مسابقه برای توسعه دستگاه های پوشیدنی واقعاً خود قدرت در سال های اخیر به طور چشمگیری شتاب داده است، با سلول های خورشیدی سبک و انعطاف پذیر که به عنوان یک تکنولوژی سنگ بنای در حال ظهور هستند، این مواد فتوولتائیک دیگر به پانل های شیشه ای سخت محدود نیستند؛ آنها اکنون می توانند خم شوند، پرتاب و حتی کشیده شوند، باز کردن امکانات جدید برای ادغام برداشت انرژی به طور مستقیم به لباس، پچ های پزشکی و لوازم جانبی روزمره.

سلول های خورشیدی انعطاف پذیر چیست؟

سلول های خورشیدی انعطاف پذیر دستگاه های فتوولتائیک نازک هستند که می توانند با سطوح منحنی یا نامنظم بدون شکستن مطابقت داشته باشند.بر خلاف پانل های سیلیکون کریستالی سنتی که شکننده و سنگین هستند، سلول های انعطاف پذیر بر بسترهایی مانند پلاستیک، فویل فلزی یا پارچه های مکانیکی ساخته شده اند، این انطباق مکانیکی به آنها اجازه می دهد تا به منسوجات جاسازی شوند، متصل به کوله پشتی یا حتی بر روی پوست یک فرد نصب شده است که به طور موثر مواد آلی را جذب می کند، کریستال های آلی را جذب می کند، یا کریستال های نور را جذب می کند.

این سلول ها معمولا فقط چند میکرومتر ضخامت را اندازه می گیرند و به آنها دستور می دهند که اندازه های سنگین تر از پنل های معمولی باشند، به عنوان مثال، یک سلول هیدروسکیت انعطاف پذیر می تواند کمتر از 10 گرم در متر مربع وزن کند، در مقایسه با حدود 15 تا 20 کیلوگرم در متر مربع برای یک ماژول شیشه استاندارد، این کاهش وزن برای برنامه های پوشیدنی حیاتی است که در آن هر گرم مهم است.

نوآوری های تکنولوژیکی اخیر

تحقیقات در مورد سلول های خورشیدی انعطاف پذیر تشدید شده است، با آزمایشگاه های سراسر جهان به دست آوردن سوابق جدید در بهره وری، دوام و قابلیت مانور. زیر بخش ها دقیق ترین پیشرفت ها.

سلول های خورشیدی Perovskite

مواد Perovskite به دلیل جذب نور استثنایی و ساخت ساده تبدیل شده اند.در شکل انعطاف پذیر، سلول های خورشیدی Perovskite به بازده تبدیل برق بالاتر از 20٪ رسیده اند، با بسیاری از همتایان سفت و سخت خود رقابت می کنند. دانشمندان در آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر (NREL) [FLT 1] ثابت کرده اند که خم کردن ماژول های اولیه اکسیژن و همچنین خم کردن آنها بر روی 1000 روش های رطوبت متمرکز است.

نوآوری دیگر شامل استفاده از پلیمرهای خود شفابخش در لایه Perovskite است.اگر میکروکترها در طول انعطاف مکرر شکل بگیرند، این مواد می توانند به طور خودکار آسیب را تعمیر کنند، عمر عملیاتی دستگاه را به طور قابل توجهی گسترش دهند.این یکی از بزرگترین موانع برای استفاده تجاری سلول های خورشیدی انعطاف پذیر Perovskite را حل می کند.

مواد عکس ارگانیک

سلول های خورشیدی ارگانیک که از نیمه هادی های مبتنی بر کربن ساخته شده اند، به طور ذاتی انعطاف پذیر هستند و می توانند با استفاده از فرآیندهای رول به-roll چاپ شوند. تحولات اخیر کارایی آنها را بالاتر از ۱۸٪ برای دستگاه های کوچک-area افزایش داده اند، محققان همچنین پلیمرهای ارگانیک را توسعه داده اند که شفاف هستند و در هنگام جذب در طیف نزدیک مادون قرمز، این سلول های نیمه هیدروژ می توانند بر روی صورت یا لنزهای مسدود کننده چشم بدون ایجاد چشم برای تولید مداوم انرژی، مسدود شوند.

