Гонка за разработку действительно автономных носимых устройств резко ускорилась в последние годы, когда легкие и гибкие солнечные элементы стали краеугольной технологией. Эти фотоэлектрические материалы больше не ограничиваются жесткими стеклянными панелями; теперь они могут быть согнуты, свернуты и даже растянуты, открывая новые возможности для интеграции сбора энергии непосредственно в одежду, медицинские пластыри и повседневные аксессуары. Недавние прорывы обещают сделать носимые устройства более автономными, устойчивыми и удобными для пользователя, не жертвуя комфортом или дизайном.

Что такое гибкие солнечные батареи?

Гибкие солнечные элементы представляют собой тонкопленочные фотоэлектрические устройства, которые могут соответствовать изогнутым или нерегулярным поверхностям без разрушения. В отличие от традиционных кристаллических кремниевых панелей, которые являются хрупкими и тяжелыми, гибкие элементы построены на подложках, таких как пластик, металлическая фольга или ткань. Это механическое соответствие позволяет встраивать их в текстиль, прикреплять к рюкзакам или даже монтировать на кожу человека. Ключевой стимул - использование органических полупроводников, кристаллов перовскита или других новых материалов, которые могут эффективно поглощать свет, оставаясь гибкими.

Эти ячейки обычно измеряют толщину всего в несколько микрометров, что делает их на порядок легче, чем обычные панели. Например, гибкая ячейка перовскита может весить менее 10 граммов на квадратный метр по сравнению с примерно 15-20 кг на квадратный метр для стандартного стеклянного модуля. Это снижение веса имеет решающее значение для носимых приложений, где каждый грамм имеет значение.

Последние технологические инновации

Исследования гибких солнечных элементов активизировались, лаборатории по всему миру достигли новых рекордов по эффективности, долговечности и технологичности. В следующих подразделах подробно описаны наиболее перспективные достижения.

Перовскит-основанные солнечные элементы

Перовскитные материалы стали фокусом из-за их исключительного поглощения света и простого изготовления. В гибкой форме перовскитные солнечные элементы достигли эффективности преобразования энергии выше 20%, конкурируя со многими жесткими аналогами. Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) продемонстрировали изгибаемые модули перовскита, которые сохраняют 90% своей первоначальной эффективности после 1000 циклов изгиба. Недавние работы также были сосредоточены на методах инкапсуляции для защиты перовскитов от влаги и кислорода, двух основных факторов деградации.

Еще одно новшество предполагает использование самозаживляющихся полимеров в перовскитном слое. Если при повторном сгибании образуются микротрещины, эти материалы могут автоматически восстанавливать повреждения, значительно продлевая срок эксплуатации устройства. Это решает одно из самых больших препятствий для коммерческого внедрения гибких перовскитных солнечных элементов.

Органические фотоэлектрические материалы

Органические солнечные элементы, изготовленные из углеродных полупроводников, являются по своей сути гибкими и могут быть напечатаны с использованием процессов рулон-к-роллу. Последние разработки повысили их эффективность выше 18% для устройств малой площади. Исследователи также разработали органические полимеры, которые прозрачны для видимого света при поглощении в ближнем инфракрасном спектре. Эти полупрозрачные клетки можно ламинировать над лицами часов или линзами для очков, не мешая зрению, что делает их идеальными для непрерывной выработки электроэнергии.

Заметную веху достигли команды Кембриджского университета, которые продемонстрировали органический солнечный элемент, интегрированный в ткань, который может питать фитнес-трекер как под прямыми солнечными лучами, так и под внутренним освещением. Материал был вплетён непосредственно в ткань, устраняя необходимость в жестких разъемах.

Наноматериальные улучшения

Наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и квантовые точки, используются для улучшения переноса заряда, поглощения света и механической гибкости. Например, графеновые электроды обеспечивают отличную проводимость, будучи почти атомарно тонкими. Они могут заменить прозрачные проводящие оксиды, такие как ITO, которые являются хрупкими и склонными к растрескиванию в гибких устройствах. Исследователи из Nano Letters ACS разработали гибрид графена-перовскита, который достиг 16-процентной эффективности на гибкой полиимидной подложке с выдающейся устойчивостью к изгибу.

Другой подход использует нанопроволоки из меди или оксида цинка, чтобы улавливать свет внутри тонкого поглощающего слоя, значительно повышая эффективность без увеличения толщины. Эти наноструктурированные поверхности также могут быть гидрофобными для отражения пыли и пота, что является практическим требованием для носимых устройств, используемых в активных средах.

Приложения в Wearables

Интеграция гибких солнечных элементов в носимые устройства вышла за рамки лабораторных демонстраций в прототипы реального мира и ранние коммерческие продукты. Вот некоторые из наиболее эффективных применений:

Умные часы и фитнес-группы

Несколько компаний встроили тонкопленочные солнечные элементы в лица или полосы часов. Например, Fenix 6X Pro Solar от Garmin использует прозрачную порошковую солнечную пленку, которая продлевает срок службы батареи до 30% в условиях наружного освещения. Последнее поколение использует гибкий, обернутый солнечный элемент, который заряжается даже при слабом освещении. Эти элементы невидимы во время нормального использования, сохраняя эстетику часов. Будущие версии могут устранить необходимость проводной зарядки полностью для пользователей с адекватным ежедневным воздействием солнца.

