Zonne-energie aangedreven wearables zullen binnenkort haalbaar zijn met nieuw ontwikkelde ultradunne organische fotovoltaïsche cellen

De revolutionaire mogelijkheden van zonne-energie zijn al onomstotelijk bewezen. Met het groeiende succes, gecombineerd met technologische innovaties die het elke dag verrijken en de toenemende vraag naar hernieuwbare energie, zou de wereldwijde slimme zonne-energiemarkt tegen 2028 meer dan US$27 billion kunnen overschrijden, vanuit minder dan US$13 billion in 2022.

De groeiprojecties duiden op een verdubbeling van de markt, met geavanceerde innovaties in fotovoltaïsche materialen, energieopslag, slimme netwerken, zonne-energiesystemen en nog veel meer. Opmerkelijk is dat zonne-energie ook zijn stempel drukt op het gebied van wearables, waarbij onderzoek en experimenten binnenkort naar verwachting zonne-energie aangedreven wearables zullen introduceren. 

Ultra-flexibele organische fotovoltaïsche cellen als potentiële energiebron voor draagbare elektronica

Nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications onder de titel ‘Waterproof and Ultraflexible Organic Photovoltaics with Improved Interface Adhesion’, benadrukt de rekbaarheid en het lichte gewicht van ultraflexibele organische fotovoltaïsche cellen, waardoor ze een krachtige energiebron vormen voor elektronische wearables. Het onderzoek erkent echter dat het waterdicht maken van deze oplossingen een uitdaging blijft zolang hun mechanische flexibiliteit en conformiteit ongewijzigd blijven. 

Het heeft laten zien hoe deze uitdaging kan worden aangepakt, waardoor organische fotovoltaïsche cellen als een superieure oplossing worden gepositioneerd. De oplossing maakt gebruik van de in‑situ groei van een hole‑transportlaag om de interfaciale hechting tussen de actieve laag en de anode te versterken. Concreet maakt de oplossing het mogelijk een zilveren elektrode bovenop de actieve lagen te deponeren. De depositie wordt gevolgd door thermische annealing. 

Het onderzoek toont aan dat de in‑situ methode de conventionele methode ver overtreft doordat de in‑situ gegroeide hole‑transportlaag superieure thermodynamische hechtingseigenschappen tussen de actieve lagen bezit, wat leidt tot verbeterde waterdichtheid. 

In het experiment behielden drie‑micrometer‑dikke organische fotovoltaïsche cellen die via deze methode werden vervaardigd respectievelijk 89 % en 96 % van hun oorspronkelijke prestaties, zelfs na vier uur onderdompeling in water en na 300 rek‑/ontspanningscycli bij 30 % rek onder water. 

Hoewel deze cijfers getuigen van hun flexibiliteit en waterdichtheid, ondergingen de apparaten moeiteloos een machine‑was test ondanks hun dunne encapsulatielaag. 

Al met al kon het experiment aantonen hoe zonnecellen waterdicht kunnen worden en geschikt voor grootschalige toepassingen. 

De zonnecellen kunnen nu functioneel in kleding worden geïntegreerd en blijven effectief zelfs na blootstelling aan regen of een wascyclus. Deze innovatie is daarom bijzonder belangrijk omdat ze waardevol kan zijn voor het creëren van draagbare elektronische apparaten die aan kleding kunnen worden bevestigd en onder alle weersomstandigheden blijven werken. 

Tijdens het bespreken van het experiment en het uitwerken van de potentiële bruikbaarheid, zei Kenjiro Fukuda, een van de corresponderende auteurs van het artikel:

“Wat we hebben gecreëerd is een methode die breder toepasbaar is. Met het oog op de toekomst, door de stabiliteit van apparaten in andere omgevingen, zoals blootstelling aan lucht, sterk licht en mechanische stress, te verbeteren, plannen we onze ultradunne organische zonnecellen verder te ontwikkelen zodat ze kunnen worden gebruikt voor echt praktische draagbare apparaten.”

