Kilpailu kehittää todella itsetoimivia puettavat laitteet on kiihtynyt dramaattisesti viime vuosina, kevyet ja joustavat aurinkokennot ovat muodostumassa kulmakiviteknologia. Nämä aurinkosähkömateriaalit eivät enää rajoitu jäykkiin lasipaneeleihin; ne voidaan nyt taivuttaa, rullata ja jopa venyttää, avaavat uusia mahdollisuuksia integroida energiantalteenotto suoraan vaatteisiin, lääketieteen laastarit, ja jokapäiväiset tarvikkeet. Viimeaikaiset läpimurrot lupaavat tehdä pukeutumisesta itsenäisempiä, kestävämpiä ja käyttäjäystävällisiä uhraamatta mukavuutta tai muotoilua.

Mitä ovat joustavat aurinkokennot?

Joustavat aurinkokennot ovat ohuen kalvon aurinkokennoja, jotka voivat mukautua kaartuneisiin tai epäsäännöllisiin pintoihin rikkomatta. Toisin kuin perinteiset kiteisestä piistä valmistetut paneelit, jotka ovat hauraita ja raskaita, joustavia soluja, rakennetaan alustoille kuten muoville, metallifoliolle tai kankaalle. Tämän mekaanisen vaatimustenmukaisuuden ansiosta ne voidaan upottaa tekstiiliin, kiinnittää reppuihin tai jopa asentaa ihmisen iholle. Avain mahdollistaja on orgaanisten puolijohdelevyjen, perovskite-kiteiden tai muiden uusien materiaalien käyttö, jotka voivat absorboida valoa tehokkaasti ja jotka pysyvät samalla helposti.

Nämä solut mittaavat yleensä vain muutaman mikrometrin paksuutta, jolloin ne ovat suuruusluokkaa kevyempiä kuin tavanomaiset paneelit. Esimerkiksi joustava perovskite-solu voi painaa alle 10 grammaa neliömetriä kohti, kun standardilasimoduulin paino on noin 15..20 kg neliömetriä kohti. Tämä painonalennus on kriittinen kulutettavissa oleville sovelluksille, joissa jokainen gramma on tärkeä.

Viimeaikaiset teknologiset innovaatiot

Joustavien aurinkokennojen tutkimus on tehostunut, ja laboratoriot ympäri maailmaa ovat saavuttaneet uusia ennätyksiä tehokkuuden, kestävyyden ja valmistuskyvyn suhteen. Seuraavat alaluokat kertovat lupaavimmista edistysaskelista.

Perovskite-perustetut aurinkokennot

Perovskite-materiaaleista on tullut polttopiste, koska ne ovat poikkeuksellisen valon imeytymistä ja yksinkertaista valmistus. Joustavassa muodossa perovskite-aurinkokennot ovat saavuttaneet yli 20% tehonmuuntamisen tehokkuus, kilpailevat monien jäykkien vastaerien kanssa. Kansallinen uusiutuvan energian laboratorio (NREL)[] on osoittanut taivutettavissa perovskite-moduuleita, jotka säilyttävät 90% niiden alkutehosta 1000 taivutussyklin jälkeen. Viimeaikainen työ on myös keskittynyt kapselointimenetelmiin suojata perovskites kosteudelta ja hapelta, kaksi merkittävää hajoamistekijää.

Toinen innovaatio liittyy itseparannuspolymeerejä perovskite kerroksen. Jos mikrocracks muotoutuu aikana toistuva taivutus, nämä materiaalit voivat automaattisesti korjata vahinkoa, pidentää laitteen käyttöikää merkittävästi. Tämä ratkaisee yksi suurimmista esteistä kaupallisen käyttöönoton joustava perovskite aurinkokennoja.

Orgaaniset fotovoltaiset materiaalit

Hiilipohjaisista puolijohteista valmistetut orgaaniset aurinkokennot ovat luonnostaan joustavia ja ne voidaan tulostaa rullalta rullalle -prosesseilla. Viimeaikaiset kehityst ovat nostaneet tehonsa yli 18% pienalueiden laitteisiin. Tutkijat ovat myös kehittäneet orgaanisia polymeerejä, jotka ovat läpinäkyviä näkyvälle valolle samalla kun ne absorboivat lähes infrapunaspektriä. Nämä puoliavoimet solut voidaan laminoida katsella kasvoja tai silmälasilinssejä ilman näköä, jolloin ne ovat ihanteellisia jatkuvaan voimantuotantoon.

