开发真正自能的可穿戴设备的竞赛近年来急剧加快,轻量级和灵活的太阳能电池正在成为基石技术。 这些光伏材料不再局限于硬质玻璃板;现在可以弯曲、卷曲甚至拉伸,为直接将能源收获纳入服装、医疗补丁和日常配件开辟了新的可能性。 最近取得的突破有望使可穿戴性更加自主、可持续和方便用户,同时又不牺牲舒适或设计。

什么是弹性太阳能电池?

弹性太阳能电池是薄膜光伏装置,可以不破裂地与曲线或不规则表面相适应。 与传统的晶体硅板不同,这些板是脆的和重的,灵活的电池建在塑料、金属铝或织物等底物上。 这种机械合规性使其可以嵌入纺织品、附着背包甚至挂在一个人的皮肤上。 关键增强剂是使用有机半导体、穿孔晶体或其他新材料,这些材料既能有效吸收光,又能保持可伸缩。

这些细胞通常只用厚度测量几微米,使其比常规的面板轻。 比如,一个灵活的孔隙细胞每平方米的重量可低于10克,而标准玻璃模块每平方米的重量约为15-20千克。 这种减重对于每个克都重要的可穿戴应用至关重要。

最近的技术革新

弹性太阳能电池的研究已经加强,世界各地的实验室在效率、耐久性和制造能力方面都取得了新的记录。 以下各小节详细介绍了最有希望的进展。

以Perovskite为基础的太阳能电池

佩罗夫斯基特材料因其独特的光吸收和简单制造而成为了焦点。 以灵活的形式,皮罗夫斯基特太阳能电池的功率转换效率已经达到20%以上,与许多刚性对等物相匹敌。 国家可再生能源实验室[NREL]的科学家们展示了可弯曲的皮罗夫斯基特模块,这些模块在1000个弯曲周期后保持了90%的初始效率。 最近的工作还侧重于封装方法,以保护皮罗夫斯基特人免受水分和氧气这两个主要的降解因素的影响。

另一个创新涉及在孔罗夫斯基地层使用自愈聚合物。 如果微裂缝在反复的弹性过程中形成,这些材料可以自动修复损坏,大大延长设备的运行寿命。 这解决了商业上采用柔性孔罗夫斯基太阳能电池的最大障碍之一。

有机光伏材料

有机太阳能电池由碳基半导体制成,具有内在的灵活性,可以采用滚转工艺打印. 近期的发展使得小面积设备的效率提升到18%以上. 研究人员还开发了透明到可见光的有机聚合物,同时在近红外光谱中吸收这些半透明电池,这些半透明电池可以在表面或眼镜镜上进行压膜,而不会阻碍视觉,使得它们成为持续发电的理想.

剑桥大学的团队取得了一个显著的里程碑,他们展示了一个织物集成的有机太阳能电池,可以在直接阳光和室内照明下为健身跟踪器提供动力,材料直接编织在织物中,从而不再需要硬质连接器。

纳米材料增强

纳米材料如石墨、碳纳米管和量子点正在被用于改善电荷的迁移、光吸收和机械灵活性。 比如,石墨电极在几乎原子薄的同时提供了极好的导电性。 它们可以取代像ITO这样的透明导电氧化物,它们很脆,容易在弹性装置中裂解。 ACS纳米信使的研究人员开发了一种石墨-perovskite混合体,在具有突出弯曲韧性的灵活性的灵活多米底物上实现了16%的效率。

另一种方法是利用铜或氧化锌制成的纳米线将光困在薄吸收层内,在不增加厚度的情况下大大提高效率,这些纳米结构的表面也可以成为防水以驱除尘埃和汗水,这是在活动环境中使用的可穿戴设备的实际要求.

