Cursa de a dezvolta cu adevărat dispozitive portabile auto-alimentate a accelerat dramatic în ultimii ani, cu celule solare ușoare și flexibile care apar ca o tehnologie de bază. Aceste materiale fotovoltaice nu mai sunt limitate la panouri din sticlă rigide; acestea pot fi acum îndoite, laminate, și chiar întinse, deschiderea noi posibilități de integrare a colectării de energie direct în îmbrăcăminte, patch-uri medicale, și accesorii de zi cu zi. Progresele recente promit să facă uzabile mai autonome, durabile, și ușor de utilizat, fără a sacrifica confort sau design.

Ce sunt celulele solare flexibile?

Celulele solare flexibile sunt dispozitive fotovoltaice cu film subțire care pot fi conforme cu suprafețele curbate sau neregulate fără rupere. Spre deosebire de panourile tradiționale din siliciu cristalin, care sunt fragile și grele, celulele flexibile sunt construite pe substraturi precum plastic, folie metalică sau material textil. Această conformitate mecanică le permite să fie încorporate în textile, atașate la rucsacuri, sau chiar montate pe pielea unei persoane. Activatorul cheie este utilizarea semiconductorilor organici, cristale perovskite, sau alte materiale noi care pot absorbi lumina eficient în timp ce rămân pliabile.

Aceste celule măsoară de obicei doar câțiva micrometri în grosime, ceea ce le face comenzi de magnitudine mai ușor decât panourile convenționale. De exemplu, o celulă flexibil perovskite poate cântări mai puțin de 10 grame pe metru pătrat, comparativ cu aproximativ 15 țiglă 20 kg pe metru pătrat pentru un modul standard de sticlă. Această reducere în greutate este esențială pentru aplicații purtabile în cazul în care fiecare gram contează.

Inovații tehnologice recente

Cercetarea în celule solare flexibile sa intensificat, cu laboratoare din întreaga lume obtinerea de noi recorduri în eficiență, durabilitate și manufacturabilitate. Următoarele subsecțiuni detalii cele mai promițătoare progrese.

Celule solare perovskite

Materialele perovskite au devenit un punct focal datorită absorbţiei lor excepţionale de lumină şi a fabricaţiei simple. În formă flexibilă, celulele solare perovskite au atins eficienţa conversiei energiei peste 20%, rivalizând cu multe omologi rigide. Oamenii de ştiinţă de la Laboratorul Naţional pentru Energie Regenerabilă (NREL) au demonstrat module perovskite îndoibile care păstrează 90% din eficienţa iniţială după 1.000 de cicluri de îndoire. Lucrările recente s-au concentrat, de asemenea, asupra metodelor de încapsulare pentru a proteja perovskiţii de umiditate şi oxigen, doi factori majori de degradare.

O altă inovație implică utilizarea polimeri autovindecători în stratul de perovskite. Dacă microcracks se formează în timpul flexării repetate, aceste materiale pot repara automat daunele, prelungind în mod semnificativ durata de viață operațională a dispozitivului. Aceasta rezolvă unul dintre cele mai mari obstacole în calea adoptării comerciale a celulelor solare flexibile perovskite.

Materialele fotovoltaice organice

Celulele solare organice, fabricate din semiconductori pe bază de carbon, sunt intrinsec flexibile și pot fi imprimate prin procese roll-to-roll. Evoluțiile recente au împins eficiența lor peste 18% pentru dispozitive de mică suprafață. Cercetătorii au dezvoltat polimeri organici care sunt transparenți la lumină vizibilă în timp ce absorb în spectrul aproape în infraroșu. Aceste celule semi-transparente pot fi laminate pe fețele de ceas sau lentile de ochelari fără a împiedica vederea, ceea ce le face ideale pentru generarea continuă de energie.

