Les appareils portables alimentés par énergie solaire seront bientôt réalisables grâce aux photovoltaiques organiques ultra-fins nouvellement développés

Les capacités révolutionnaires de l’énergie solaire ont déjà été prouvées sans aucun doute. Avec son succès croissant, combiné aux innovations technologiques qui l’enrichissent chaque jour et à la demande croissante d’énergie renouvelable, le marché mondial du solaire intelligent pourrait dépasser 27 milliards de dollars US d’ici 2028 à partir de moins de 13 milliards de dollars US en 2022.

Les prévisions de croissance indiquent un doublement du marché, témoignant d’innovations de pointe dans les matériaux photovoltaïques, le stockage d’énergie, les réseaux intelligents, les systèmes solaires et bien plus encore. Notamment, l’énergie solaire laisse également son empreinte dans le domaine des appareils portables, avec des recherches et expériences qui devraient bientôt introduire des wearables alimentés par énergie solaire. 

Photovoltaiques organiques ultra-flexibles comme source d’énergie potentielle pour l’électronique portable

Une nouvelle recherche publiée dans Nature Communications, intitulée « Photovoltaiques organiques étanches et ultra-flexibles avec adhérence d’interface améliorée », met en avant l’élasticité et la légèreté des photovoltaiques organiques ultra-flexibles, les rendant une source d’énergie puissante pour les appareils électroniques portables. Cependant, la recherche reconnaît que l’étanchéité de ces solutions demeure un défi si leur flexibilité mécanique et leur conformabilité restent inchangées. 

Elle a montré comment ce défi peut être relevé, positionnant essentiellement les photovoltaiques organiques comme une solution supérieure. La solution consiste à exploiter la croissance in situ d’une couche de transport de trous pour renforcer l’adhérence d’interface entre la couche active et l’anode. Plus précisément, la solution permet à une électrode d’argent de se déposer sur les couches actives. Le dépôt est suivi d’un recuit thermique. 

La recherche constate que la méthode in situ dépasse largement la méthode conventionnelle en montrant que la couche de transport de trous cultivée in situ possède des propriétés d’adhérence thermodynamique supérieures entre les couches actives, conduisant à de meilleures propriétés d’étanchéité. 

Dans l’expérience, des photovoltaiques organiques d’une épaisseur de trois micromètres fabriqués selon cette méthode ont conservé 89 % et 96 % de leurs performances d’origine même après avoir été immergés dans l’eau pendant quatre heures et avoir subi 300 cycles d’étirement/retrait à 30 % de contrainte sous l’eau, respectivement. 

Bien que ces chiffres témoignent de leur flexibilité et de leurs caractéristiques d’étanchéité, les dispositifs ont passé sans problème un test de lavage en machine malgré leur fine couche d’encapsulation. 

Dans l’ensemble, l’expérience a démontré comment les cellules solaires pourraient devenir étanches et adaptées à des opérations à grande échelle. 

Les cellules solaires peuvent désormais être intégrées fonctionnellement aux vêtements, restant efficaces même après exposition à la pluie ou après un cycle de lavage. Cette innovation est donc particulièrement importante car elle pourrait être précieuse pour créer des appareils électroniques portables qui peuvent être attachés aux vêtements et rester opérationnels dans toutes les conditions météorologiques. 

En parlant de l’expérience et en détaillant son utilité potentielle, Kenjiro Fukuda, l’un des auteurs correspondants de l’article, a déclaré:

« Ce que nous avons créé est une méthode qui peut être utilisée de manière plus générale. En regardant vers l’avenir, en améliorant la stabilité des dispositifs dans d’autres domaines, tels que l’exposition à l’air, la lumière intense et le stress mécanique, nous prévoyons de développer davantage nos cellules solaires organiques ultra-fines afin qu’elles puissent être utilisées pour des appareils portables vraiment pratiques. »

Alors que les chercheurs du monde entier souhaitent rendre les cellules solaires plus utilisables et pratiquement significatives, certaines entreprises investissent massivement dans la R&D pour développer des solutions évolutives qui bénéficient à une plus grande population. 

Cliquez ici pour tout savoir sur les boucles d’oreilles thermiques.

#1. Garmin

Garmin a développé toute une gamme de wearables intelligents alimentés par énergie solaire qui prétendent prolonger la durée de vie de la batterie à des niveaux sans précédent. La gamme comprend trois montres intelligentes : la Fenix 7 PRO, l’Instinct 2 et la Forerunner 955 Solar. Elle a conçu les produits, spécialement pour une utilisation en extérieur. 

Ces montres intelligentes peuvent capter l’énergie solaire même lorsque le cadran de la montre est partiellement obscurci. Leur fonction de gestion de l’énergie permet à l’utilisateur d’adapter et de personnaliser l’utilisation de l’énergie selon les besoins.  

Pour donner des données précises, la montre peut supporter des expéditions en plein air jusqu’à deux mois sans nécessiter de source d’énergie supplémentaire. De plus, la solution est écologique car elle produit 59 % moins d’émissions de carbone que d’autres montres. 

