Solenergidrevne wearables vil snart blive mulige med nyudviklede ultratynde organiske fotovoltaiske celler

Solenergiens revolutionerende kapaciteter er allerede bevist uden tvivl. Med sin hastigt voksende succes, kombineret med teknologiske innovationer, der beriger den hver dag, og den stigende efterspørgsel efter vedvarende energi, kan det globale smarte solenergimarked overgå US$27 milliarder inden 2028 fra under US$13 milliarder i 2022.

Vækstprognoserne indikerer en fordobling af markedet, med avancerede innovationer inden for fotovoltaisk materiale, energilagring, smarte net, solenergisystemer og meget mere. Bemærkelsesværdigt er, at solenergi også gør sit indtog inden for wearables, med forskning og eksperimenter, der snart forventes at introducere solenergidrevne wearables. 

Ultra-fleksible organiske fotovoltaiske celler som en potentiel energikilde til bærbar elektronik

Ny forskning offentliggjort i Nature Communications, med titlen ‘Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion’, fremhæver de ultra-fleksible organiske fotovoltaikers strækbarhed og letvægt, hvilket gør dem til en kraftfuld energikilde for elektroniske wearables. Forskningen anerkender dog, at vandtætning af disse løsninger forbliver en udfordring, hvis deres mekaniske fleksibilitet og formbarhed skal bevares. 

Den har vist, hvordan denne udfordring kan tackles, og positionerer i bund og grund organiske fotovoltaikker som en overlegen løsning. Løsningen involverer udnyttelse af in-situ vækst af et hultransportlag for at styrke grænsefladens adhesion mellem aktivlaget og anoden. Mere specifikt tillader løsningen, at en sølv elektrode kan aflejres oven på aktivlagene. Efter aflejring følger termisk annealing. 

Forskningen finder, at in-situ metoden langt overgår den konventionelle ved at vise, at det in-situ voksede hultransportlag har overlegne termodynamiske adhæsionsegenskaber mellem de aktive lag, hvilket fører til forbedrede vandtætte egenskaber. 

I eksperimentet bevarede tre-mikrometer tykke organiske fotovoltaikker fremstillet med denne metode 89 % og 96 % af deres oprindelige ydeevne efter henholdsvis fire timers nedsænkning i vand og 300 stræk‑/frigørelsescyklusser ved 30 % strain under vand. 

Selvom disse tal bevidner deres fleksibilitet og vandtætte egenskaber, bestod enhederne problemfrit en maskinvasketest på trods af deres tynde indkapslingslag. 

Samlet set kunne eksperimentet vise, hvordan solceller kan blive vandtætte og egnet til stor‑skala drift. 

Solcellerne kan nu funktionelt integreres i tøj og forblive effektive selv efter eksponering for regn eller en vaske‑cyklus. Denne innovation er derfor særlig betydningsfuld, da den kan være værdifuld i skabelsen af bærbare elektroniske enheder, der kan fastgøres til tøj og fungere under alle slags vejrforhold. 

Mens forskerne talte om eksperimentet og uddybdede dets potentielle anvendelse, sagde Kenjiro Fukuda, en af papirens korresponderende forfattere:

“Det, vi har skabt, er en metode, der kan anvendes mere generelt. Når vi ser fremad, vil vi ved at forbedre enhedernes stabilitet i andre områder, såsom eksponering for luft, stærkt lys og mekanisk stress, videreudvikle vores ultratynde organiske solceller, så de kan bruges til virkelig praktiske wearables.” 

Mens forskere verden over er ivrige efter at gøre solceller mere anvendelige og praktisk betydningsfulde, investerer nogle virksomheder kraftigt i F&U for at udvikle skalerbare løsninger, der gavner en større befolkning. 

Klik her for at lære alt om termiske øreringe.

#1. Garmin

Garmin har udviklet en hel serie af solenergidrevne smarte wearables, som hævder at forlænge batterilevetiden til hidtil usete niveauer. Serien omfatter tre smartwatches: Fenix 7 PRO, Instinct 2 og Forerunner 955 Solar. Produkterne er designet specifikt til udendørs brug. 

Disse smartwatches kan udnytte solenergi, selv når urskiven er delvist dækket. Deres strømstyringsfunktion gør det muligt for brugeren at tilpasse energiforbruget efter behov.  

For at give konkrete tal kan uret klare udendørs ekspeditioner i op til to måneder uden at kræve en ekstra strømkilde. Derudover er løsningen grøn, da den producerer 59 % færre CO₂‑emissioner end andre ure. 

