Забіг для розробки дійсно самонадійних пристроїв прискорюється різко в останні роки, з легковагою та гнучкими сонячними клітинами, що виявляються як кутова технологія. Ці фотоелектричні матеріали більше не обмежуються жорсткою скляною панелями, вони тепер можуть бути згини, прокатні та навіть розтягнуті, відкриваючи нові можливості для інтеграції енергозберігаючих безпосередньо в одяг, медичні патчі та повсякденні аксесуари. Останні прориви обіцяє зробити зносостійкі більш автономні, стійкі, і зручні без самознижувальних затишних затишних речей або дизайну.

Які гнучкі сонячні клітини?

Гнучкі сонячні клітини є тонко-фільними фотоелектричними пристроями, які можуть конформувати вигнуті або нерівні поверхні без розриву. На відміну від традиційних кристалічних панелей кремнію, які є крихкими і важкими, гнучкими клітинами будуються на підкладках, таких як пластик, металева фольга або тканина. Ця механічна відповідність дозволяє їх вставляти в текстиль, прикріплені до рюкзаків, або навіть монтуються на шкірі людини. Ключовим увімкненням є використання органічних напівпровідників, перовських кристалів або інших нових матеріалів, які можуть поглинати світло ефективно, залишаючись відчутними.

Ці клітини зазвичай вимірюють лише кілька мікрометрів у товщині, що робить їх замовленням на величину світліше, ніж звичайні панелі. Наприклад, гнучка перовковий елемент може зважати менше 10 грам на квадратний метр, порівняно з 15-20 кг на квадратний метр для стандартного скла модуля. Це зниження ваги є критичним для зносних додатків, де кожен грам має значення.

Останні технологічні інновації

Дослідження в гнучкі сонячні клітини посилюється, з лабораторіями по всьому світу, що досягають нових записів в ефективності, довговічності та маневреності. Наступні підрозділи детально про найбільш перспективні досягнення.

Перовські сонячні клітини

Перовські матеріали стали осередком, що стосується їх виняткового поглинання світла та простого виготовлення. У гнучкій формі перовські сонячні клітини досягали ефективності перетворення енергії над 20%, які змагаються багатьох жорстких аналогів. Вчені на Національна лабораторія відновлюваної енергії (NREL) показали вигнуті перовські модулі, які зберігають 90% від початкової ефективності після 1,000 циклів вигину. Останні роботи також зосереджені на методах анакопуляції для захисту перовськихіт від вологи та кисню, два основні фактори деградації.

Ще одна нова нова інновація передбачає використання самозбиральних полімерів в перовському шарі. Якщо мікрокраки утворюються при повторному гнучкні, ці матеріали можуть автоматично ремонтувати пошкодження, істотно розширити термін експлуатації пристрою. Це вирішує одну з найбільших перешкод для комерційного прийняття гнучких перовських сонячних батарей.

Органічні фотоелектричні матеріали

Органічні сонячні клітини, виготовлені з вуглецевих напівпровідників, є внутрішньоінтривалими гнучкими і можуть бути надруковані за допомогою рулонних процесів. Останні розробки виштовхували свою ефективність над 18% для малозабезпечених пристроїв. Дослідники також розробили органічні полімери, які прозорі для видимого світла, в той час як поглинаючі в ближньому інфрачервоному спектрі. Ці напівпрозорі клітини можуть бути ламіновані над годинниковими обличчями або окулярними лінзами без обстрункування зору, що робить їх ідеальними для безперервної генерації енергії.

Університет Кембриджа , який продемонстрував тканинно-інтегровану органічну сонячну клітинку, яка може працювати на тренажері під прямим сонячним світлом і кімнатним освітленням. Матеріал був тканий безпосередньо в тканину, що виключає необхідність жорстких роз'ємів.

Наноматеріали підвищення

Наноматеріали, такі як графен, вуглецеві нанотрубки, і квантові точки використовуються для поліпшення зарядного транспорту, поглинання світла і механічної гнучкості. Graphene електроди, наприклад, пропонують відмінну провідність при майже анатомічно тонких. Вони можуть замінити прозорі оксиди, як ITO, які ламкі і схильні до розтріскування в гнучких пристроях. Дослідники ACS Nano Letters розробили графен-перовскіт гібрид, який досяг 16% ефективності на гнучкій поліамідній субстраті з видатною стійкістю згину.

Ще один підхід використовує нанопровідини, виготовлені з оксиду цинку, щоб захопити світло всередині тонкого поглинаючого шару, значно підвищуючи ефективність без збільшення товщини. Ці наноструктуровані поверхні також можуть бути зроблені гідрофобні для відбиття пилу і поту, практична вимога до зносних речовин, що використовуються в активних середовищах.

Застосування в зносних умовах

Інтеграція гнучких сонячних батарей в носій перекрила за лабораторією, що переходить на реальні прототипи світу та ранньої комерційної продукції. Тут є деякі найбільш ударні програми:

Смартwatches і Фітнес-блонди

Кілька компаній вбудовуються тонко-фільмові сонячні батареї на годинникові обличчя або смуги. Наприклад, Fenix Garmin 6X Pro Solar використовує прозору сонячну плівку, яка розширює термін служби батареї до 30% в умовах зовнішнього вигляду. Останнє покоління використовує гнучку, обмотучу сонячну клітинку, яка заряджається навіть в низькому світлі. Ці клітини невидимі при нормальному використанні, зберігаючи естетичність годинника. Варіанти майбутнього можуть повністю виключити необхідність занурення зарядки для користувачів з достатнім щоденним сонцем впливу.