Terwijl onderzoekers wereldwijd ernaar streven zonnecellen bruikbaarder en praktisch relevanter te maken, investeren sommige bedrijven zwaar in R&D om schaalbare oplossingen te ontwikkelen die een grotere bevolking ten goede komen. 

Klik hier om alles te leren over thermische oorbellen.

#1. Garmin

Garmin heeft een volledige lijn zonne‑energie aangedreven slimme wearables ontwikkeld die beweren de batterijduur tot ongekende niveaus te verlengen. De reeks omvat drie smartwatches: Fenix 7 PRO, Instinct 2 en Forerunner 955 Solar. De producten zijn speciaal ontworpen voor gebruik buitenshuis. 

Deze smartwatches kunnen zonne‑energie benutten zelfs wanneer het horlogekast gedeeltelijk bedekt is. Hun energiemanagement‑functie stelt de gebruiker in staat het energieverbruik naar behoefte aan te passen en te personaliseren.  

Om concrete cijfers te geven, kan het horloge tot twee maanden outdoor expedities aan zonder een extra energiebron. Bovendien is de oplossing groen omdat ze 59 % minder CO₂‑emissies produceert dan andere horloges. 

De Fenix 7 Pro maakt bijvoorbeeld gebruik van ultratransparante zonnecellen. Het slanke ontwerp optimaliseert de absorptie van zonlicht. Instinct 2 is een zonne‑energie aangedreven GPS‑smartwatch. De Forerunner 955 is specifiek ontworpen voor hardlopen. 

Garmin heeft vele technologische wonderen bereikt bij het bouwen van haar oplossingen. Zo heeft het power‑glass‑systeem de manier waarop zonnepaneeltechnologie wordt gebruikt radicaal veranderd. Het heeft conventionele zonnecellen vervangen door een supertransparante glazen lens die microscopische zonne‑geleidingscellen integreert. Het glazen paneel is ultradun, minder dan een halve millimeter. 

In een demonstratie van technologische bekwaamheid is het paneel niet alleen in staat effectief foto‑elektriciteit te vangen, maar bevat ook Memory‑in‑piece display‑technologie om een helder en leesbaar scherm te creëren. Hoge helderheid en laag energieverbruik, zelfs onder direct zonlicht, maken het tot een topklasse product. 

Op 21 februari 2024 heeft Garmin® Ltd. haar resultaten aangekondigd voor het vierde kwartaal eindigend op 30 december 2023. Het bedrijf behaalde een geconsolideerde omzet van $5,23 billion, een stijging van 8 % ten opzichte van het voorgaande jaar. 

Het registreerde een brutomarge van 57,5 %, vergeleken met 57,7 % in het voorgaande jaar, en een operationele marge van 20,9 %, vergeleken met 21,1 % in het voorgaande jaar. De operationele winst bedroeg $1,09 billion, een stijging van 6 % ten opzichte van het voorgaande jaar.

Klik hier voor een lijst van top zonne‑energie aandelen om in te investeren.

#2. Tommy Hilfiger

Voor Tommy Hilfiger, het wereldwijd gerespecteerde mode‑ en kledingmerk, zijn zonne‑energie aangedreven wearables niets nieuws; ze introduceerden bijna een decennium geleden, in 2014, een lijn zonne‑paneel‑fieldjacks. Het project werd gerealiseerd met de hulp van Pvillion, een zonne‑energie fabrikant. Het jack kwam met waterdichte zonnecellen die fungeerden als voering. Deze panelen waren ontworpen om apparaten op te laden via ingebouwde kabels en USB‑poorten. 

Bij de lancering kostte het jack US$600. Het jack, ontworpen door Tommy Hilfiger in samenwerking met ‘Pvilion’, diende als inspiratie. Zeven jaar na de lancering, in 2021, ontwikkelden ontwerp‑ en natuurkundigen van de Finse Aalto Universiteit een kledinglijn met verborgen zonnecellen. 

