Ο αγώνας για την ανάπτυξη πραγματικά αυτοδύναμη φορητές συσκευές έχει επιταχυνθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια, με ελαφριά και ευέλικτα ηλιακά κύτταρα αναδύονται ως μια τεχνολογία ακρογωνιαίο λίθο. Αυτά τα φωτοβολταϊκά υλικά δεν περιορίζονται πλέον σε άκαμπτα γυάλινα πάνελ? μπορούν τώρα να λυγίσει, έλασης, και ακόμη και τεντωμένη, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για την ενσωμάτωση της ενέργειας συγκομιδής απευθείας σε ρούχα, ιατρικά μπαλώματα, και καθημερινά αξεσουάρ.

Τι Είναι Ευέλικτα Ηλιακά Κύτταρα;

Τα ευέλικτα ηλιακά κύτταρα είναι φωτοβολταϊκές συσκευές λεπτού φιλμ που μπορούν να συμμορφωθούν με καμπύλες ή ακανόνιστες επιφάνειες χωρίς να σπάσουν. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά κρυσταλλικά πάνελ πυριτίου, τα οποία είναι εύθραυστα και βαριά, τα εύκαμπτα κύτταρα είναι χτισμένα σε υποστρώματα όπως πλαστικό, μεταλλικό φύλλο ή ύφασμα. Αυτή η μηχανική συμμόρφωση τους επιτρέπει να είναι ενσωματωμένα σε υφάσματα, προσαρτημένα σε σακίδια πλάτης, ή ακόμα και τοποθετημένα στο δέρμα ενός ατόμου.

Αυτά τα κύτταρα μετρούν συνήθως μόνο λίγα μικρομέτρα σε πάχος, καθιστώντας τα τάξεις μεγέθους ελαφρύτερο από τα συμβατικά πάνελ. Για παράδειγμα, ένα ευέλικτο κύτταρο υπερόφσκιτε μπορεί να ζυγίζει λιγότερο από 10 γραμμάρια ανά τετραγωνικό μέτρο, σε σύγκριση με περίπου 15-20 κιλά ανά τετραγωνικό μέτρο για ένα πρότυπο γυάλινο δομοστοιχείο. Αυτή η μείωση βάρους είναι κρίσιμη για τις εφαρμογές που μπορούν να φορεθούν, όπου κάθε γραμμάριο έχει σημασία.

Πρόσφατες Τεχνολογικές Καινοτομίες

Η έρευνα για τα εύκαμπτα ηλιακά κύτταρα έχει ενταθεί, με εργαστήρια σε όλο τον κόσμο να επιτυγχάνουν νέα ρεκόρ αποδοτικότητας, αντοχής και δυνατότητας κατασκευής.

Ηλιακά κύτταρα με βάση το Perovskite

Τα υλικά υπερόφσκιτε έχουν γίνει εστιακό σημείο λόγω της εξαιρετικής απορρόφησης φωτός και της απλής κατασκευής τους. Σε ευέλικτη μορφή, τα υπερόφσκιτα ηλιακά κύτταρα έχουν φτάσει σε απόδοση μετατροπής ενέργειας άνω του 20%, αντιπαλεύοντας πολλά άκαμπτα αντίστοιχα. Οι επιστήμονες στο [[LFT:0]] Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL)[[LFT:1] έχουν επιδείξει κάμπτουσες μονάδες υπερόφσκιτε που διατηρούν το 90% της αρχικής τους απόδοσης μετά από 1.000 κύκλους κάμψης.

Μια άλλη καινοτομία περιλαμβάνει τη χρήση αυτο-θεραπευτικών πολυμερών στο στρώμα του υπερόφσκιτε. Αν σχηματιστούν μικροπυροκροτήματα κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κάμψης, αυτά τα υλικά μπορούν να επιδιορθώσουν αυτόματα τη ζημιά, επεκτείνοντας σημαντικά τη λειτουργική διάρκεια ζωής της συσκευής.

