新開発の超薄型有機光電池で、ソーラーパワーウェアラブルがすぐに実用化へ

太陽光発電の革命的な能力はすでに疑いなく証明されています。 その急速な成功と、日々進化する技術革新、再生可能エネルギーへの需要増加が相まって、世界のスマート太陽光発電市場は2028年までに270億米ドルを超える可能性があります（2022年は130億米ドル未満でした）。

成長予測は市場が倍増することを示しており、光電材料、エネルギー貯蔵、スマートグリッド、太陽エネルギーシステムなどの最先端イノベーションが見られます。特に、太陽エネルギーはウェアラブル分野にも影響を与えており、研究と実験により近い将来、ソーラーパワーウェアラブルが登場することが期待されています。 

超柔軟有機光電池：ウェアラブル電子機器の潜在的電源として

Nature Communications に掲載された新しい研究『防水性と界面接着性が向上した超柔軟有機光電池』では、超柔軟有機光電池の伸縮性と軽量性が強調され、電子ウェアラブルの強力な電源となり得ることが示されています。ただし、機械的柔軟性と適合性を維持したまま防水化することは依然として課題であると研究は指摘しています。 

この課題への対処方法が示され、有機光電池を優れたソリューションとして位置付けています。解決策は、ホール輸送層をその場で成長させ、活性層とアノード間の界面接着を強化することです。具体的には、銀電極を活性層の上に堆積させ、その後熱アニーリングを行います。 

研究では、現場成長型ホール輸送層が活性層間で優れた熱力学的接着特性を持ち、防水性が向上することから、従来の方法をはるかに上回ることが判明しました。 

実験では、この方法で製造された厚さ3マイクロメートルの有機光電池は、4時間水に浸漬した後でもそれぞれ89％、30％ひずみで水中で300回の伸縮サイクルを経ても96％の元の性能を保持しました。 

これらの数値は柔軟性と防水性を裏付けるものであり、薄い封止層にもかかわらず、デバイスは洗濯機テストを問題なく通過しました。 

全体として、この実験は太陽電池が防水化され、大規模な運用に適する可能性を示しました。 

これにより、太陽電池は衣類に機能的に統合でき、雨にさらされたり洗濯サイクルを受けても効果を維持します。このイノベーションは、衣服に取り付けられ、あらゆる天候でも動作可能なウェアラブル電子デバイスの作成に有用であるため、特に重要です。 

実験について語り、その潜在的な有用性を詳述する中で、論文の共同著者の一人である福田健二郎は次のように述べました：

「私たちが作り上げたのは、より一般的に利用できる方法です。将来を見据え、空気への曝露、強い光、機械的ストレスなど他の領域でデバイスの安定性を向上させることで、超薄型有機太陽電池をさらに開発し、実用的なウェアラブルデバイスに本格的に使用できるようにすることを計画しています。」

世界中の研究者が太陽電池をより実用的にしようと熱心に取り組む中、いくつかの企業は大規模に展開できるソリューションの開発に多額の研究開発投資を行っています。 

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#1. Garmin

Garminは、バッテリー寿命を前例のないレベルまで延長できると主張するソーラーパワーのスマートウェアラブル全ラインを開発しました。ラインナップには、Fenix 7 PRO、Instinct 2、Forerunner 955 Solarの3つのスマートウォッチが含まれます。これらの製品は特にアウトドア向けに設計されています。 

これらのスマートウォッチは、文字盤が部分的に覆われていても太陽エネルギーを利用できます。電力管理機能により、ユーザーは必要に応じてエネルギー使用を調整・カスタマイズできます。  

具体的なデータとして、これらの時計は追加の電源なしで最大2か月間のアウトドア遠征に対応できます。さらに、他の時計に比べて二酸化炭素排出量が59％少なく、環境に優しいソリューションです。 

例えば、Fenix 7 Proは超透明なソーラーパネルを活用しています。その洗練されたデザインは日光の吸収を最適化します。Instinct 2はソーラーパワーのGPSスマートウォッチです。Forerunner 955はランニング専用に設計されています。 