可穿戴设备中的应用程序

将灵活的太阳能电池纳入可穿戴设备已经超越实验室演示,进入了现实世界的原型和早期商业产品。

智能观察和健身乐队

几家公司将薄膜太阳能电池嵌入表面或带子。 比如,Garmin的Fenix 6X Pro Solar使用透明的粉末太阳能胶卷,在室外条件下将电池寿命延长高达30 % 。 新一代使用一个弹性的、包式的太阳能电池,即使低光也充电。 这些电池在正常使用时是看不见的,保留了表的美观。 未来的版本可以完全消除每天足够阳光照射的用户对电线充电的需求。

智能服装和纺织品

光伏纺织也许是最雄心勃勃的应用。 工程师将柔性太阳纤维直接编织成外套、背包甚至鞋子。这些纤维用薄铜线制成,上面涂有光活性过维诺夫斯基层和透明电极。 每件纤维直径只有几百微米,但可产生高达10毫瓦的微米。 当编织成织物时,手的大小可以产生足够电源,充电智能手机或运行GPS跟踪器。

一个实际例子是Kaiser研究小组开发的“Solar Jacket”,该研究小组的特点是将弹性太阳能板缝入肩部。这些板是防水的和机器可洗的,解决了常见的耐久性问题。在现场测试中,一整天的滑雪产生足够的能量,可以持续为GoPro相机提供动力。

健康监测补丁

医疗可穿戴设备是灵活太阳能电池的天然适合物,因为它们往往需要运行数天或数周而不进行电池交换。用于连续糖监测、心率或ECG的补丁型传感器现在可以在顶层装入一个薄而灵活的太阳能电池。这个电池将环境光转化为电,使传感器产生动力,并无线传输数据。在 自然电子上发表的一项研究 显示,一个皮肤上挂的补丁通过透明、可伸缩的太阳能电池来收光,可以不更换地无限期地运行。

这些补丁还可以将多余的能量存储在一个小型的集成超电容器中,在睡眠或被衣物覆盖时提供动力,整个组装厚度小于2毫米,符合身体轮廓而不妨碍运动.

挑战与未来方向

尽管取得了令人印象深刻的进展,但在灵活太阳能电池成为可穿戴设备的标准之前,仍然存在若干技术和商业障碍。

长期稳定

佩罗夫斯基特斯和有机材料对氧气和水分的敏感程度是臭名昭著的。 虽然封装技术已经改进,但增加了成本和复杂性。 弹性细胞还面临着反复弯曲、洗涤和汗水暴露带来的机械压力。 目前的生成有机细胞在室外使用1000小时后通常会损失20-30%的效率。 研究人员正在探索用原子层沉积和柔性玻璃复合材料制成的屏障薄膜,以延长寿命,与消费者的期望(2+年 ) 。

可伸缩型制造业

滚转印刷是一种有希望的低成本生产方法,但产量仍然低于硬性硅电池。灵活基底的耐受性更具有挑战性,而且大面积模块之间的一致性性能仍在优化。 Oxford PV 和[Heliatek[]等公司在试点规模生产方面已经取得了长足进展,但每瓦的成本仍然高于常规板。 扩大到数百万个单位的可磨损性需要进一步的自动化和质量控制突破。

安全和舒适

对于可穿戴物,太阳能电池不得引起皮肤刺激、过热或不适。 铅基过氧化物引起毒性担忧,尽管无铅替代品(锡基或双糖基)正在以相当的效率开发中。此外,电池必须保持可呼吸性,用于纺织整合,所有电子组件必须封装以防止短路流汗或降雨。IEC 62321等可穿戴电子产品的标准正在更新,以覆盖灵活的光电组件。

未来方向

展望未来,重点将转向多点集束软电池,这些电池可以在整个太阳光谱中收获光,有可能实现30%以上的效益。 另一个令人兴奋的方向是开发“热力”收割机,将灵活的太阳能电池与薄氮化或热电元件结合起来,从体能运动和热量中获取能量。 这种集束系统可以有效使可磨损的能自动,减少或消除任何电池的需求。

透明、近乎无形的太阳能电池的进步也将使它们得以在增强的真人眼镜、助听器和智能首饰中使用。 最终目标是使能量收集成为日常物品的被动、隐形特征,因此用户再也不会考虑充电。

随着技术的成熟,材料科学家、纺织工程师和产品设计师之间的合作将是至关重要的。 在未来十年里,灵活的太阳能电池很可能像今天的拉链一样在服装中变得常见,而这种设备则能够静静地运行更长、更小和更可持续。