Οργανικά Φωτοβολταϊκά Υλικά

Τα βιολογικά ηλιακά κύτταρα, κατασκευασμένα από ημιαγωγούς με βάση τον άνθρακα, είναι εγγενώς ευέλικτα και μπορούν να εκτυπωθούν χρησιμοποιώντας διαδικασίες ρολλών προς ρολά. Οι πρόσφατες εξελίξεις έχουν ωθήσει την αποτελεσματικότητά τους πάνω από 18% για συσκευές μικρής περιοχής. Οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει οργανικά πολυμερή που είναι διαφανή προς το ορατό φως ενώ απορροφούν στο σχεδόν υπέρυθρο φάσμα. Αυτά τα ημιδιαφανή κύτταρα μπορούν να απανωτές σε πρόσωπα ⁇ ολογιών ή φακούς γυαλιών χωρίς να εμποδίζουν την όραση, καθιστώντας τα ιδανικά για συνεχή παραγωγή ενέργειας.

Ένα αξιοσημείωτο ορόσημο επιτεύχθηκε από ομάδες στο Πανεπιστήμιο του Cambridge[], οι οποίες επέδειξαν ένα υφασμάτινο οργανικό ηλιακό κύτταρο που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει έναν ανιχνευτή φυσικής κατάστασης τόσο υπό άμεσο ηλιακό φως όσο και με εσωτερικό φωτισμό. Το υλικό υφάστηκε απευθείας στο ύφασμα, εξαλείφοντας την ανάγκη για άκαμπτους συνδέσμους.

Βελτιώσεις των Νανοϋλικών

Τα νανοϋλικά όπως το γραφένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και οι κβαντικές κουκίδες χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της μεταφοράς φορτίου, της απορρόφησης φωτός και της μηχανικής ευελιξίας. Τα ηλεκτρόδια γραφενίου, για παράδειγμα, προσφέρουν εξαιρετική αγωγιμότητα ενώ είναι σχεδόν ατομικά λεπτά. Μπορούν να αντικαταστήσουν διαφανή οξείδια που στρέφονται όπως ο ΙΤΟ, τα οποία είναι εύθραυστα και επιρρεπή σε ρωγμές σε ευέλικτες συσκευές.Οι ερευνητές στο ACS Nano Letters έχουν αναπτύξει ένα υβρίδιο γραφενίου-υπερόφσκιτε που πέτυχε 16% απόδοση σε ένα ευέλικτο πολυιμίδιο υπόστρωμα με εξαιρετική ανθεκτικότητα καμπής.

Μια άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί νανοσυρματόσχοινα κατασκευασμένα από χαλκό ή οξείδιο του ψευδαργύρου για να παγιδεύσει το φως μέσα στο λεπτό απορροφητικό στρώμα, ενισχύοντας σημαντικά την απόδοση χωρίς αυξανόμενο πάχος. Αυτές οι νανοδομημένες επιφάνειες μπορούν επίσης να γίνουν υδροφοβικές για την απώθηση της σκόνης και του ιδρώτα, μια πρακτική απαίτηση για τα φθαρτά που χρησιμοποιούνται σε ενεργά περιβάλλοντα.

Εφαρμογές σε Φορητά

Η ενσωμάτωση των ευέλικτων ηλιακών κυττάρων σε φορητά έχει μετακινηθεί πέρα από εργαστηριακές επιδείξεις σε πρωτότυπα πραγματικού κόσμου και πρώιμα εμπορικά προϊόντα.

Έξυπνα ρολόγια και Ζώνες καταλληλότητας

Πολλές εταιρείες έχουν ενσωματώσει τα ηλιακά κύτταρα λεπτού φιλμ σε πρόσωπα ⁇ ολογιών ή ζώνες. Για παράδειγμα, το Fenix 6X Pro Solar του Garmin χρησιμοποιεί ένα διαφανές ηλιακό φιλμ με βάση την σκόνη που επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας μέχρι 30% σε εξωτερικές συνθήκες. Η τελευταία γενιά χρησιμοποιεί ένα ευέλικτο, περιτυλιγμένο ηλιακό κύτταρο που φορτίζει ακόμη και σε χαμηλό φως. Αυτά τα κύτταρα είναι αόρατα κατά τη διάρκεια της κανονικής χρήσης, διατηρώντας την αισθητική του ⁇ ολογιού. Μελλοντικές εκδόσεις θα μπορούσαν να εξαλείψουν την ανάγκη για ενσύρματη φόρτιση εξ ολοκλήρου για τους χρήστες με επαρκή ημερήσια έκθεση στον ήλιο.

