Innovazioni in Lightweight, Tecnologie flessibili per celle solari per indossabili
La corsa allo sviluppo di dispositivi indossabili veramente autoalimentati ha accelerato notevolmente negli ultimi anni, con celle solari leggere e flessibili che si evolvono come una tecnologia di base. Questi materiali fotovoltaici non sono più limitati a pannelli di vetro rigidi; ora possono essere piegati, laminati, e anche allungati, aprendo nuove possibilità per integrare la raccolta di energia direttamente in abbigliamento, patch medici e accessori quotidiani.
Quali sono le celle solari flessibili?
Le celle solari flessibili sono dispositivi fotovoltaici a film sottile che possono essere conformi a superfici curve o irregolari senza rottura.A differenza dei tradizionali pannelli in silicio cristallino, che sono fragili e pesanti, celle flessibili sono costruite su substrati come plastica, metallo stagnola o tessuto. Questa conformità meccanica permette loro di essere incorporati in materiali tessili, attaccati a zaini, o anche montati sulla pelle di una persona.
Queste cellule misurano tipicamente solo pochi micrometri di spessore, rendendole ordini di grandezza più leggeri rispetto ai pannelli convenzionali. Ad esempio, una cella perovskite flessibile può pesare meno di 10 grammi per metro quadrato, rispetto a circa 15-20 kg per metro quadrato per un modulo di vetro standard.
Recenti innovazioni tecnologiche
La ricerca sulle celle solari flessibili si è intensificata, con laboratori in tutto il mondo che raggiungono nuovi record di efficienza, durata e manufacturability.
Celle solari a base di Perovskite
I materiali perovskite sono diventati un punto focale per il loro eccezionale assorbimento della luce e la loro semplice fabbricazione. In forma flessibile, le celle solari perovskite hanno raggiunto le efficienze di conversione di potenza superiore al 20%, rivaleggiando con molti controparti rigidi. Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory (NREL)]] hanno dimostrato i moduli di degrado di perovskite piegabili che mantengono il 90% della loro efficienza iniziale del ciclo dopo 1.000
Un'altra innovazione consiste nell'utilizzo di polimeri auto-guarigione nello strato perovskite. Se i microcracks si formano durante la flessione ripetuta, questi materiali possono riparare automaticamente il danno, prolungando significativamente la durata operativa del dispositivo, risolvendo uno dei maggiori ostacoli all'adozione commerciale di celle solari flessibili perovskite.
Materiali fotovoltaici organici
Le celle solari organiche, realizzate con semiconduttori a base di carbonio, sono intrinsecamente flessibili e possono essere stampate utilizzando processi roll-to-roll. I recenti sviluppi hanno spinto la loro efficienza superiore al 18% per i dispositivi di piccole dimensioni. I ricercatori hanno anche sviluppato polimeri organici che sono trasparenti alla luce visibile assorbendo nello spettro quasi infrarosso. Queste celle semitrasparenti possono essere laminate su visori di orologi o lenti di vetro senza ostacolare la visione, rendendole ideali per la loro continua generazione.
Una pietra miliare notevole è stata raggiunta dai team dell'Università di Cambridge[, che ha dimostrato una cellula organica integrata in tessuto che potrebbe alimentare un fitness tracker sotto la luce diretta e l'illuminazione interna. Il materiale è stato tessuto direttamente nel tessuto, eliminando la necessità di connettori rigidi.
Miglioramenti nanomateriali
I nanomateriali come il grafo, i nanotubi di carbonio e i punti quantici sono utilizzati per migliorare il trasporto di carica, l'assorbimento della luce e la flessibilità meccanica. Gli elettrodi di Graphene, ad esempio, offrono un'eccellente conducibilità, essendo quasi atomicamente sottili. Possono sostituire gli ossidi di resistenza trasparenti come l'ITO, che sono fragili e proni a rompere in dispositivi flessibili.
Un altro approccio utilizza nanofili in rame o ossido di zinco per intrappolare la luce all'interno dello strato assorbente sottile, aumentando significativamente l'efficienza senza aumentare lo spessore. Queste superfici nanostrutturate possono anche essere rese idrofobiche per respingere la polvere e il sudore, un requisito pratico per gli indossabili utilizzati in ambienti attivi.
Applicazioni in Wearables
L'integrazione delle celle solari flessibili in wearables si è spostata oltre le dimostrazioni di laboratorio in prototipi del mondo reale e prodotti commerciali primitivi.