Fenix 7 Pro bruger for eksempel ultra‑gennemsigtige solpaneler. Dens slanke design kan optimere sollysabsorptionen. Instinct 2 er et solenergidrevet GPS‑smartur. Forerunner 955 er specifikt designet til løb. 

Garmin har opnået mange teknologiske vidundere i opbygningen af sine løsninger. For eksempel har deres power‑glass‑system radikalt ændret, hvordan solpanelteknologi anvendes. Det har erstattet konventionelle solpaneler med en super‑gennemsigtig glaslinse, der integrerer mikroskopiske sol‑ledende celler. Glaspanelet er ultratyndt, mindre end en halv millimeter. 

I en demonstration af teknologisk dygtighed er panelet ikke kun i stand til effektivt at indfange fotoelektricitet, men også at inkorporere Memory‑in‑piece‑display‑teknologi for at skabe en klar og læsbar skærm. Høj klarhed og lavt strømforbrug, selv i direkte sollys, gør det til en førende løsning. 

Den 21. februar 2024 annoncerede Garmin® Ltd. sine resultater for fjerde kvartal, der sluttede den 30. december 2023. Selskabet opnåede en samlet omsætning på 5,23 mia. $, en stigning på 8 % i forhold til året før. 

Det registrerede en bruttoavance på 57,5 %, sammenlignet med 57,7 % året før, og en driftsmargin på 20,9 %, sammenlignet med 21,1 % året før. Driftsresultatet var 1,09 mia. $, en stigning på 6 % i forhold til året før.

Klik her for en liste over de bedste solenergi‑aktier at investere i.

#2. Tommy Hilfiger

For Tommy Hilfiger, det globalt anerkendte mode‑ og tøjbrand, er solenergidrevne wearables ikke nye, da de allerede i 2014 introducerede en solpanel‑udstyret feltjakke. Projektet blev gennemført med hjælp fra Pvillion, en solcelleproducent. Jakken havde vandtætte solpaneler, der fungerede som bag‑coating‑foring. Disse paneler var designet til at oplade enheder via indbyggede kabler og USB‑porte. 

Ved lanceringen kostede jakken US$600. Jakken, designet af Tommy Hilfiger i samarbejde med ‘Pvilion’, tjente som inspiration. Syv år efter lanceringen, i 2021, kom forskere fra Aalto‑universitetet i Finland med et tøjbrand, der havde skjulte solpaneler. 

Projektet, kendt som Sun‑Powered Textiles, førte til udviklingen af et energiuafhængigt produkt, der kunne oplade wearables – sensorer, der måler fugtighed eller temperatur – uden at forstyrre tøjets udseende og følelse.

Mens de uddybdede deres innovations unikhed, sagde Aalto‑universitetets designforsker Elina Ilen:

“Vi lavede et demonstrations‑case, en jakke, hvor lysenergi bruges til at drive integrerede fugt‑ og temperatursensorer, med tanke på arbejdsklæder‑brugeren, der går ind og ud og udfører fysiske opgaver dagligt.” 

Disse innovationer, både fra Tommy Hilfiger og Aalto‑universitetet, er eksempler på, hvordan vores tøj kan have solpaneler på en diskret og brugervenlig måde. 

PVH Corp. (PVH ), enheden der ejer Tommy Hilfiger‑mærket, rapporterede sin 2023‑fjerde‑kvartals‑ og helårsomsætning den 1. april 2024. Helårsomsætningen steg 2 % til 9,218 mia. $, sammenlignet med året før, mens fjerde‑kvartals‑2023‑omsætningen på 2,490 mia. $ var uændret i forhold til året før. 

Klik her for at lære, hvordan solenergi kan tilbyde mere end blot ren energi.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

I august 2022 lancerede det velkendte ur‑ og smykkemærke Skagen sin bæredygtige kollektion, Grenen Solar. Designet indeholdt et 3‑hånds japansk solenergidrevet urværk for præcis tidsmåling. Det lovede også en seks‑måneders energireserve. På grund af det solenergidrevne urværk kunne brugeren oplade uret i ethvert lys, naturligt eller kunstigt. 

En af Grenen Solars specialiteter var forpligtelsen til at holde bæredygtighed i centrum af innovationskompetencen. Bæredygtighed var ikke kun i form af solenergi. Produktlanceringen var faktisk i tråd med virksomhedens vision og forpligtelse om, at deres ure skal være 100 % bæredygtige i den nærmeste fremtid. Til dette formål var 50 % af stålet i uret genanvendt rustfrit stål. Derudover indeholdt den samlede kollektion fem stilarter i en 37 mm case til en detailpris på US$195. 