یک نقطه عطف قابل توجه توسط تیم های موجود در دانشگاه کمبریج ، که نشان داد یک سلول خورشیدی ارگانیک پارچه که می تواند یک ردیاب تناسب اندام تحت هر دو نور مستقیم نور خورشید و روشنایی داخلی را قدرت.

افزایش نانومواد

نانو مواد مانند گرافن، نانولوله های کربنی و نقاط کوانتومی[۵] برای بهبود حمل و نقل شارژ، جذب نور و انعطاف پذیری مکانیکی استفاده می شوند. الکترودهای گرافن، به عنوان مثال، هدایت عالی را ارائه می دهند در حالی که تقریباً از نظر اتمی نازک هستند، می توانند جایگزین تمیز کردن اکسیدهای شفاف مانند ITO، که شکننده و مستعد شکستن در دستگاه های انعطاف پذیر هستند، شوند.

رویکرد دیگر از نانوسیم های ساخته شده از مس یا اکسید زین برای به دام انداختن نور در داخل لایه جذب نازک استفاده می کند، به طور قابل توجهی افزایش بهره وری بدون افزایش ضخامت.این سطوح نانوساختار همچنین می تواند هیدروفوبیک برای دفع گرد و غبار و عرق، یک نیاز عملی برای پوشیدنی های مورد استفاده در محیط های فعال ساخته شده است.

برنامه های کاربردی در Wearables

ادغام سلول های خورشیدی انعطاف پذیر به پوشیدنی ها فراتر از تظاهرات آزمایشگاهی به نمونه های دنیای واقعی و محصولات تجاری اولیه است.در اینجا برخی از موثرترین برنامه ها وجود دارد:

Smartwatchs و Fitness Bands

چندین شرکت سلول های خورشیدی نازک فیلم را به صورت یا باندهای تماشا جاسازی کرده اند.برای مثال، شبکه ی انرژی خورشیدی پرو Garmin از یک فیلم خورشیدی مبتنی بر پودر شفاف استفاده می کند که عمر باتری را تا 30 درصد در شرایط فضای باز گسترش می دهد. آخرین نسل از یک سلول خورشیدی انعطاف پذیر و بسته بندی شده استفاده می کند که حتی در نور کم هزینه می کند.این سلول ها در طول استفاده طبیعی نامرئی هستند و حفظ زیبایی شناسی برای شارژ کردن نسخه های خورشیدی به طور کامل نیاز دارند.

لباس هوشمند و منسوجات

منسوجات فتوvoltaic شاید بلندپروازانه ترین برنامه های کاربردی باشد. مهندسان به طور مستقیم فیبرهای خورشیدی انعطاف پذیر را به ژاکت، کوله پشتی و حتی کفش ها بافته اند، اما فیبرها از یک سیم مسی نازک پوشیده شده با یک لایه فوتونی و یک الکترود شفاف تشکیل شده اند. هر فیبر تنها چند صد میکرومتر در قطر است، اما می تواند تا 10 میلی متر با اندازه کافی یک ردیاب یا یک پچ از سیم GPS تولید کند.

یک مثال عملی “فاشای خورشیدی” است که توسط گروه تحقیقات کارزر (FLT:1) توسعه یافته است، که دارای پنل های خورشیدی انعطاف پذیر است که به طور مداوم در شانه ها قرار دارند. پانل ها ضد آب و ماشین قابل شستشو هستند و به نگرانی های رایج دوام می پردازند.در آزمایشات میدانی، یک روز کامل اسکی انرژی کافی برای برق یک دوربین GoPro به طور مداوم تولید می کند.

نظارت بر سلامت پچ

پوشیدنی های پزشکی یک تناسب طبیعی برای سلول های خورشیدی انعطاف پذیر هستند زیرا آنها اغلب نیاز به کار دارند (برای روزها یا هفته ها بدون تعویض باتری) سنسورهای نوع پچ برای نظارت مداوم گلوکز، ضربان قلب یا ECG می توانند یک سلول خورشیدی نازک و انعطاف پذیر را در لایه بالا خود قرار دهند.این سلول نور محیط را به برق تبدیل می کند که سنسور را توانمند می کند و داده ها را به صورت بی سیم انتقال می دهد.

