本当に自己動力を与えられた身につけられる装置を開発する競争は最近加速しました、そして角質の技術として新しく進んだライト級選手および適用範囲が広い太陽電池。これらの光起電材料は堅いガラス パネルにもはや限られません;それらは今曲がる、転がらせ、そしてまた更に伸ばされた、衣類、医学のパッチおよび毎日の付属品に直接エネルギー収穫を積む統合するための新しい可能性を開けます。最近の進歩は身につけられるよりオートノマイズを、可能にし、そしてユーザー フレンドリー、そして快適設計しないでしようか、または慰めをすることを約束します。

フレキシブルな太陽電池とは?

適用範囲が広い太陽電池は壊れないで曲げられたか不規則な表面に合わせることができる薄膜の光起電装置です。 ブリトルで重く、適用範囲が広い細胞である従来の結晶のケイ素のパネルとは違って、プラスチック、金属ホイル、または生地のような基質で造られます。 この機械的承諾はそれらが織物に埋め込まれる、または人の皮に取付けられていて。 主有効化装置は有機性半導体、perovskiteの水晶または他の新しい材料の使用です間、または効果的にplableが残せることができる残ります。

これらのセルは、通常、厚さのマイクロメートルだけを測定し、従来のパネルよりも大きさのライターの注文をします。例えば、フレキシブルなパーフスキットセルは、標準的なガラスモジュールの1平方メートルあたり約15〜20 kgと比較して、1平方メートルあたり10グラム未満の重量を量ることができます。この重量削減は、すべてのグラムの問題が、ウェアラブルなアプリケーションにとって重要です。

最近の技術イノベーション

フレキシブルな太陽電池の研究は、効率性、耐久性、製造性の新しいレコードを達成する世界中の研究所で、強化された。次のサブセクションでは、最も有望な進歩が詳細に示されています。

Perovskite ベースの太陽電池

Perovskite材料は、その例外的な光吸収と簡単な製作のために焦点ポイントになりました。 柔軟な形で、perovskite太陽電池は20%を超える電力変換効率に達し、多くの硬い対向を乗り越えています。 ]の科学者たちは、国立再生可能エネルギー研究所(NREL)は、1,000回の曲げサイクル後に90%の初期効率を保持する実証可能なパーホフスキートモジュールを持っています。 最近の作業は、腐食防止の要因に重点を集中しています。

もう一つの革新は、perovskite層の自己ヒーリングポリマーを使用して関与しています。 マイクロクラックが繰り返された屈曲の間に形成された場合、これらの材料は、デバイスの運用寿命を著しく拡張し、自動的に損傷を修復することができます。 これは、フレキシブルなパーフスキット太陽電池の商用採用に最大の障害の1を解決します。

有機性光起電材料

カーボンベースの半導体から作られた有機太陽電池は、本質的に柔軟でロールツーロールプロセスを使用して印刷することができます。最近の開発は、小型の装置のために18%以上の効率を押しました。研究者はまた、近赤外線スペクトルで吸収しながら、可視光に透明である有機ポリマーを開発しています。これらの半透明セルは、視野を妨げずに時計面や眼鏡レンズに積層することができ、それらを連続発電に理想的にすることができます。

注目すべきマイルストーンは、直射日光と室内照明の両下でフィットネストラッカーを出力できる布地一体型有機太陽電池を実証したケンブリッジ大学のチームによって達成されました。材料は、直接布地に織られ、硬質コネクタの必要性を排除しました。

ナノ材料の強化

グラフェン、カーボンナノチューブ、量子ドットなどのナノマテリアルは、充電輸送、光吸収、機械的柔軟性を向上させるために使用されています。 グラフェン電極は、例えば、ほぼ原子間薄くなっている間、優れた導電性を提供します。 彼らは、脆性で柔軟なデバイスで割れる傾向があるITOのような透明な導電性酸化物を交換することができます。 ]]ACSナノレターは、優れた有機化合物を16%〜6%に開発しました。

もう一つのアプローチは、銅または酸化亜鉛で作られたナノワイヤを使用して、薄い吸収層内の光をトラップし、大幅に増加厚さなしで効率を向上します。 これらのナノ構造表面は、埃や汗をかくために疎水性を作ることができます。, アクティブな環境で使用されるウェアラブルのための実用的な要件.

