นมีตอนนี้ถูกประดิษฐ์โดยกะเหรี่ยงเค กลีสัน , อเล็กซานเดอร์ และ ไมเคิล แคสเซอร์ศาสตราจารย์วิศวกรรมเคมี และเพื่อนร่วมงานของเธอ วลาดิเมียร์ bulovic ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า กับ " กระดาษ PV ทีมนักศึกษาไมล์ C . Barr , จิล . rowehl jingjing , ซู และแอนนี่วัง ; นักวิจัยหลังปริญญาเอก ริชาร์ด อาร์ ลันต์ และ นิสิต นักศึกษา คริสโตเฟอร์ เอ็ม บอยซี่ งานที่จะเกิดขึ้นในนิมิตรพรมแดนแสงอาทิตย์ศูนย์ ซึ่งร่วมกำกับโดย bulovic และได้รับการสนับสนุนจากน้ำมันและก๊าซ บริษัท อิตาเลียน ENI S.P.A .กุญแจสู่ความสำเร็จของพวกเขาที่เรียกว่ากระบวนการออกซิเดชัน ( chemical vapor deposition ) หรือ ocvd . คิดค้นโดยเกียร์สัน ocvd ได้รับการออกแบบโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการทำแผ่นฟิล์มบางโพลิเมอร์อินทรีย์คาร์บอนที่มีโมเลกุลที่ประกอบด้วยหน่วยโครงสร้างและการเสนอคุณลักษณะรวมถึงต้นทุนต่ำ ค่าการนำไฟฟ้าที่ดี และคุณสมบัติเชิงกลที่ดีที่ช่วยให้พวกเขาที่จะยืด , ยืด , และแม้กระทั่งการพับเก็บกระบวนการ ocvd ตามวิธีปกติ วิธีที่รู้จักกันดีของการฝากเงินเคลือบบาง ๆบนพื้นผิวของตัววัสดุอื่น ( " พื้นผิว " ) มันเกี่ยวข้องกับความร้อนและก๊าซของสารตั้งต้นในเตาจนอดีตตอบสนองและฝากบนหลัง แต่อุณหภูมิและเงื่อนไขอื่น ๆที่จำเป็นสำหรับซีวีดีจะแรงเกินไปที่จะใช้กับวัสดุอินทรีย์ที่น่าสนใจของกลีสัน . เพิ่มสารออกซิไดส์และระมัดระวังการเลือกวัสดุให้ถูกต้อง เริ่ม ocvd ทํางานที่ " เบา " สภาพภายในห้องสูญญากาศ .นอกจากนี้ กระบวนการ ocvd แห้งสนิทไม่มีของเหลวที่ได้รับอนุญาต มันจึงมีความสามารถใหม่สำหรับการทำพอลิเมอร์ " หลายพันคน การสังเคราะห์พอลิเมอร์ โซลูชั่น กล่าวว่า กลีสัน . " เราไม่ได้ต้องการที่จะแข่งขันกับพวกเขา แทน , เราต้องการที่จะทำสิ่งที่พวกเขาไม่ควรทำ " - รวมทั้งการคงทนไม่ออกจากพอลิเมอร์ประกอบด้วยทั้งหมดของโลกมากมาย องค์ประกอบ เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และซัลเฟอร์สามขั้นตอนในหนึ่งเพื่อให้พวกเขาไม่ใช้ ocvd กลีสัน , และกลุ่มงานวิจัยของเธอเริ่มต้นด้วยสองสารตั้งต้น : เหล็กคลอไรด์ , สารออกซิไดซ์และ ethylenedioxythiophene ( edot ) , โมโนเมอร์ การ edot โมเลกุลพื้นฐานการสร้างบล็อกที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโซ่ยาวของพอลิเมอร์ เรียกว่า pedot .นักวิจัยเตรียมพื้นผิว โดยเลือกวางในรูปแบบทางกายภาพที่สามารถดึงออกเพื่อให้รูปแบบที่ต้องการ . ( คิดว่าการใช้ stencils สี แถบดอกไม้บนผนังของห้อง ) แล้วสเปรย์สองสารตั้งต้นของพวกเขาทั้งในรูปแบบไอลงบนพื้นผิวของพื้นผิว สามสิ่งที่เกิดขึ้นในครั้งเดียว เมื่อเหล็กคลอไรด์ และ edot พบบนพื้นผิวที่พวกเขาตอบสนองในรูปแบบ pedot . ในเวลาเดียวกัน พวกเขาฟอร์มเป็นฟิล์มบาง และเพราะการปรากฏตัวของหน้ากาก ฟิล์ม จะฝากในรูปแบบต้องทำหน้าที่เป็นแอโนด" ถ้าเราทำงานกับ โซลูชั่น เราทำขั้นตอนเหล่านั้นทีละคนว่า " กลีสัน . " แต่เราสามารถทำทั้งหมดของพวกเขาในการสังเคราะห์ เวลาเดียวกัน ฟิล์ม การเจริญเติบโต และการเลียนแบบทั้งหมดในขั้นตอนเดียว นั่นทำให้เราสามคน เราเรียกมันว่า ไอที่พิมพ์ . "
การแปล กรุณารอสักครู่..