Huomattava virstanpylväs saavutettiin joukkueet Cambridgen yliopistossa[, joka osoitti kankaalla integroidun orgaanisen aurinkokennon, joka pystyi power kuntomittarin kanssa sekä suorassa auringonvalossa että sisävalaistus. Materiaali oli kudottu suoraan kankaaseen, jolloin jäykkien liittimien tarve poistui.

Nanomateriaalien parannukset

Nanomateriaaleja, kuten grafeenia, hiilinanoputkia ja kvanttipisteitä käytetään parantamaan latausta kuljetusta, valon imeytymistä ja mekaanista joustavuutta. Grafeenielektrodit esimerkiksi tarjoavat erinomaisen johtokyvyn ollessaan lähes atomisesti ohuita. Ne voivat korvata läpinäkyvät johtaminen oksidit, kuten ITO, jotka ovat hauraita ja alttiita halkeamaan joustavissa laitteissa. [ACS Nano Letters -tutkimuslaitoksen tutkijat ovat kehittäneet grafeeni-perovskite-hybridin, joka on saavuttanut 16%:n tehokkuuden joustavalla polyimidisubstraatilla, jolla on erinomainen taivutuskestävyys.

Toinen lähestymistapa käyttää kuparista tai sinkkioksidista valmistettuja nanowirejä, jotka vievät valoa ohuen vaimentavan kerroksen sisälle ja parantavat merkittävästi tehokkuutta ilman paksuuden kasvua. Nanorakenteisista pinnoista voidaan tehdä myös hydrofobisia pölyn ja hien karkottamiseksi, mikä on käytännön vaatimus aktiivisissa ympäristöissä käytettäville pukeutumistarvikkeille.

Sovellukset pukeissa

Joustavien aurinkokennojen integrointi puettavaksi on siirtynyt laboratoriodemonstraatioiden ulkopuolelle reaalimaailman prototyyppeihin ja varhaisiin kaupallisiin tuotteisiin. Tässä on joitakin vaikuttavimmista sovelluksista:

Älykellot ja kuntoiluvälineet

Useat yritykset ovat upottaneet ohutkalvoisia aurinkokennoja katsella kasvoja tai bändejä. Esimerkiksi Garmin. Garmin... Fenix 6X Pro Solar käyttää läpinäkyvää jauhepohjaista aurinkokalvoa, joka pidentää akun käyttöikää jopa 30% ulkotiloissa. Uusin sukupolvi käyttää joustavaa, kietoutuvaa aurinkokennoa, joka lataa jopa matalassa valossa. Nämä solut ovat näkymättömiä normaalin käytön aikana, säilyttäen kellon esteettisyyden. Tulevaisuuden versiot voisivat poistaa tarpeen ladata johdolla kokonaan käyttäjille riittävä päivittäinen aurinkoaltistus.

Älykkäät vaatteet ja tekstiilit

Valovoltaiset tekstiilit ovat ehkä kunnianhimoisin sovellus. Insinöörit ovat kudottuja joustavia aurinkokuituja suoraan takkeihin, reppuihin ja jopa kenkiin. Kuidut on valmistettu ohuesta kuparilangasta, joka on päällystetty valoaktiivisella perovskite-kerroksella ja läpinäkyvällä elektrodilla. Kuitu on vain muutama sata mikrometriä halkaisijaltaan, mutta voi kuitenkin tuottaa jopa 10 milliwattia senttimetriltä. Kun se on kudottu kankaaksi, käden kokoinen paikka voi tuottaa tarpeeksi tehoa ladatakseen älypuhelimen tai ajaakseen GPS-jäljitintä.

Yksi käytännön esimerkki on Kaiser Research Groupin kehittämä "Solar Jacket," jossa on joustavat aurinkopaneelit, jotka on ommeltu hartioihin. Paneelit ovat vedenpitäviä ja konepestäviä ja niissä käsitellään yhteisiä kestävyysongelmia. Kenttätesteissä kokonainen hiihtopäivä tuotti tarpeeksi energiaa GoPro-kameraa varten.

Terveystilanteen seurantapaikat

Lääketieteelliset kulumisvälineet ovat luonnollinen ratkaisu joustaville aurinkokennoille, koska niiden on usein toimittava päiviä tai viikkoja ilman akunvaihtoja. Patch-tyyppiset sensorit jatkuvaa glukoosin seurantaa, syketiheyttä tai EKG:tä varten voivat nyt sisältää ohuen, joustavan aurinkokennon niiden yläkerrokseen. Tämä solu muuntaa ympäristön valo sähköksi, joka siirtää anturin ja lähettää tietoa langattomasti. [] Luontoelektroniikassa [] julkaistu tutkimus osoitti ihoon kiinnitettävän laastarin, joka on korjattu valolla läpinäkyvän, venytettävän aurinkokennon läpi, jolloin se mahdollistaa määrittelemättömän toiminnan ilman vaihtoa.