این پچ ها همچنین می توانند انرژی اضافی را در یک سوپر خازن کوچک ذخیره کنند، قدرت را در طول خواب یا زمانی که تحت پوشش لباس قرار می گیرند، کل مونتاژ کمتر از 2 میلی متر ضخامت دارد و با خطوط بدن بدون حرکت ضعیف مطابقت دارد.

چالش ها و مسیرهای آینده

علی رغم پیشرفت چشمگیر، چندین مانع فنی و تجاری قبل از اینکه سلول های خورشیدی انعطاف پذیر در پوشیدنی ها استاندارد شوند، باقی مانده است.

ثبات طولانی مدت

Perovskites و مواد آلی به شدت به اکسیژن و رطوبت حساس هستند در حالی که تکنیک های انقباض بهبود یافته اند، آنها هزینه و پیچیدگی را اضافه می کنند.سلول های انعطاف پذیر همچنین با استرس مکانیکی از خم شدن مکرر، شستشو و قرار گرفتن در معرض عرق، سلول های ارگانیک فعلی به طور معمول 20 تا 30 درصد از بهره وری خود را پس از 1000 ساعت استفاده در فضای باز از محققان بررسی فیلم های مانع ساخته شده از لایه اتمی و کامپوزیت های انعطاف پذیر برای افزایش انتظارات مصرف کننده (2 سال)

مقیاس پذیر تولید

چاپ رول به ثبت نام یک روش تولید کم هزینه امیدوار کننده است، اما بازده آن پایین تر از سلول های سفت و سخت سیلیکون است. تحمل در بستر های انعطاف پذیر چالش برانگیز تر است و عملکرد سازگار در سراسر ماژول های بزرگ است که هنوز هم به اندازه کافی بهینه سازی شده است.شرکت هایی مانند (FLT:0Oxford PV [F:1 و Hlia] نیاز به تولید بیشتر از پنل های پیشرفته، اما هنوز هم باتری های پیشرفته تر از آن هستند.

ایمنی و آسایش

برای پوشیدنی ها، سلول خورشیدی نباید باعث تحریک پوست، بیش از حد گرم یا ناراحتی شود. Perovskites مبتنی بر سرب نگرانی های سمیت را افزایش می دهد، اگرچه جایگزین های بدون سرب (بر اساس سیلیکون یا بر اساس Bismuth) با بهره وری قابل مقایسه توسعه می یابد، علاوه بر این، سلول ها باید برای ادغام منسوجات نفس بکشند و تمام اجزای الکترونیکی باید برای جلوگیری از مدارهای کوتاه مدت عرق یا فلزات پوشیدنی، مانند استاندارد های انعطاف پذیر، به روز رسانی IEC، به روز شوند.

مسیر های آینده

با نگاهی به جلو، تمرکز به سلول های انعطاف پذیر چند گانه ای که می توانند نور را در کل طیف خورشیدی برداشت کنند، به طور بالقوه دستیابی به ناکارآمدی بالاتر از 30٪ است. دیگر جهت هیجان انگیز توسعه "هیبردار" برداشت کنندگان که ترکیب سلول های خورشیدی انعطاف پذیر با پیزوالکتریک یا اجزای ترموالکتریک برای جذب انرژی از حرکت بدن و گرما است.

پیشرفت در سلول های خورشیدی شفاف و نزدیک قابل مشاهده نیز استفاده از آنها را در عینک واقعیت افزوده، سمعک و جواهرات هوشمند فعال می کند.هدف نهایی این است که برداشت انرژی از ویژگی های منفعل و نامرئی اقلام روزمره را انجام دهد، بنابراین کاربر هرگز در مورد شارژ دوباره فکر نمی کند.

همانطور که این تکنولوژی بالغ می شود، همکاری بین دانشمندان مواد، مهندسان نساجی و طراحان محصول بسیار مهم خواهد بود. دهه آینده احتمالاً سلول های خورشیدی انعطاف پذیر را به عنوان رایج در پوشاک می بینند زیرا زیپ امروز هستند و دستگاه های را قادر می سازد تا طولانی تر، کوچکتر و پایدار تر اجرا کنند.