Un reper notabil a fost realizat de echipe la Universitatea Cambridge, care a demonstrat o celulă solară organică integrată în material textil care ar putea alimenta un tracker de fitness atât sub lumina directă a soarelui, cât și în interior. Materialul a fost țesut direct în material, eliminând nevoia de conectori rigidi.

Îmbunătăţiri nanomateriale

Nanomaterialele precum grafenul, nanotuburile de carbon și punctele cuantice sunt utilizate pentru a îmbunătăți transportul de încărcare, absorbția ușoară și flexibilitatea mecanică. Electrozi grafeni, de exemplu, oferă conductivitate excelentă în timp ce sunt aproape subțiri atomic. Ele pot înlocui oxizii conductori transparenți precum ITO, care sunt fragili și predispuși la cracarea dispozitivelor flexibile. Cercetătorii de la ACS Litere Nano au dezvoltat un hibrid grafene vinovați care a obținut o eficiență de 16% pe un substrat flexibil polistiren cu rezistență remarcabilă la îndoire.

O altă abordare utilizează nanofire din cupru sau oxid de zinc pentru a prinde lumina în interiorul stratului de absorbție subțire, sporind semnificativ eficiența fără creșterea grosimii. Aceste suprafețe nanostructurate pot fi, de asemenea, făcute hidrofobe pentru a respinge praful și sudoarea, o cerință practică pentru uzabilele utilizate în medii active.

Aplicații în purtabile

Integrarea celulelor solare flexibile în materiale portabile a trecut dincolo de demonstraţiile de laborator în prototipuri din lumea reală şi produse comerciale timpurii. Iată câteva dintre cele mai influente aplicaţii:

Ceasuri inteligente și benzi de fitness

Mai multe companii au încorporat celule solare cu film subțire în fețe sau benzi de ceas. De exemplu, Garmin țipătoare Fenix 6X Pro Solar utilizează un film solar transparent bazat pe pulbere care extinde durata de viață a bateriei cu până la 30% în condiții de exterior. Ultima generație utilizează o celulă solară flexibilă, înfășurată care se încarcă chiar și în lumină scăzută. Aceste celule sunt invizibile în timpul utilizării normale, păstrând estetica ceasului. Versiuni viitoare ar putea elimina necesitatea de încărcare cu fir în întregime pentru utilizatorii cu expunere zilnică adecvată la soare.

Îmbrăcăminte inteligentă și textile

Textilele fotovoltaice sunt probabil cea mai ambitioasa aplicatie. Inginerii au tesat fibre solare flexibile direct in jachete, rucsacuri si chiar pantofi. Fibrele sunt fabricate dintr-un fir de cupru subtire acoperit cu un strat fotoactiv de perovskite si un electrod transparent. Fiecare fibra are doar cateva sute de micrometri in diametru, dar pot genera pana la 10 miliwati pe centimetru. Cand sunt impletite intr-un material, un patch de marimea unei mâini poate produce destula putere pentru a încărca un smartphone sau poate rula un tracker GPS.

Un exemplu practic este "Jacheta Solar" dezvoltată de Kaiser Research Group, care are panouri solare flexibile cusute pe umeri.Tablourile sunt impermeabile și pot fi spălate automat, abordând preocupările comune legate de durabilitate.În testele de teren, o zi întreagă de schi a produs suficientă energie pentru a alimenta continuu o cameră GoPro.

Petice de monitorizare a sănătății

Senzorii medicali sunt o potrivire naturală pentru celulele solare flexibile, deoarece adesea trebuie să opereze zile sau săptămâni fără swap-uri pe baterii. Senzorii de tip patch pentru monitorizarea continuă a glucozei, ritmul cardiac sau ECG pot acum să încorporeze o celulă solară subțire și flexibilă pe stratul lor superior. Această celulă transformă lumina ambientală în electricitate care alimentează senzorul și transmite datele fără fir. Un studiu publicat în Nature Electronics a demonstrat un plasture montat pe piele care a recoltat lumina printr-o celulă solară transparentă, extensibilă, care permite o funcționare pe durată nedeterminată fără înlocuire.