Garminはソリューション構築において多くの技術的偉業を達成しています。例えば、パワーガラスシステムはソーラーパネル技術の利用方法を根本的に変えました。従来のソーラーパネルを、微細な太陽電導セルを組み込んだ超透明ガラスレンズに置き換えました。このガラスパネルは超薄型で、0.5ミリ以下です。 

技術的な卓越性を示すこのパネルは、光電変換を効果的に行うだけでなく、Memory-in-Pieceディスプレイ技術を組み込み、鮮明で読みやすい画面を実現しています。直射日光下でも高い視認性と低消費電力を保ち、クラス最高水準です。 

2024年2月21日、Garmin® Ltd.は2023年12月30日で終了した第4四半期の業績を発表しました。同社は総収益 $5.23 billion を計上し、前年比8％増加しました。 

粗利益率は57.5％で、前年の57.7％と比較され、営業利益率は20.9％で、前年の21.1％と比較されました。営業利益は $1.09 billion で、前年比6％増加しました。

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#2. Tommy Hilfiger

世界的に評価されているファッションブランド、Tommy Hilfigerにとって、ソーラーパワーウェアラブルは新しい概念ではありません。2014年に太陽光パネル付きフィールドジャケットラインを導入しており、太陽光メーカーのPvillionの協力で実現しました。このジャケットは防水太陽光パネルを背面裏地として備えており、内蔵ケーブルとUSBポートを通じてデバイスを充電できるよう設計されています。 

発売当時、このジャケットは600米ドルで販売されていました。Tommy Hilfigerが『Pvilion』と協力してデザインしたこのジャケットはインスピレーションとなりました。発売から7年後の2021年、フィンランドのアアルト大学のデザイン・物理学研究者は、太陽光パネルを隠蔽した衣料ブランドを考案しました。 

「Sun-Powered Textiles」と呼ばれるこのプロジェクトは、衣服の外観や手触りを損なうことなく、ウェアラブルデバイス（湿度や温度を測定するセンサー）を充電できるエネルギー自律型製品の開発につながりました。

彼らのイノベーションの独自性について詳述する中で、アアルト大学のデザイン研究者エリナ・イレンは次のように述べました：

「私たちはデモンストレーションとしてジャケットを作成し、光エネルギーで統合された湿度・温度センサーに電力を供給しています。これは、日々出入りし、肉体労働を行う作業服ユーザーを想定したものです。」

Tommy Hilfigerとアアルト大学の両方のイノベーションは、衣服に目立たず使いやすい形で太陽光パネルを組み込む方法の例です。 

Tommy Hilfigerブランドを所有するPVH Corp. (PVH ) は、2024年4月1日に2023年の第4四半期および通年の収益を報告しました。 通年収益は前年同期比で2％増の $9.218 billion となり、2023年第4四半期の収益は $2.490 billion で前年同期と横ばいでした。 

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#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

2022年8月、著名な時計・ジュエリーブランドのSkagenは、サステナブルコレクション「Grenen Solar」を発表しました。そのデザインは、正確な時刻計測のための3針日本製ソーラーパワー式ムーブメントを採用し、6か月のパワーリザーブを約束しています。ソーラーパワー式ムーブメントにより、自然光でも人工光でも時計を充電できるようになっています。 

Grenen Solarの特徴の一つは、イノベーションの中心にサステナビリティを据えることへのコミットメントです。サステナビリティは単に太陽光を利用するだけではありません。この製品のリリースは、同社が近い将来に時計を100％サステナブルにするというビジョンと約束に沿ったものです。そのため、時計に使用される鋼の50％はリサイクルステンレス鋼です。さらに、全コレクションは37mmケースサイズの5つのスタイルで構成され、販売価格は195米ドルです。 