Het project, bekend als Sun‑Powered Textiles, leidde tot de ontwikkeling van een energie‑autonoom product dat draagbare apparaten – sensoren die vochtigheid of temperatuur meten – kon opladen zonder het uiterlijk en gevoel van het kledingstuk te verstoren.

Terwijl ze de uniekheid van hun innovatie toelichtten, zei Aalto Universiteit ontwerp‑onderzoeker Elina Ilen:

“We hebben een demonstratie‑case gemaakt, een jack, waarin lichtenergie wordt gebruikt om geïntegreerde vocht‑ en temperatuursensoren van stroom te voorzien, met het oog op de werkkledinggebruiker die dagelijks in‑ en uitgaat en fysieke taken uitvoert.”

Deze innovaties, zowel van Tommy Hilfiger als van de Aalto Universiteit, laten zien hoe onze kleding zonnecellen kan bevatten op een onopvallende en gebruiksvriendelijke manier. 

PVH Corp. (PVH ), de entiteit die het Tommy Hilfiger‑merk bezit, rapporteerde haar vierde kwartaal‑ en volledige jaaromzet van 2023 op 1 april 2024. De volledige jaaromzet steeg met 2 % tot $9,218 billion ten opzichte van de voorgaande periode, terwijl de omzet van het vierde kwartaal 2023 van $2,490 billion gelijk bleef ten opzichte van de voorgaande periode. 

Klik hier om te leren hoe zonne‑energie meer kan bieden dan alleen schone energie.

#3. Skagen (Owned by Fossils Group)

In augustus 2022 bracht het bekende horloge‑ en sieradenmerk Skagen zijn duurzame collectie Grenen Solar uit. Het ontwerp omvatte een 3‑handige Japanse zonne‑energie aangedreven beweging voor nauwkeurige timing. Het beloofde bovendien een energiereserve van zes maanden. Dankzij de zonne‑energie aangedreven beweging kon de drager het horloge opladen in elk licht, natuurlijk of kunstmatig. 

Een van de specialiteiten van Grenen Solar was de toewijding om duurzaamheid centraal te stellen in haar innovatie‑expertise. Duurzaamheid kwam niet alleen tot uiting in het gebruik van zonne‑energie. De productlancering sloot bovendien aan bij de visie en toezegging van het bedrijf om zijn horloges op korte termijn voor 100 % duurzaam te maken. Daartoe werd 50 % van het gebruikte staal gerecycled roestvrij staal. Bovendien bestond de volledige collectie uit vijf stijlen in een kastgrootte van 37 mm tegen een adviesprijs van US$195. 

In januari 2012 werd Skagen verkocht aan de Fossil Group in een transactie van US$237 million. Op 13 maart 2024 publiceerde de Fossil Group haar jaarverslag voor het fiscale jaar 2023. In 2023 registreerde het bedrijf een netto‑omzet van meer dan US$1,4 billion, een daling ten opzichte van 2022, toen het een netto‑omzet van US$1,68 billion noteerde.

Al met al maken de bovenstaande producten en oplossingen duidelijk dat zonne‑energie aangedreven wearables niets nieuws zijn. Echter, zoals we aan het begin hebben aangetoond, is de innovatie eromheen robuust aan de gang. Het toont de vitaliteit en waarde van hernieuwbare energiebronnen en hun duurzaamheids‑potentieel. Diverse andere interessante innovaties zijn in ontwikkeling, en we zullen een paar ervan bekijken om een idee te krijgen van hoe de toekomst eruitziet.

Solar‑Power‑Wearables: Wat de toekomst brengt

In 2017 presenteerden onderzoekers het ontwerp van een draagbare slimme armband die dunne‑film, klein‑formaat flexibele fotovoltaïsche panelen als energiebron gebruikte, wat een belangrijke stap betekende in subsystemen voor het oogsten van zonne‑energie. Het doel was de energie‑omzettings‑efficiëntie te maximaliseren en een zelfvoorzienend draadloos draagbaar systeem te realiseren. 