ウェアラブルのアプリケーション

フレキシブルな太陽電池をウェアラブルに統合することで、実験の実証を現実のプロトタイプや初期の商用製品に移行しました。 以下は、最もインパクトのあるアプリケーションのいくつかです。

スマートウォッチとフィットネスバンド

いくつかの企業は、薄膜太陽電池を時計面やバンドに埋め込んでいます。例えば、GarminのFenix 6X Pro Solarは、屋外の条件で最大30%のバッテリー寿命を延ばす透明な粉末ベースのソーラーフィルムを使用しています。最新の世代は、低光であっても充電できる柔軟性、ララウンド太陽電池を使用しています。これらのセルは、通常の使用中に見えない、時計の美的を維持します。将来のバージョンは、十分な毎日の太陽曝露を持つユーザーのために、ワイヤリングされた充電の必要性を排除することができます。

スマートウェアとテキスタイル

太陽光発電織物は、おそらく最も野心的なアプリケーションです。 エンジニアは、ジャケット、バックパック、さらには靴に直接柔軟なソーラーファイバーを織っています。 繊維は、光アクティブペロフスキート層と透明な電極でコーティングされた薄い銅線から作られています。 各繊維は直径わずか数百マイクロメートルであり、それでもセンチメートルあたり最大10ミリワットの生成が可能です。 布に編まれたとき、手のサイズはスマートフォンやGPSトラッカーを充電するのに十分な電力を作り出すことができます。

一つの実用的な例は、【]]によって開発された「Solar Jacket」です。 通路研究グループ]は、ショルダーに縫い付けられたフレキシブルなソーラーパネルを備えています。 パネルは防水性と機械式で洗濯できるため、一般的な耐久性の問題に対処します。 フィールドテストでは、GoProカメラを継続的に電力供給するのに十分なエネルギーを生産したフルデイのスキー。

健康監視パッチ

医療用ウェアラブルは、バッテリー交換なしで数日間または数週間にわたって動作する必要があるため、フレキシブルな太陽電池に適した天然です。連続グルコースモニタリング、心拍数、またはECG用のパッチタイプのセンサーは、トップレイヤーに薄くて柔軟な太陽電池を組み込むことができます。このセルは、周囲の光を電力に変換し、センサーを電力化し、データをワイヤレスで送信します。Nature Electronicsで公開された研究は、透明な皮膚を拡張できる限り、透明な細胞を修復できるので、太陽光を透過性に変えます。

これらのパッチは、小さな統合されたスーパーキャパシタに過剰なエネルギーを格納することもできます。睡眠中に電力を供給したり、衣類で覆われたとき。 アセンブリ全体が2 mm未満で、運動を妨げずに体輪郭に合わせます。

チャレンジと未来の方向性

印象的な進歩にもかかわらず、いくつかの技術的および商業ハードルは、フレキシブルな太陽電池がウェアラブルで標準になる前に残っています。

長期安定性

プレフスキットと有機材料は、酸素と湿気に悪意のある敏感です。カプセル化技術が改善された間、それらはコストと複雑さを追加します。フレキシブルセルは、繰り返し曲げ、洗浄、および汗への曝露から機械的ストレスに直面しています。 現在の生成有機細胞は通常、1,000時間の屋外使用後に、その効率の20〜30%を失います。研究者は、原子層堆積および柔軟なガラス複合材料から作られたバリアフィルムを探索して、消費者の期待に合わせるために寿命を延ばします(2 +年)。

スケーラブルな製造

ロールツーロール印刷は、低コストの生産方法でありながら、リジットシリコンセルよりも歩留まりが低い。フレキシブル基板の欠陥耐性は、より困難であり、大面積モジュールの一貫した性能が最適化されています。 ]]:オックスフォードPV]と]Heliatekは、パイロットスケール生産で stridesをしましたが、従来のSWのスケールよりも高価なコストを削減します。

安全・快適性

ウェアラブルでは、太陽電池は皮膚の刺激、過熱、または不快感を引き起こしてはいけません。鉛ベースのperovskitesは毒性の懸念を上げます。鉛フリーの代替(tin ベースのまたはビスマスベースの)は、同等の効率で開発されているわけではありません。さらに、細胞は繊維統合のために通気性を維持し、すべての電子機器コンポーネントは、汗や雨から短絡を防ぐようにカプセル化されなければなりません。ウェアラブルエレクトロニクスの規格は、IEC 62 をフレキシブルに更新するなど、柔軟に光学部品をカバーします。

今後の方向性

先に見て、焦点は、太陽スペクトル全体に光を収穫できるマルチジャンクションフレキシブルセルにシフトし、30%以上の効率性を達成する可能性があります。 もう1つのエキサイティングな方向は、柔軟な太陽電池と圧電または熱電コンポーネントを組み合わせた「ハイブリッド」収穫機の開発で、身体の動きや熱からエネルギーをキャプチャします。 そのような統合システムは、任意のバッテリーの必要性を効果的にエネルギー自動で減らしたり、排除したりすることができます。

透明で目に見えない太陽電池で進歩することで、拡張現実のメガネ、補聴器、スマートジュエリーでの使用も可能になります。究極の目標は、日常的なアイテムの受動的な、見えない機能の収穫をエネルギーにすることです。そのため、ユーザーは再び充電について考えることはありません。

テクノロジーが成熟するにつれて、材料科学者、織物工学、製品デザイナーとのコラボレーションが重要になります。 次の10年間では、フレキシブルな太陽電池が今日のジッパーとしてアパレルで共通化されていること、デバイスが長く、より小さく、より持続可能にできるようにする可能性があると思われます。