La Fenix 7 Pro, par exemple, utilise des panneaux solaires ultra-transparents. Son design élégant peut optimiser l’absorption de la lumière solaire. L’Instinct 2 est une montre GPS alimentée par énergie solaire. La Forerunner 955 est conçue spécifiquement pour la course. 

Garmin a réalisé de nombreuses prouesses technologiques dans la construction de ses solutions. Par exemple, son système de verre énergétique a radicalement modifié l’utilisation de la technologie des panneaux solaires. Il a remplacé les panneaux solaires conventionnels par une lentille en verre super-transparente intégrant des cellules conductrices solaires microscopiques. Le panneau de verre est ultra-fin, moins d’un demi-millimètre. 

En démonstration de sa prouesse technologique, le panneau n’est pas seulement capable de capter efficacement la photoélectricité, mais intègre également la technologie d’affichage « Memory‑in‑piece » pour créer un écran clair et lisible. Une grande clarté et une faible consommation d’énergie, même sous la lumière directe du soleil, en font le meilleur de sa catégorie. 

Le 21 février 2024, Garmin® Ltd. a annoncé ses résultats pour le quatrième trimestre clôturé le 30 décembre 2023. L’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires consolidé de 5,23 milliards de dollars, soit une hausse de 8 % par rapport à l’année précédente. 

Elle a enregistré une marge brute de 57,5 %, contre 57,7 % l’année précédente, et une marge opérationnelle de 20,9 %, contre 21,1 % l’année précédente. Le résultat d’exploitation était de 1,09 milliard de dollars, soit une hausse de 6 % par rapport à l’année précédente.

Cliquez ici pour obtenir une liste des meilleures actions solaires à investir.

#2. Tommy Hilfiger

Pour Tommy Hilfiger, la marque de mode et de vêtements reconnue mondialement, les wearables alimentés par énergie solaire ne sont pas nouveaux, ayant introduit une ligne de vestes de terrain à panneaux solaires il y a presque une décennie, en 2014. Le projet a été réalisé avec l’aide de Pvillion, un fabricant solaire. La veste était équipée de panneaux solaires étanches qui servaient de doublure arrière. Ces panneaux étaient conçus pour charger des appareils via des câbles intégrés et des ports USB. 

Lors de son lancement, la veste était vendue à 600 $ US. La veste conçue par Tommy Hilfiger, en collaboration avec « Pvillion », a servi d’inspiration. Sept ans après le lancement, en 2021, des chercheurs en design et en physique de l’Université d’Aalto en Finlande ont créé une marque de vêtements dotée de panneaux solaires dissimulés. 

Le projet, connu sous le nom de Sun‑Powered Textiles, a conduit au développement d’un produit autonome en énergie capable de charger des appareils portables – capteurs mesurant l’humidité ou la température – sans altérer l’apparence et le toucher du vêtement.

En détaillant l’originalité de leur innovation, la chercheuse en design de l’Université d’Aalto, Elina Ilen, a déclaré:

« Nous avons réalisé un prototype, une veste, où l’énergie lumineuse est utilisée pour alimenter des capteurs d’humidité et de température intégrés, en pensant à l’utilisateur de vêtements de travail, qui entre et sort et effectue des tâches physiques quotidiennement. »

Ces innovations, tant de Tommy Hilfiger que de l’Université d’Aalto, sont des exemples de la façon dont nos vêtements pourraient intégrer des panneaux solaires de manière discrète et facile à utiliser. 

PVH Corp. (PVH ), l’entité qui possède la marque Tommy Hilfiger, a publié ses résultats du quatrième trimestre 2023 et du chiffre d’affaires annuel le 1er avril 2024. Le chiffre d’affaires annuel a augmenté de 2 % pour atteindre 9,218 milliards de dollars US par rapport à la période de l’année précédente, tandis que le chiffre d’affaires du quatrième trimestre 2023 de 2,490 milliards de dollars était stable par rapport à la période précédente. 

Cliquez ici pour découvrir comment l’énergie solaire peut offrir plus que de l’énergie propre.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

En août 2022, la célèbre marque de montres et de bijoux Skagen a lancé sa collection durable, Grenen Solar. Son design comprenait un mouvement solaire japonais à trois aiguilles pour un chronométrage précis. Il promettait également une réserve de puissance de six mois. Grâce à son mouvement solaire, la personne qui la porte peut recharger la montre sous n’importe quelle lumière, naturelle ou artificielle. 

L’une des particularités du Grenen Solar était son engagement à placer la durabilité au cœur de son expertise d’innovation. Et la durabilité ne se limitait pas à l’utilisation de l’énergie solaire. Le lancement du produit était, en fait, en ligne avec la vision et l’engagement de l’entreprise à rendre ses montres 100 % durables dans un avenir proche. À cette fin, 50 % de l’acier utilisé dans la montre était de l’acier inoxydable recyclé. De plus, la collection globale comprenait cinq styles dans un boîtier de 37 mm au prix de détail de 195 $ US. 