I januar 2012 blev Skagen solgt til Fossil Group i en US$237 millioners transaktion. Den 13. marts 2024 offentliggjorde Fossil Group sin årsrapport for regnskabsåret 2023. I 2023 registrerede virksomheden nettoomsætning på over US$1,4 mia., et fald i forhold til 2022, hvor den havde nettoomsætning på US$1,68 mia.

Samlet set gør ovenstående produkter og løsninger det tydeligt, at solenergidrevne wearables ikke er noget nyt. Men som vi viste i begyndelsen, er innovationen omkring dem i fuld gang. Det viser vitaliteten og værdien af vedvarende energikilder og deres bæredygtighedspotentiale. Flere andre interessante innovationer er i gang, og vi vil kigge på et par af dem for at få en idé om, hvordan fremtiden ser ud.

Solenergidrevne wearables: Hvad fremtiden bringer

I 2017 præsenterede forskere designet af et bærbart smart armbånd, der brugte tynde film‑baserede, lille‑form‑faktor fleksible fotovoltaiske paneler som energikilde, hvilket markerede et betydeligt fremskridt inden for solenergi‑opsamlings‑undersystemer. Målet var at maksimere energieffektiviteten og opnå et selvforsynende trådløst wearables‑system. 

Ved at udnytte polyamidfilm til fuld‑systemintegration viste teknologien sig nyttig i langtidsmonitorering af patienter eller ældre i sundheds‑applikationer. Resultaterne var lovende, da et enkelt fleksibelt solpanel kunne indsamle op til 16 megawatt udendørs og 0,21 megawatt indendørs. Imponerende var, at data indsamlet af enheden kunne overføres via Bluetooth. 

Fortsat forskning i sundhedssektoren resulterede i udviklingen af en batterifri, solenergidrevet bærbar biosensor, der kunne udnytte det underudnyttede potentiale i sved‑biomarkører. Forskningens resultat var LumiStat, en solenergidrevet, multifunktionel wearable, der kan udføre autonom sved‑induktion, dynamisk mikrofluidisk sved‑prøvetagning, multiplex‑monitorering af sved‑biomarkører og trådløs dataoverførsel – et gennembrud inden for ikke‑invasiv sundhedsovervågning. 

At være solenergidrevet gjorde den i stand til bemærkelsesværdig ydeevne, så den kunne køre kontinuerligt i mere end 12 timer under forskellige lysforhold. Forskerne testede LumiStat grundigt, herunder en hel‑dags, tvær‑aktivitet multimodal monitorering af sved‑biomarkører. Løsningen kunne præstere konsistent på tværs af forskellige lysmiljøer og fysiske aktiviteter, med strømforbruget intelligent tilpasset den tilgængelige belysning, hvilket sikrede kontinuerlige sensormålinger.

En forskningsrapport offentliggjort af Nottingham Trent University diskuterede udviklingen af tekstiler indlejret med mere end tusind miniature solceller. Disse solceller kunne oplade smartwatches og mobiltelefoner. Sammen kunne de udnytte 400 milliwatt (watt) elektrisk energi fra solen. 

Tekstilet var egnet til hverdagsbeklædning og kunne maskinvaskes ved 40 °C sammen med andet vasketøj. Med en længde på kun fem millimeter og en bredde på 1,5 millimeter var solcellerne indlejret i en vandtæt polymerharpiks. Selv væveren kunne ikke mærke dem. 

Ifølge Dr. Hughes‑Riley fra universitetets Advanced Textiles Research Group (ATRG):

“Denne prototype giver et spændende glimt af det fremtidige potentiale for e‑tekster. Indtil nu har meget få overvejet, at deres tøj eller tekstilprodukter kunne bruges til at generere elektricitet. Materialet vi har udviklet ser ud og opfører sig som ethvert almindeligt tekstil, da det kan krølles og maskinvaskes.” 

Materialet, målt 51 cm × 27 cm, var både åndbart og kemisk stabilt. Det indeholdt silicium‑solceller. Denne konfiguration gjorde det muligt for materialet at generere en effekt på 335,3 watt ved 0,86 sollys, med kapacitet til at nå op på 394 watt, når sollysets intensitet nåede 1,0.

Tydeligt er, at med hver dag, der går, bliver mere forskning tilgængelig for offentligheden, som viser potentialet i solenergidrevne wearables. Det er i bund og grund spil‑skiftende og paradigmeskiftende. Da løsningerne er beregnet til at forblive på vores kroppe hele tiden, ændrer de måden, vi interagerer med teknologi på. De fjerner behovet for strøm‑mellemled som ladestationer. De øger vores mobilitet og evne til at udforske mere, mens vi bekymrer os mindre om, hvordan vi holder vores systemer kørende.