Smartwatch e bande di fitness
Per esempio, il Fenix 6X Pro Solar di Garmin utilizza un film solare trasparente a base di polvere che estende la durata della batteria fino al 30% in condizioni esterne. L'ultima generazione utilizza una cella solare flessibile e avvolgente che carica anche in scarsa luce. Queste celle sono invisibili durante l'uso normale, preservando l'estetica dell'orologio. Le versioni future potrebbero eliminare la necessità di ricarica solare cablata interamente per gli utenti.
Abbigliamento e Tessuti intelligenti
I tessuti fotovoltaici sono forse l'applicazione più ambiziosa. Gli ingegneri hanno tessuto fibre solari flessibili direttamente in giacche, zaini e anche scarpe. Le fibre sono fatte da un filo di rame sottile rivestito con uno strato perovskite fotoattivo e un elettrodo trasparente. Ogni fibra è solo un paio di centinaia di micrometri di diametro, ma può generare fino a 10 milliwatt per centimetro.
Un esempio pratico è la "Solar Jacket" sviluppata dal [Kaiser Research Group[[], che presenta pannelli solari flessibili cuciti nelle spalle. I pannelli sono impermeabili e lavabili in lavatrice, affrontando le preoccupazioni di durata comune.
Patch di monitoraggio della salute
I sensori di tipo Patch per il monitoraggio continuo del glucosio, la frequenza cardiaca o ECG possono ora incorporare una cella solare sottile e flessibile sul loro livello superiore. Questa cella converte la luce ambientale in energia elettrica che alimenta il sensore e trasmette i dati in modalità wireless. Uno studio pubblicato in Nature Electronics[FLT-1]
Queste patch possono anche immagazzinare l'energia in eccesso in un piccolo supercondensatore integrato, fornendo potenza durante il sonno o quando coperto da abbigliamento. L'intero assemblaggio è di meno di 2 mm di spessore e si conforme ai contorni del corpo senza impedimento movimento.
Sfide e direzioni future
Nonostante i progressi notevoli, diversi ostacoli tecnici e commerciali rimangono prima che le celle solari flessibili diventino standard in wearables.
Stabilità a lungo termine
Mentre le tecniche di incapsulamento sono migliorate, aggiungono costi e complessità. Le cellule flessibili devono affrontare anche lo stress meccanico da piegatura ripetuta, lavaggio e esposizione al sudore. Le cellule organiche di generazione attuale perdono tipicamente il 20-30% della loro efficienza dopo 1.000 ore di uso esterno. I ricercatori stanno esplorando film barriera realizzati da deposizione a strati atomici e compositi in vetro flessibile per estendere le vite alle aspettative dei consumatori (2+ anni).
Produzione scalabile
La stampa a rulli è un promettente metodo di produzione a basso costo, ma i rendimenti rimangono inferiori a quelli per celle rigide in silicio. La tolleranza perfetta nei substrati flessibili è più impegnativa e le prestazioni costanti nei moduli di grandi dimensioni sono ancora in fase di ottimizzazione.
Sicurezza e comfort
Per i dispositivi indossabili, la cellula solare non deve causare irritazione, surriscaldamento o disagio. I perovskiti basati sui piombo sollevano preoccupazioni di tossicità, anche se alternative prive di piombo (basate in latino o a base di bismut) sono in fase di sviluppo con efficienza comparabile. Inoltre, le cellule devono rimanere traspiranti per l'integrazione tessile, e tutti i componenti elettronici devono essere incapsulati per evitare cortocircuiti da sudore o pioggia.
Le direzioni future
Proseguendo, il focus si sposta verso celle flessibili multi-giunti che possono raccogliere luce attraverso l'intero spettro solare, potenzialmente raggiungendo le efficienze superiori al 30%. Un'altra direzione emozionante è lo sviluppo di raccoglitori "ibridi" che combinano celle solari flessibili con componenti piezoelettrici o termoelettrici per catturare energia dal movimento e dal calore del corpo.
I progressi nelle celle solari trasparenti e quasi invisibili consentiranno anche il loro utilizzo in occhiali di realtà aumentata, apparecchi acustici e gioielli intelligenti. L'obiettivo finale è quello di rendere l'energia che raccoglie una caratteristica passiva e invisibile degli oggetti di uso quotidiano, quindi l'utente non pensa mai più di ricaricare.
La collaborazione tra scienziati materiali, ingegneri tessili e designer di prodotti sarà fondamentale, e il prossimo decennio sarà probabilmente in grado di vedere le celle solari flessibili diventare comuni nell'abbigliamento come le cerniere sono oggi, permettendo tranquillamente ai dispositivi di funzionare più a lungo, più piccolo e più sostenibile.