Nämä laastarit voivat myös tallentaa liikaa energiaa pieneen integroituun superkondensaattoriin, joka antaa tehoa nukkuessa tai vaatetettaessa. Koko kokoonpano on alle 2 mm paksu ja se on kehon ääriviivojen mukainen ilman, että se estää liikkeitä.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Vaikuttavasta edistymisestä huolimatta monet tekniset ja kaupalliset esteet ovat edelleen olemassa ennen kuin joustavista aurinkokennoista tulee standardivaatteita.

Pitkäaikainen vakaus

Perovskit ja orgaaniset materiaalit ovat tunnetusti herkkiä hapelle ja kosteudelle. Vaikka kapselointitekniikat ovat parantuneet, ne lisäävät kustannuksia ja monimutkaisuutta. Joustavat solut joutuvat myös mekaaniseen stressiin toistuvasta taivutuksesta, pesusta ja hielle altistumisesta. Nykyiset luomusolut menettävät yleensä 20.30% tehokkuudestaan 1000 tunnin ulkokäytön jälkeen. Tutkijat tutkivat atomikerroksen laskeumasta ja joustavasta lasikomposiitista tehtyjä estekalvoja pidentääkseen elinikää kuluttajien odotusten mukaisesti (2+ vuotta).

Skaalautuva valmistus

Roll-to-roll-tulostus on lupaava edullinen tuotantomenetelmä, mutta tuotto on edelleen pienempi kuin jäykkien piikennojen. Joustavien substraattien viallinen sieto on haastavampaa ja yhtenäinen suorituskyky suuraluemoduuleissa on vielä optimoitu. Yritykset kuten [Oxford PV[] ja Heliatek ovat edistyneet pilottituotannossa, mutta kustannukset watin osalta ovat edelleen korkeammat kuin tavanomaiset paneelit. Miljoonat pukeutumisyksiköt vaativat lisää automaatio- ja laatu-ohjausta.

Turvallisuus ja mukavuus

Aurinkokenno ei saa aiheuttaa ihoärsytystä, ylikuumenemista tai epämukavuutta. Lyijypohjaiset perovskit aiheuttavat myrkyllisyyttä, vaikka lyijyttömiä vaihtoehtoja (tina- tai vismuttipohjaisia) kehitetäänkin tavoin. Lisäksi solujen on oltava hengittämättömiä tekstiilien integroinnin kannalta ja kaikki elektroniset komponentit on kapseloitava, jotta lyhytpiirtohikoilu tai sade estyy. Kuluvia elektroniikkalaitteita, kuten IEC 62321:tä, koskevat standardit päivitetään kattamaan joustavat aurinkosähkökomponentit.

Tulevaisuuden suunnat

Tulevaisuudessa painopiste siirtyy monijohdejoustaviin soluihin, jotka voivat kerätä valoa koko aurinkospektristä ja mahdollisesti saavuttaa tehokkuusetuja yli 30%. Toinen jännittävä suunta on sellaisten hybridien harvesterien kehittäminen, jotka yhdistävät joustavia aurinkokennoja pietsosähköisiin tai lämpövoimakomponentteihin, jotka ottavat energiaa kehon liikkeestä ja lämmöstä. Tällaiset integroidut järjestelmät voivat tehdä kulutettavaksi tehokkaasti energia-autonomia, vähentää tai poistaa minkä tahansa akun tarvetta.

Aurinkokennojen kehitys on mahdollista myös lisätyissä todellisuuslaseissa, kuulolaitteissa ja älykoruissa. Lopullisena tavoitteena on tehdä energiankorjuusta passiivinen, näkymätön ominaisuus arkisissa kohteissa, joten käyttäjä ei enää koskaan ajattele lataamista.

Kun teknologia kehittyy, materiaalitutkijoiden, tekstiili-insinöörien ja tuotesuunnittelijoiden välinen yhteistyö on ratkaisevan tärkeää. Seuraava vuosikymmen tulee todennäköisesti näkemään, että joustavat aurinkokennot tulevat yhtä yleiseksi vaatteissa kuin vetoketjut ovat nykyään, ja ne mahdollistavat hiljaa laitteiden käytön pidempään, pienemmässä ja kestävämmässä määrin.