Aceste patch-uri pot stoca, de asemenea, energie în exces într-un supercapacitor integrat mic, oferind putere în timpul somnului sau atunci când este acoperit de îmbrăcăminte. Întregul ansamblu este mai puțin de 2 mm grosime și se conformează contururilor corpului fără mișcare de împiedicare.

Provocări şi direcţii viitoare

În ciuda progreselor impresionante, mai multe obstacole tehnice și comerciale rămân înainte ca celulele solare flexibile să devină standard în ceea ce privește uzura.

Stabilitate pe termen lung

Perovskites și materiale organice sunt notoriu sensibil la oxigen și umiditate. În timp ce tehnicile de încapsulare s-au îmbunătățit, acestea adaugă costuri și complexitate. Celulele flexibile se confruntă, de asemenea, cu stres mecanic de îndoire repetată, spălare, și expunerea la sudoare. Celulele organice de generație curentă pierd de obicei 20 țiglă din eficiența lor după 1000 de ore de utilizare în aer liber. Cercetătorii explorează filme de barieră realizate din depunerea strat atomic și materiale compozite flexibile din sticlă pentru a prelungi durata de viață pentru a se potrivi așteptărilor consumatorilor (2+ ani).

Fabricarea scalabilă

Imprimarea prin role este o metodă promiţătoare de producţie ieftină, dar randamentele rămân mai mici decât pentru celulele rigide din siliciu. Toleranţa la defecte în substraturi flexibile este mai dificilă, iar performanţa consecventă în modulele din zona largă este în continuare optimizată. Companiile precum Oxford PV şi Heliatek au făcut paşi în producţia la scară mare de pilot, dar costul per watt rămâne mai mare decât panourile convenţionale. Scalarea la milioane de unităţi pentru uzabile va necesita noi progrese în ceea ce priveşte automatizarea şi controlul calităţii.

Siguranţă şi mângâiere

Pentru uzura, celula solară nu trebuie să provoace iritaţii ale pielii, supraîncălzire sau disconfort. Perovskitele bazate pe plumb ridică îngrijorări legate de toxicitate, deşi alternativele fără plumb (pe bază de tinină sau bismut) sunt dezvoltate cu eficienţă comparabilă. În plus, celulele trebuie să rămână respirabile pentru integrarea textilă, şi toate componentele electronice trebuie să fie încapsulate pentru a preveni scurtcircuitele de transpiraţie sau ploaie. Standardele pentru electronicele portabile, cum ar fi IEC 62321, sunt actualizate pentru a acoperi componentele fotovoltaice flexibile.

Direcţii viitoare

Privind înainte, accentul se va muta la celule flexibile multi-junctiv, care pot recolta lumina în întregul spectru solar, care pot atinge eficiență peste 30%. O altă direcție interesantă este dezvoltarea de "hibrid" culegătoare care combină celule solare flexibile cu componente piezoelectrice sau termoelectrice pentru a capta energie din mișcarea corpului și căldură. Astfel de sisteme integrate ar putea face uzabile eficient autonome energie, reducerea sau eliminarea necesității de orice baterie.

Progresele în celulele solare transparente și aproape invizibile vor permite, de asemenea, utilizarea lor în ochelari de realitate augmentate, aparate auditive și bijuterii inteligente. Scopul final este de a face recoltarea energiei o caracteristică pasivă, invizibilă a articolelor de zi cu zi, astfel încât utilizatorul nu se mai gândește la încărcare din nou.

Pe măsură ce tehnologia se maturizează, colaborarea dintre oamenii de ştiinţă din materiale, inginerii textile şi creatorii de produse va fi critică. Urmatorul deceniu va vedea probabil celulele solare flexibile devenind la fel de comune în îmbrăcăminte ca şi fermoarele sunt astăzi, permiţând în linişte dispozitivelor să funcţioneze mai mult, mai mici şi mai durabile.