Solarbetriebene Wearables werden bald mit neu entwickelten ultradünnen organischen Photovoltaikzellen realisierbar sein

Die revolutionären Fähigkeiten der Solarenergie sind bereits zweifelsfrei bewiesen. Mit ihrem wachsenden Erfolg, verbunden mit täglichen technologischen Innovationen und der steigenden Nachfrage nach erneuerbarer Energie, könnte der globale Markt für intelligente Solarenergie bis 2028 US$27 Milliarden übertreffen von unter US$13 Milliarden im Jahr 2022.

Die Wachstumsprognosen deuten auf eine Verdopplung des Marktes hin, wobei hochmoderne Innovationen in photovoltaischen Materialien, Energiespeicherung, intelligenten Netzen, Solarsystemen und vielem mehr zu beobachten sind. Bemerkenswerterweise hinterlässt Solarenergie auch im Bereich der Wearables ihre Spuren, wobei Forschung und Experimente bald solarbetriebene Wearables einführen werden. 

Ultra-flexible organische Photovoltaik als potenzielle Energiequelle für tragbare Elektronik

Neue Forschung, veröffentlicht in Nature Communications unter dem Titel „Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion“, hebt die Dehnbarkeit und das geringe Gewicht der ultra‑flexiblen organischen Photovoltaik hervor, wodurch sie zu einer leistungsstarken Energiequelle für elektronische Wearables werden. Die Forschung erkennt jedoch an, dass die Wasserabdichtung dieser Lösungen eine Herausforderung bleibt, wenn ihre mechanische Flexibilität und Konformität unverändert bleiben sollen. 

Sie zeigt, wie diese Herausforderung angegangen werden kann, indem organische Photovoltaik als überlegene Lösung positioniert wird. Die Lösung nutzt das In‑Situ‑Wachstum einer Loch‑Transport‑Schicht, um die Grenzflächenhaftung zwischen der Aktivitätsschicht und der Anode zu stärken. Konkret ermöglicht die Lösung, dass eine Silberelektrode auf den Aktivitätsschichten abgeschieden wird. Die Abscheidung wird von einer thermischen Nachbehandlung gefolgt. 

Die Forschung stellt fest, dass die In‑Situ‑Methode die konventionelle bei weitem übertrifft, indem gezeigt wird, dass die in‑situ‑gezüchtete Loch‑Transport‑Schicht überlegene thermodynamische Haftungseigenschaften zwischen den aktiven Schichten besitzt, was zu verbesserten Wasserabdichtungseigenschaften führt. 

Im Experiment behielten drei Mikrometer dicke organische Photovoltaik, die mit dieser Methode gefertigt wurden, 89 % bzw. 96 % ihrer ursprünglichen Leistung bei, selbst nach vier Stunden Wassereintauchen und 300 Dehn‑/Freigabe‑Zyklen bei 30 % Dehnung unter Wasser. 

Während diese Zahlen ein Zeugnis ihrer Flexibilität und Wasserabdichtung ablegten, bestanden die Geräte einen Maschinenwaschtest problemlos, trotz ihrer dünnen Verkapselungsschicht. 

Insgesamt konnte das Experiment zeigen, wie Solarzellen wasserfest und für groß‑skalierte Anwendungen geeignet werden können. 

Die Solarzellen können nun funktional in Kleidung integriert werden und bleiben selbst nach Regen oder einem Waschgang wirksam. Diese Innovation ist daher besonders bedeutend, weil sie wertvoll für die Schaffung tragbarer elektronischer Geräte sein könnte, die an Kleidung angebracht werden und unter allen Wetterbedingungen funktionieren. 

Im Gespräch über das Experiment und bei der Erläuterung seines potenziellen Nutzens sagte Kenjiro Fukuda, einer der korrespondierenden Autoren des Papiers, folgendes:

„Was wir geschaffen haben, ist eine Methode, die allgemein anwendbar ist. Blickend in die Zukunft wollen wir durch Verbesserung der Stabilität von Geräten in anderen Bereichen, wie Luft‑, starker Licht‑ und mechanischer Belastung, unsere ultradünnen organischen Solarzellen weiterentwickeln, damit sie für wirklich praktische Wearables verwendet werden können.“

Während Forscher weltweit bestrebt sind, Solarzellen nutzbarer und praktisch bedeutender zu machen, investieren einige Unternehmen stark in F&E, um skalierbare Lösungen zu entwickeln, die einer größeren Bevölkerung zugutekommen. 