Умная одежда и текстиль

Фотоэлектрический текстиль, пожалуй, самое амбициозное применение. Инженеры вплетали гибкие солнечные волокна непосредственно в куртки, рюкзаки и даже обувь. Волокна сделаны из тонкой медной проволоки, покрытой фотоактивным перовскитным слоем и прозрачным электродом. Каждое волокно имеет всего несколько сотен микрометров в диаметре, но при этом может генерировать до 10 милливатт в сантиметр. При вплетении в ткань пластырь размером с руку может вырабатывать достаточно энергии для зарядки смартфона или запуска GPS-трекера.

Одним из практических примеров является «Солнечная куртка», разработанная Исследовательской группой Кайзера, которая имеет гибкие солнечные панели, сшитые в плечи. Панели водонепроницаемы и машиноочистимы, что решает общие проблемы долговечности. В полевых испытаниях полный день катания на лыжах производил достаточно энергии для непрерывной работы камеры GoPro.

Мониторинг здоровья

Медицинские носимые устройства являются естественными для гибких солнечных элементов, потому что они часто должны работать в течение нескольких дней или недель без замены батареи. Датчики типа патч для непрерывного мониторинга глюкозы, частоты сердечных сокращений или ЭКГ теперь могут включать тонкий, гибкий солнечный элемент на их верхнем слое. Эта ячейка преобразует окружающий свет в электричество, которое питает датчик и передает данные по беспроводной сети. Исследование, опубликованное в Nature Electronics , продемонстрировало патч, установленный на коже, который собирал свет через прозрачный, растягиваемый солнечный элемент, позволяя бессрочную работу без замены.

Эти пластыри могут также хранить избыточную энергию в небольшом интегрированном суперконденсаторе, обеспечивая мощность во время сна или при покрытии одеждой.Вся сборка имеет толщину менее 2 мм и соответствует контурам тела без препятствования движению.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на впечатляющий прогресс, некоторые технические и коммерческие препятствия остаются, прежде чем гибкие солнечные элементы станут стандартными в носимых устройствах.

Долгосрочная стабильность

Перовскиты и органические материалы, как известно, чувствительны к кислороду и влаге. В то время как методы инкапсуляции улучшились, они добавляют стоимость и сложность. Гибкие клетки также сталкиваются с механическим стрессом от повторного изгиба, промывки и воздействия пота. Органические клетки текущего поколения обычно теряют 20-30% своей эффективности после 1000 часов использования на открытом воздухе. Исследователи изучают барьерные пленки, сделанные из осаждения атомного слоя и гибких стеклянных композитов, чтобы продлить срок службы в соответствии с ожиданиями потребителей (2+ лет).

Масштабируемое производство

Печать с рулоном является многообещающим недорогим методом производства, но урожайность остается ниже, чем для жестких кремниевых элементов. Погрешность дефектов в гибких подложках более сложна, а постоянная производительность в модулях большой площади по-прежнему оптимизируется. Такие компании, как Oxford PV и Heliatek добились успехов в пилотном производстве, но стоимость на ватт остается выше, чем у обычных панелей. Масштабирование до миллионов единиц для носимых устройств потребует дальнейшей автоматизации и прорывов в области контроля качества.

Безопасность и комфорт

Для носимых устройств солнечный элемент не должен вызывать раздражение кожи, перегрев или дискомфорт. Перовскиты на основе свинца вызывают проблемы токсичности, хотя альтернативы без свинца (на основе олова или висмута) разрабатываются с сопоставимой эффективностью. Кроме того, клетки должны оставаться пригодными для дыхания для интеграции текстиля, и все электронные компоненты должны быть инкапсулированы для предотвращения короткого замыкания от пота или дождя. Стандарты для носимой электроники, такие как IEC 62321, обновляются для покрытия гибких фотоэлектрических компонентов.

Будущие направления

Заглядывая в будущее, акцент сместится на многопереходные гибкие ячейки, которые могут собирать свет по всему солнечному спектру, потенциально достигая эффективности выше 30%. Еще одним захватывающим направлением является разработка «гибридных» комбайнов, которые объединяют гибкие солнечные элементы с пьезоэлектрическими или термоэлектрическими компонентами для захвата энергии от движения тела и тепла. Такие интегрированные системы могут сделать носимые устройства эффективно энергонезависимыми, уменьшая или устраняя необходимость в любой батарее.

Достижения в прозрачных и почти невидимых солнечных элементах также позволят использовать их в очках дополненной реальности, слуховых аппаратах и умных ювелирных изделиях.Конечная цель состоит в том, чтобы сделать сбор энергии пассивной, невидимой особенностью повседневных предметов, чтобы пользователь никогда не думал о зарядке снова.

По мере развития технологии сотрудничество между учеными-материалистами, текстильными инженерами и дизайнерами продуктов будет иметь решающее значение. В следующем десятилетии гибкие солнечные элементы станут такими же распространенными в одежде, как и молнии сегодня, что позволит устройствам работать дольше, меньше и более устойчиво.