Door polyamide‑film te benutten voor volledige systeemintegratie, bleek de technologie nuttig voor langdurige monitoring van patiënten of ouderen in de gezondheidszorg. De resultaten waren veelbelovend: een enkel flexibel zonnepaneel kon tot 16 megawatt energie buiten en 0,21 megawatt binnen oogsten. Indrukwekkend genoeg konden de door het apparaat verzamelde gegevens via Bluetooth worden overgedragen. 

Voortgezet onderzoek in de gezondheidszorg resulteerde in de ontwikkeling van een batterij‑vrije, zonne‑energie aangedreven draagbare biosensor die het onderbenutte potentieel van zweet‑biomarkers kon benutten. Het onderzoek leverde de LumiStat op, een zonne‑energie aangedreven, multifunctionele wearable die autonoom zweet kan induceren, dynamisch micro‑fluidisch zweet kan bemonsteren, meerdere zweet‑biomarkers kan monitoren en draadloos data kan verzenden – een doorbraak in niet‑invasieve gezondheidsmonitoring. 

Doordat het zonne‑energie aangedreven is, kon het opmerkelijke prestaties leveren, met continue werking van meer dan 12 uur onder diverse lichtomstandigheden. De onderzoekers testten LumiStat grondig, inclusief een daglange, cross‑activity multimodale monitoring van zweet‑biomarkers. De oplossing presteerde consistent in verschillende lichtomgevingen en fysieke activiteiten, waarbij het energieverbruik intelligent werd aangepast aan de beschikbare verlichting, waardoor continue sensormetingen werden gegarandeerd.

Een onderzoeksrapport gepubliceerd door Nottingham Trent University besprak de ontwikkeling van textiel met meer dan duizend miniatuur zonnecellen. Deze zonnecellen konden smartwatches en mobiele telefoons opladen. Gezamenlijk konden ze 400 milliwatt (watt) elektrische energie van de zon oogsten. 

Het textiel was geschikt voor alledaagse kleding en kon in een wasmachine op 40 °C samen met andere wasgoed worden gewassen. Met een lengte van slechts vijf millimeter en een breedte van 1,5 millimeter waren de zonnecellen ingebed in een waterdichte polymeerhars. Zelfs de wever kon ze niet voelen. 

Volgens Dr Hughes‑Riley van de Advanced Textiles Research Group (ATRG) van de universiteit:

“Dit prototype biedt een opwindende blik op het toekomstige potentieel van e‑textiel. Tot nu toe hebben heel weinig mensen overwogen dat hun kleding of textielproducten gebruikt zouden kunnen worden om elektriciteit op te wekken. Het materiaal dat we hebben ontwikkeld ziet eruit en gedraagt zich als elk gewoon textiel, omdat het kan worden samengeperst en in een wasmachine kan worden gewassen.”

Het materiaal, met afmetingen van 51 cm bij 27 cm, was zowel ademend als chemisch stabiel. Het bevatte silicium zonnecellen. Deze configuratie stelde het materiaal in staat een vermogen van 335,3 watt te genereren bij 0,86 zonlicht, met de mogelijkheid om tot 394 watt te produceren wanneer de zonlichtintensiteit 1,0 bereikte.

Duidelijk is dat er met elke dag die voorbijgaat meer onderzoek beschikbaar komt voor het publiek dat het potentieel van zonne‑energie aangedreven draagbare technologie aantoont. Het is zonder twijfel baanbrekend en paradigmaverschuivend. Aangezien de oplossingen de hele tijd aan ons lichaam bevestigd blijven, verandert dit de manier waarop we met technologie omgaan. Ze maken de noodzaak voor energie‑intermediairs zoals laadpunten overbodig. Ze vergroten onze mobiliteit en ons vermogen om meer te verkennen, terwijl we ons minder zorgen hoeven te maken over hoe we onze systemen draaiende houden.