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#1. Garmin

Garmin hat eine komplette Reihe solarbetriebener Smart‑Wearables entwickelt, die behaupten, die Batterielaufzeit auf beispiellose Werte zu verlängern. Die Palette umfasst drei Smartwatches: Fenix 7 PRO, Instinct 2 und Forerunner 955 Solar. Die Produkte wurden speziell für den Außeneinsatz konzipiert. 

Diese Smartwatches können Solarenergie nutzen, selbst wenn das Zifferblatt teilweise verdeckt ist. Ihre Power‑Manager‑Funktion ermöglicht es dem Nutzer, den Energieverbrauch nach Bedarf anzupassen und zu individualisieren.  

Konkret kann die Uhr Outdoor‑Expeditionen von bis zu zwei Monaten ohne zusätzliche Energiequelle bewältigen. Darüber hinaus ist die Lösung umweltfreundlich, da sie 59 % weniger CO₂‑Emissionen erzeugt als andere Uhren. 

Der Fenix 7 Pro nutzt beispielsweise ultra‑transparente Solarpanels. Sein schlankes Design optimiert die Sonnenlichtabsorption. Der Instinct 2 ist eine solarbetriebene GPS‑Smartwatch. Der Forerunner 955 ist speziell für das Laufen konzipiert. 

Garmin hat zahlreiche technologische Wunderwerke bei der Entwicklung seiner Lösungen erzielt. Beispielsweise hat das Power‑Glass‑System die Nutzung von Solarpanel‑Technologie radikal verändert. Es ersetzte herkömmliche Solarpanels durch eine super‑transparente Glaslinse, die mikroskopische solarleitende Zellen integriert. Das Glaspanel ist ultradünn, weniger als ein halber Millimeter. 

In einer Demonstration technologischer Leistungsfähigkeit kann das Panel nicht nur Photoelektrizität effektiv einfangen, sondern integriert auch Memory‑in‑Piece‑Display‑Technologie, um einen klaren und lesbaren Bildschirm zu erzeugen. Hohe Klarheit und geringer Stromverbrauch, selbst bei direktem Sonnenlicht, machen es zum Klassenbeste. 

Am 21. Februar 2024 kündigte Garmin® Ltd. seine Ergebnisse für das vierte Quartal, das am 30. Dezember 2023 endete, an. Das Unternehmen erzielte einen konsolidierten Umsatz von 5,23 Milliarden $, ein Anstieg von 8 % gegenüber dem Vorjahr. 

Es verzeichnete eine Bruttomarge von 57,5 %, verglichen mit 57,7 % im Vorjahr, und eine operative Marge von 20,9 %, verglichen mit 21,1 % im Vorjahr. Das operative Ergebnis betrug 1,09 Milliarden $, ein Anstieg von 6 % gegenüber dem Vorjahr.

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#2. Tommy Hilfiger

Für Tommy Hilfiger, die weltweit anerkannte Mode‑ und Bekleidungsmarke, sind solarbetriebene Wearables nichts Neues; bereits 2014 wurde eine solarpanel‑ausgestattete Feldjacke eingeführt. Die Umsetzung erfolgte mit Hilfe von Pvillion, einem Solarmodul‑Hersteller. Die Jacke verfügte über wasserdichte Solarpanels, die als Rückseiten‑Futter dienten und Geräte über integrierte Kabel und USB‑Ports aufladen konnten. 

Zum Zeitpunkt ihrer Markteinführung wurde die Jacke für US$600 verkauft. Die von Tommy Hilfiger in Zusammenarbeit mit „Pvilion“ entworfene Jacke diente als Inspiration. Sieben Jahre nach dem Launch, im Jahr 2021, entwickelten Design‑ und Physik‑Forscher der Aalto‑Universität in Finnland ein Bekleidungslabel mit versteckten Solarpanels. 