2012年1月、Skagenは237百万米ドルの取引でFossil Groupに売却されました。2024年3月13日、Fossil Groupは2023会計年度の年次報告書を公表しました。2023年、同社は総売上高が1.4十億米ドルを超え、2022年の1.68十億米ドルから減少しました。 

全体として、上記の製品やソリューションは、ソーラーパワーウェアラブルが新しい概念ではないことを十分に示しています。しかし、冒頭で示したように、その周辺のイノベーションは依然として活発に進行しています。これは再生可能エネルギー源の活力と価値、そしてその持続可能性の可能性を示しています。他にも興味深いイノベーションが進行中であり、いくつかを取り上げて将来像を探ります。 

ソーラーパワーウェアラブル：未来がもたらすもの

2017年、研究者は設計を発表しました薄膜・小型フレキシブル光電パネルをエネルギー源とするウェアラブルスマートブレスレットの設計を発表し、太陽エネルギー収集サブシステムの重要な進歩を示しました。このデバイスはエネルギー変換効率を最大化し、自己持続型のワイヤレスウェアラブルシステムを実現することを目指しました。 

ポリアミドフィルムを用いたフルシステム統合により、この技術は医療分野で患者や高齢者の長期モニタリングに有益であることが示されました。結果は有望で、単一のフレキシブル太陽電池は屋外で最大16メガワット、屋内で0.21メガワットの電力を収集できました。さらに、デバイスが取得したデータはBluetoothで転送可能でした。 

継続的な研究により、バッテリー不要のソーラーパワーウェアラブルバイオセンサーが開発され、汗のバイオマーカーという未活用の可能性を活かすことができました。その研究成果はLumiStatで、ソーラーパワーで動作する多機能ウェアラブルで、自己誘発型汗生成、動的マイクロ流体汗サンプリング、汗バイオマーカーの多重モニタリング、無線データ伝送を実現し、非侵襲的健康モニタリング技術の画期的な進歩です。 

ソーラーパワーであることで、さまざまな光条件下でも12時間以上の連続稼働が可能という卓越した性能を発揮しました。研究者はLumiStatを厳格にテストし、1日間にわたるクロスアクティビティの多モーダル汗バイオマーカー監視を実施しました。このソリューションは、異なる照明環境や身体活動においても一貫して動作し、電力消費は利用可能な光に合わせてインテリジェントに調整され、連続的なセンサー測定を保証しました。

ノッティンガム・トレント大学が発表した研究報告では、1,200枚以上のミニチュア太陽電池を組み込んだテキスタイルの開発が論じられました。これらの太陽電池はスマートウォッチや携帯電話の充電が可能で、合計で太陽から400ミリワット（ワット）の電力を取り込むことができました。 

このテキスタイルは日常の衣類に適しており、他の洗濯物と一緒に40°Cの洗濯機で洗うことができます。太陽電池は長さ5ミリ、幅1.5ミリという小ささで、防水ポリマー樹脂に埋め込まれています。織り手でさえも感知できないほどです。 

同大学のAdvanced Textiles Research Group（ATRG）に所属するヒューズ・ライリー博士によれば：

「このプロトタイプは、e-テキスタイルの将来の可能性を示すエキサイティングな一端です。これまで、衣服やテキスタイル製品が電力を生成できると考える人はほとんどいませんでした。我々が開発した素材は、普通のテキスタイルと同様に見た目も挙動も同じで、縮めても洗濯機で洗うことができます。」

この素材は51cm×27cmのサイズで、通気性と化学的安定性を兼ね備えていました。シリコン太陽電池を搭載しており、日照強度0.86の条件で335.3ワット、日照強度1.0で最大394ワットの電力出力が可能です。 

明らかに、日々新たな研究が公開され、ソーラーパワーウェアラブル技術の可能性が示されています。少なくとも画期的で、パラダイムを変えるものです。これらのソリューションは常に身体に装着されることを前提としており、テクノロジーとの関わり方を変えます。充電ステーションなどの電力仲介者が不要になり、モビリティが向上し、システムを維持することへの不安が減少します。