En janvier 2012, Skagen a été vendue au Fossil Group dans le cadre d’une transaction de 237 millions de dollars US. Le 13 mars 2024, le Fossil Group a publié son rapport annuel pour l’exercice 2023. En 2023, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires net de plus de 1,4 milliard de dollars US, en baisse par rapport à 2022, où elle avait réalisé  un chiffre d’affaires net de 1,68 milliard de dollars US.

Dans l’ensemble, les produits et solutions ci‑dessus montrent clairement que les wearables alimentés par énergie solaire ne sont pas nouveaux. Cependant, comme nous l’avons démontré au début, l’innovation autour de cette technologie progresse de manière robuste. Elle montre la vitalité et la valeur des sources d’énergie renouvelable et leur potentiel de durabilité. De nombreuses autres innovations intéressantes sont en cours, et nous examinerons quelques‑unes d’entre elles pour avoir une idée de ce à quoi pourrait ressembler l’avenir.

Appareils portables alimentés par énergie solaire : ce que l’avenir réserve

En 2017, des chercheurs ont présenté la conception d’un bracelet intelligent portable utilisant des panneaux photovoltaïques flexibles à film mince et petite taille comme source d’énergie, marquant une avancée significative dans les sous‑systèmes de récolte d’énergie solaire. L’objectif était de maximiser l’efficacité de conversion énergétique et d’obtenir un système portable sans fil auto‑suffisant. 

En exploitant un film de polyamide pour l’intégration du système complet, la technologie s’est avérée bénéfique pour la surveillance à long terme des patients ou des personnes âgées dans les applications de santé. Les résultats étaient prometteurs, un seul panneau solaire flexible pouvant récolter jusqu’à 16 mégawatts d’énergie en extérieur et 0,21 mégawatts en intérieur. De manière impressionnante, les données recueillies par le dispositif pouvaient être transférées via Bluetooth. 

La recherche continue dans le domaine de la santé a conduit au développement d’un biocapteur portable alimenté par énergie solaire, sans batterie, capable d’exploiter le potentiel sous‑utilisé des biomarqueurs de la sueur. Le résultat de la recherche était le LumiStat, un dispositif portable solaire multifonctionnel capable d’induire de manière autonome la sueur, d’échantillonner dynamiquement la sueur via microfluidique, de surveiller de façon multiplexée les biomarqueurs de la sueur et de transmettre les données sans fil, une percée dans la technologie de surveillance de santé non invasive. 

Le fait d’être alimenté par énergie solaire lui a conféré des performances remarquables, permettant un fonctionnement continu pendant plus de 12 heures sous diverses conditions lumineuses. Les chercheurs ont soumis le LumiStat à des tests rigoureux, y compris une surveillance multimodale d’une journée complète d’activité des biomarqueurs de la sueur. La solution a fonctionné de manière constante dans divers environnements lumineux et activités physiques, la consommation d’énergie s’adaptant intelligemment à l’illumination disponible, assurant des mesures continues des capteurs. 

Un rapport de recherche publié par l’Université Nottingham Trent a abordé le développement de textiles intégrés à plus d’un millier de petites cellules solaires. Ces cellules solaires pouvaient charger des montres intelligentes et des téléphones mobiles. Ensemble, elles pouvaient capter 400 milliwatts (watts) d’énergie électrique du soleil. 

Le textile était adapté aux vêtements de tous les jours et pouvait être lavé en machine à 40 °C avec d’autres vêtements. Mesurant seulement cinq millimètres de longueur et 1,5 millimètre de largeur, les cellules solaires étaient intégrées dans une résine polymère étanche. Même le tisserand ne pouvait pas les sentir. 

Selon le Dr Hughes‑Riley du groupe de recherche sur les textiles avancés (ATRG) de l’université:

« Ce prototype offre un aperçu passionnant du potentiel futur des e‑textiles. Jusqu’à présent, très peu de personnes ont envisagé que leurs vêtements ou produits textiles puissent être utilisés pour générer de l’électricité. Le matériau que nous avons développé ressemble et se comporte comme n’importe quel textile ordinaire, car il peut être froissé et lavé en machine. »

Le matériau, mesurant 51 cm sur 27 cm, était à la fois respirant et chimiquement stable. Il comportait des cellules solaires en silicium. Cette configuration permettait au matériau de générer une puissance de 335,3 watts sous 0,86 de l’intensité solaire, avec la capacité de générer jusqu’à 394 watts lorsque l’intensité solaire atteignait 1,0. 

Il est évident qu’au fil des jours, de plus en plus de recherches sont rendues publiques, montrant le potentiel de la technologie portable alimentée par énergie solaire. C’est une véritable révolution, pour le dire modestement, et cela change les paradigmes. Puisque ces solutions sont destinées à rester attachées à notre corps en permanence, elles modifient notre façon d’interagir avec la technologie. Elles éliminent le besoin d’intermédiaires d’alimentation tels que les points de charge. Elles augmentent notre mobilité et notre capacité à explorer davantage tout en nous inquiétant moins de la façon de garder nos systèmes en marche.