Das Projekt, bekannt als Sun‑Powered Textiles, führte zur Entwicklung eines energieautonomen Produkts, das tragbare Geräte – Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit oder Temperatur – aufladen kann, ohne das Aussehen und das Tragegefühl des Kleidungsstücks zu beeinträchtigen.

Während sie die Einzigartigkeit ihrer Innovation erläuterten, sagte die Designforscherin der Aalto‑Universität, Elina Ilen:

„Wir haben ein Demonstrationsbeispiel, eine Jacke, geschaffen, bei der Lichtenergie zur Stromversorgung integrierter Feuchtigkeits‑ und Temperatursensoren verwendet wird, mit Blick auf den Arbeitskleidungs‑Nutzer, der täglich ein- und ausgeht und körperliche Aufgaben erledigt.“

Diese Innovationen von Tommy Hilfiger und der Aalto‑Universität zeigen, wie unsere Kleidung Solarzellen auf verdeckte und benutzerfreundliche Weise integrieren könnte. 

PVH Corp. (PVH ), das Unternehmen, dem die Marke Tommy Hilfiger gehört, meldete am 1. April 2024 seine Umsätze für das vierte Quartal 2023 sowie das Gesamtjahr. Der Jahresumsatz stieg um 2 % auf 9,218 Milliarden $, verglichen mit dem Vorjahr, während der Umsatz des vierten Quartals 2023 von 2,490 Milliarden $ im Wesentlichen unverändert gegenüber dem Vorjahr blieb. 

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#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

Im August 2022 brachte die bekannte Uhren‑ und Schmuckmarke Skagen ihre nachhaltige Kollektion Grenen Solar auf den Markt. Das Design enthielt ein dreizähliges japanisches, solarbetriebenes Uhrwerk für präzise Zeitmessung und versprach zudem ein sechs‑Monats‑Energie‑Reserve. Dank des solarbetriebenen Uhrwerks konnte die Trägerin die Uhr bei jedem Licht, natürlich oder künstlich, aufladen. 

Eine der Besonderheiten von Grenen Solar war das Bekenntnis, Nachhaltigkeit in den Mittelpunkt der Innovationskompetenz zu stellen. Nachhaltigkeit zeigte sich nicht nur in der Nutzung von Solarenergie. Die Produkteinführung entsprach der Vision und dem Engagement des Unternehmens, seine Uhren in naher Zukunft zu 100 % nachhaltig zu machen. Zu diesem Zweck bestand 50 % des für die Uhr verwendeten Stahls aus recyceltem Edelstahl. Zusätzlich wurde die gesamte Kollektion mit fünf Stilvarianten in einem Gehäuse von 37 mm zu einem Einzelhandelspreis von US$195 angeboten. 

Im Januar 2012 wurde Skagen in einer Transaktion über US$237 Millionen an die Fossil Group verkauft. Am 13. März 2024 veröffentlichte die Fossil Group ihren Jahresbericht für das Geschäftsjahr 2023. Im Jahr 2023 verzeichnete das Unternehmen Nettoumsätze von über US$1,4 Milliarden, ein Rückgang gegenüber 2022, als ein Nettoumsatz von US$1,68 Milliarden erzielt wurde.

Insgesamt zeigen die genannten Produkte und Lösungen deutlich, dass solarbetriebene Wearables nichts Neues sind. Wie zu Beginn gezeigt, entwickelt sich die Innovation jedoch kontinuierlich weiter. Sie verdeutlicht die Vitalität und den Wert erneuerbarer Energiequellen sowie ihr Nachhaltigkeitspotenzial. Weitere interessante Innovationen sind in Arbeit, und wir werden einige davon betrachten, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie die Zukunft aussehen könnte.

Solarbetriebene Wearables: Was die Zukunft bringt

Im Jahr 2017 präsentierten Forscher das Design eines tragbaren Smart‑Bracelets, das dünnfilmige, kleinformatige flexible Photovoltaik‑Panels als Energiequelle nutzte, was einen bedeutenden Fortschritt in den Subsystemen zur Solarenergieerzeugung markierte. Ziel war es, die Energieumwandlungseffizienz zu maximieren und ein selbstversorgendes, drahtloses Wearable‑System zu realisieren. 