Έξυπνα ενδύματα και κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα

Οι μηχανικοί έχουν υφάνει εύκαμπτες ηλιακές ίνες απευθείας σε σακάκια, σακίδια, ακόμη και παπούτσια. Οι ίνες είναι κατασκευασμένες από ένα λεπτό χάλκινο σύρμα επικαλυμμένο με ένα φωτοδραστικό στρώμα perovskite και ένα διαφανές ηλεκτρόδιο. Κάθε ίνα έχει διάμετρο μόνο μερικές εκατοντάδες μικρομέτρα, αλλά μπορεί να παράγει μέχρι 10 χιλιοστά το εκατοστό. Όταν υφαίνεται σε ένα ύφασμα, ένα έμπλαστρο το μέγεθος ενός χεριού μπορεί να παράγει αρκετή δύναμη για να φορτίσει ένα smartphone ή να τρέξει ένα GPS tracker.

Ένα πρακτικό παράδειγμα είναι το ⁇ Solar Jacket ⁇ που αναπτύχθηκε από την Kaiser Research Group, το οποίο διαθέτει εύκαμπτους ηλιακούς συλλέκτες ⁇ αμμένους στους ώμους. Τα πάνελ είναι αδιάβροχα και πλυτά, αντιμετωπίζοντας τις κοινές ανησυχίες αντοχής.

Επιθέματα παρακολούθησης υγείας

Οι αισθητήρες τύπου Patch για συνεχή παρακολούθηση της γλυκόζης, καρδιακό ρυθμό, ή ΗΚΓ μπορούν τώρα να ενσωματώσουν ένα λεπτό, ευέλικτο ηλιακό κύτταρο στην κορυφή τους. Αυτό το κύτταρο μετατρέπει το φως περιβάλλοντος σε ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί τον αισθητήρα και μεταδίδει τα δεδομένα ασύρματα. Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο [[LFT:0]]Nature Electronics[[LFT:1]] έδειξε ένα επιδέξιο έμπλαστρο που συγκολλήθηκε με ένα διαφανές, τεντωμένο ηλιακό κύτταρο, επιτρέποντας την αόριστη λειτουργία χωρίς αντικατάσταση.

Αυτά τα μπαλώματα μπορούν επίσης να αποθηκεύσουν την περίσσεια ενέργειας σε ένα μικρό ενσωματωμένο υπερκαπάκιτορ, παρέχοντας δύναμη κατά τη διάρκεια του ύπνου ή όταν καλύπτεται από ρούχα.

Προκλήσεις και μελλοντικές οδηγίες

Παρά την εντυπωσιακή πρόοδο, αρκετά τεχνικά και εμπορικά εμπόδια παραμένουν πριν τα εύκαμπτα ηλιακά κύτταρα γίνουν στάνταρ σε φορητές συσκευές.

Μακροχρόνια σταθερότητα

Τα υπερόφσκιτα και τα οργανικά υλικά είναι πασίγνωστα ευαίσθητα στο οξυγόνο και την υγρασία. Ενώ οι τεχνικές εγκλωβισμού έχουν βελτιωθεί, προσθέτουν κόστος και πολυπλοκότητα. Ευέλικτα κύτταρα αντιμετωπίζουν επίσης μηχανική καταπόνηση από επαναλαμβανόμενη κάμψη, πλύσιμο και έκθεση στον ιδρώτα. Τα οργανικά κύτταρα της τρέχουσας γενιάς χάνουν συνήθως το 20-30% της αποτελεσματικότητάς τους μετά από 1.000 ώρες χρήσης σε εξωτερικούς χώρους.