Розумний одяг та текстиль

Фотоелектричні тексти, можливо, найбільш амбітне застосування. Інженери мають ткані гнучкі сонячні волокна безпосередньо в куртки, рюкзаки і навіть взуття. Волокно виготовляються з тонкого мідного дроту, покритого фотоактивним перовситним шаром і прозорим електродом. Кожен клітковина є лише кількома сотними мікрометрами в діаметрі, але може генерувати до 10 міліватів на сантиметр. При тканому в тканину розмір руки може виробляти достатню потужність для заряджання смартфона або запустити GPS трекер.

Один практичний приклад - "Сонячний куртка" розроблений Кайзер Науково-дослідна група , яка має гнучкі сонячні панелі, зшиті в плечі. Панелі водонепроникні і машино-миття, що звертаються до проблем з загальною міцністю. У польових випробуваннях, повний день катання виробляв достатню кількість енергії для живлення камери GoPro безперервно.

Патчі для моніторингу здоров'я

Медичні зносні засоби є природним придатним для гнучких сонячних батарей, оскільки вони часто повинні працювати протягом днів або тижнів без акумуляторних застібків. Датчики Patch-типу для безперервного моніторингу глюкози, частоти серцевих скорочень або ECG тепер можуть включати тонку, гнучку сонячну клітинку на їх верхній шар. Ця клітина перетворює навколишнього світла в електрику, яка працює датчик і передає дані бездротово. Дослідження опубліковано в Натура електроніка] показали патч, який збираються світло через прозорий, розтяговий сонячний елемент, що дозволяє невизначену операцію без заміни.

Ці патчі також можуть зберігати надлишок енергії в невеликому інтегрованому суперконденсаторі, забезпечуючи живлення під час сну або при покритті одягом. Вся збірка менше 2 мм товста і відповідає контурам тіла без накладання руху.

Виклики та перспективи

Незважаючи на вражаючий прогрес, кілька технічних і комерційних шортів залишаються перед гнучкими сонячними клітинами стають стандартними в носінні.

Довготривала стабільність

Перовськіт і органічні матеріали неорічно чутливі до кисню та вологи. У той час як методики акапульації покращилися, вони додають вартість та складність. Гнучкі клітини також стикаються з механічними навантаженнями від багаторазового згину, миття та впливу поту. Сучасні органічні клітини покоління зазвичай втрачають 20–30% їх ефективності після 1,000 годин зовнішнього використання. Дослідники досліджують бар'єрні плівки, виготовлені з атомного шару та гнучкі скляні композити для продовження термінів, щоб відповідати споживчим очікуванням (2+ років).

Скальмарне виробництво

Roll-to-roll друку є перспективним низько-конструкційним способом виробництва, але врожайності залишаються меншими, ніж для жорстких кремнієвих клітин. Недопускність гнучких підкладок є більш складним, і послідовна продуктивність по модулях великих розмірів все ще оптимізована. Компанії, такі як Oxford PV] і Heliatek зробили паси в пілотному виробництві, але вартість за Вт залишається вище звичайних панелей. Скалькулювання мільйонів одиниць для носіїв, буде вимагати подальшої автоматизації та контролю якості.

Безпека та комфорт

Для зносних, сонячна клітинка не повинна викликати роздратування шкіри, перегрів або дискомфорт. Провідні перовські рослини підвищують токсичність, хоча без свинцевих альтернатив (на основі або на основі бісмута) розроблені з помірною ефективністю. Крім того, клітини повинні залишатися дихаючими для текстильної інтеграції, і всі електронні компоненти повинні бути інкапсульовані, щоб запобігти коротким замиканням від поту або дощу. Стандарти для зносних електроніки, таких як IEC 62321, оновлюються для покриття гнучких фотоелектричних компонентів.

Майбутні напрямки

Намагайтеся, фокус буде переходити на багатофункціональні гнучкі клітини, які можуть збиратися по всій сонячній спектрі, потенційно досягаючи ефективності вище 30%. Ще одним захоплюючим напрямком є розробка "гібридних" зернових комбайнів, які об'єднують гнучкі сонячні клітини з пирогелектричними або термоелектричними компонентами для захоплення енергії з руху тіла і тепла. Такі інтегровані системи можуть зробити зносні ефективно енергозберігаючі, зменшуючи або усунути необхідність будь-якої батареї.

Передові досягнення в прозорих і ближньовидимих сонячних клітин також дозволять їх використовувати в доповнених реальних келихах, слухових апаратах і смарт-обчисленні. Кінцева мета полягає в тому, щоб зробити збирання енергії пасивним, невидимимимим функціям повсякденних предметів, тому користувач ніколи не замислюється про зарядку знову.

Як технології зрілі, співпраця між матеріалами, текстильними інженерами, і дизайнерами продуктів буде критично. Наступного десятиліття, ймовірно, будуть бачити гнучкі сонячні клітини, як правило, в аппараті, як блискавки, сьогодні, тихо дозволяючи пристрою працювати довше, меншими і більш стійкими.