Durch die Nutzung von Polyamid‑Film für die Vollsystem‑Integration erwies sich die Technologie als vorteilhaft für die langfristige Überwachung von Patienten oder älteren Menschen in Gesundheitsanwendungen. Die Ergebnisse waren vielversprechend, da ein einzelnes flexibles Solarpanel bis zu 16 Megawatt im Freien und 0,21 Megawatt in Innenräumen ernten konnte. Beeindruckend war, dass die vom Gerät gesammelten Daten per Bluetooth übertragen werden konnten. 

Fortlaufende Forschung im Gesundheitswesen führte zur Entwicklung eines batterielosen, solarbetriebenen Wearable‑Biosensors, der das bislang ungenutzte Potenzial von Schweiß‑Biomarkern erschließen kann. Das Forschungsergebnis war der LumiStat, ein solarbetriebener, multifunktionaler Wearable, der autonome Schweißinduktion, dynamische mikrofluidische Schweißprobenahme, multiplexe Überwachung von Schweiß‑Biomarkern und drahtlose Datenübertragung ermöglicht – ein Durchbruch in der nicht‑invasiven Gesundheitsüberwachung. 

Durch die Solarenergie konnte er bemerkenswerte Leistungen erbringen und einen kontinuierlichen Betrieb von mehr als 12 Stunden unter unterschiedlichen Lichtbedingungen ermöglichen. Die Forscher stellten den LumiStat umfangreichen Tests unter, darunter ein ganztägiges, aktivitätsübergreifendes multimodales Monitoring von Schweiß‑Biomarkern. Die Lösung funktionierte konsistent in verschiedenen Beleuchtungsumgebungen und bei unterschiedlichen körperlichen Aktivitäten, wobei der Stromverbrauch intelligent an die verfügbare Beleuchtung angepasst wurde, um kontinuierliche Sensorsignale sicherzustellen.

Forschungsbericht veröffentlicht von der Nottingham Trent University diskutierte die Entwicklung von Textilien, die mit mehr als tausend Miniatur‑Solarzellen eingebettet sind. Diese Solarzellen konnten Smartwatches und Mobiltelefone aufladen. Zusammen konnten sie 400 Milliwatt (Watt) elektrische Energie aus der Sonne gewinnen. 

Das Textil war für Alltagskleidung geeignet und konnte bei 40 °C zusammen mit anderer Wäsche in der Maschine gewaschen werden. Mit einer Länge von nur fünf Millimetern und einer Breite von 1,5 Millimetern waren die Solarzellen in einem wasserdichten Polymerharz eingebettet. Selbst der Weber konnte sie nicht spüren. 

Laut Dr. Hughes‑Riley von der Advanced Textiles Research Group (ATRG) der Universität:

„Dieser Prototyp gibt einen spannenden Einblick in das zukünftige Potenzial von E‑Textilien. Bisher haben nur sehr wenige Menschen darüber nachgedacht, dass ihre Kleidung oder Textilprodukte zur Stromerzeugung genutzt werden könnten. Das von uns entwickelte Material sieht aus und verhält sich wie jedes gewöhnliche Textil, da es zerknüllt und in der Maschine gewaschen werden kann.“ 

Das Material, das 51 cm × 27 cm misst, war sowohl atmungsaktiv als auch chemisch stabil. Es enthielt Silizium‑Solarzellen. Diese Konfiguration ermöglichte es dem Material, bei 0,86‑facher Sonneneinstrahlung eine Leistung von 335,3 W zu erzeugen, mit der Fähigkeit, bis zu 394 W zu erzeugen, wenn die Sonneneinstrahlung 1,0 erreichte.

Offensichtlich wird mit jedem Tag mehr Forschung öffentlich verfügbar, die das Potenzial von solarbetriebenen Wearable‑Technologien aufzeigt. Es ist, gelinde gesagt, bahnbrechend und paradigmatisch verändernd. Da die Lösungen ständig am Körper getragen werden sollen, verändern sie die Art, wie wir mit Technologie interagieren. Sie eliminieren die Notwendigkeit von Strom‑Zwischenstellen wie Ladestationen. Sie erhöhen unsere Mobilität und die Fähigkeit, mehr zu erkunden, während wir uns weniger Sorgen darüber machen müssen, wie wir unsere Systeme am Laufen halten.