Κατασκευή με κλιμακωτή δομή

Η εκτύπωση ρολών σε ρολό είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος παραγωγής χαμηλού κόστους, αλλά οι αποδόσεις παραμένουν χαμηλότερες από ό,τι για τα άκαμπτα πυρίτια. Η ανεκτικότητα σε εύκαμπτα υποστρώματα είναι πιο προκλητική και οι σταθερές επιδόσεις σε μεγάλες μονάδες εξακολουθούν να βελτιστοποιηθούν. εταιρείες όπως Oxford PV και Heliatek[ έχουν σημειώσει πρόοδο στην παραγωγή πιλοτικής κλίμακας, αλλά το κόστος ανά watt παραμένει υψηλότερο από τα συμβατικά πάνελ. Η κλιμάκωση σε εκατομμύρια μονάδες για φορητά θα απαιτήσει περαιτέρω αυτοματοποίηση και ποιοτικό έλεγχο.

Ασφάλεια και Παρηγοριά

Για τα φθαρτά, το ηλιακό κύτταρο δεν πρέπει να προκαλεί ερεθισμό του δέρματος, υπερθέρμανση ή δυσφορία.Τα περιόφκια με βάση τον μόλυβδο προκαλούν ανησυχίες τοξικότητας, αν και αναπτύσσονται εναλλακτικές λύσεις χωρίς μόλυβδο (με βάση τον κασσίτερο ή το βισμούθιο) με συγκρίσιμη απόδοση. Επιπλέον, τα κύτταρα πρέπει να παραμείνουν αναπνεύσιμα για την ενσωμάτωση των υφασμάτων, και όλα τα ηλεκτρονικά συστατικά πρέπει να εγκλωβίζονται για να αποτραπούν ο ιδρώτας ή η βροχή. Τα πρότυπα για τα φορητά ηλεκτρονικά, όπως το IEC 62321, ενημερώνονται για να καλύψουν τα ευέλικτα φωτοβολταϊκά συστατικά.

Μελλοντικές οδηγίες

Κοιτάζοντας μπροστά, η εστίαση θα μετατοπιστεί σε πολυ-συνδέσεις ευέλικτα κύτταρα που μπορούν να συλλέξουν φως σε ολόκληρο το ηλιακό φάσμα, επιτυγχάνοντας δυνητικά απόδοση άνω του 30%. Μια άλλη συναρπαστική κατεύθυνση είναι η ανάπτυξη των ⁇ υβριδικές ⁇ συλλεκτών που συνδυάζουν ευέλικτα ηλιακά κύτταρα με πιεζοηλεκτρικά ή θερμοηλεκτρικά συστατικά για να συλλάβει την ενέργεια από την κίνηση του σώματος και τη θερμότητα.

Η πρόοδος σε διαφανή και σχεδόν αόρατα ηλιακά κύτταρα θα επιτρέψει επίσης τη χρήση τους σε ενισχυμένα γυαλιά πραγματικότητας, ακουστικά βοηθήματα, και έξυπνα κοσμήματα. Ο τελικός στόχος είναι να κάνει την ενέργεια συγκομιδής ένα παθητικό, αόρατο χαρακτηριστικό των καθημερινών αντικειμένων, έτσι ώστε ο χρήστης ποτέ δεν σκέφτεται για φόρτιση και πάλι.

Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει, η συνεργασία μεταξύ επιστημόνων υλικών, μηχανικών υφασμάτων και σχεδιαστών προϊόντων θα είναι κρίσιμη. \" επόμενη δεκαετία θα δει πιθανώς ευέλικτα ηλιακά κύτταρα να γίνονται τόσο κοινά με τα ενδύματα όσο τα φερμουάρ είναι σήμερα, επιτρέποντας αθόρυβα συσκευές να τρέχουν μακρύτερα, μικρότερα και πιο βιώσιμα.