Водонепроницаемость и гибкость одновременно: новый органический солнечный элемент может проложить путь к одежде, которая производит электричество. Потому что ультратонкие эластичные модули выдерживают даже 20 стирок, не ломаясь, как сообщают японские исследователи в специализированном журнале Nature Energy. Таким образом, водонепроницаемые гибкие солнечные элементы, которые они разработали, в будущем можно будет печатать на текстиле и, таким образом, обеспечивать питанием датчики и другие небольшие электронные устройства.
Датчики уже давно стали такими маленькими, что их можно легко интегрировать в браслеты, ткани и даже пластыри. Мини-измерительные устройства контролируют, например, температуру нашего тела или уровень сахара в крови, измеряют наши движения и частоту сердечных сокращений или анализируют наш пот и определяют уровень алкоголя в нашей крови. Новые ткани могут светиться в темноте благодаря встроенным светодиодам.
Кто обеспечивает электроэнергией?
Но у всех этих новых разработок есть одна загвоздка: им нужно электричество, а для него до сих пор не хватало мелких и гибких поставщиков. Одним из решений могут быть органические солнечные батареи, встроенные в одежду. Потому что они ультратонкие и к тому же достаточно эластичные.
До сих пор, однако, существовала проблема с их водостойкостью: если полимерная подложка солнечных элементов сделана настолько тонкой, что ее можно растянуть, она перестает быть достаточно водонепроницаемой, чтобы защитить чувствительной электроники из воды. Однако теперь есть решение, которое Хироаки Джинно из японского исследовательского центра RIKEN и его коллеги нашли: «Мы разработали моющиеся полимерные солнечные элементы, которые являются высокоэффективными и гибкими», - сообщают они.
Стабильный даже в погружной ванне
Новые солнечные элементы состоят из фотогальванически активного слоя толщиной всего в один микрометр, заключенного между двумя слоями парилена - водоотталкивающего прозрачного полимера. «Эти органические солнечные элементы можно легко приспособить к складкам одежды или кожи, и они механически очень гибкие», - говорят исследователи.
Даже этот «сырой» солнечный элемент относительно стабилен в воде: он выдерживает двухчасовое погружение в ванну с разрушением всего около 20 процентов, как сообщают Джинно и его коллеги. Этот солнечный элемент выдерживает даже мытье моющим средством: «Мы продемонстрировали это, смыв пятно черной водорастворимой краски с этих материалов», - объясняют ученые.
Выдерживает 20 стирок
Для дальнейшей оптимизации защиты от воды ученые покрыли этот необработанный солнечный элемент толщиной всего три микрометра с обеих сторон эластомером толщиной 500 микрометров. Решающий фактор здесь: эти защитные слои были предварительно растянуты на 200 процентов в момент соединения. Как только слои были соединены, этот полимер снова сжался, в результате чего солнечный элемент внутри изогнулся.
Преимущество: органический солнечный элемент, включая защитные слои, можно было без проблем растягивать или сжимать примерно на 50 процентов. Во время этих процедур она потеряла максимум добрых пять процентов работоспособности. При этом он также выдерживал многократные механические нагрузки в воде. Исследователи сообщают, что даже после 20 «циклов промывки» солнечный элемент сохранил около 80 процентов своей первоначальной эффективности. Футболка с принтом из этих солнечных модулей будет функциональна даже после стирки.
Мощности достаточно для носимых устройств
«Мы надеемся, что наши моющиеся, легкие и эластичные органические фотоэлектрические модули откроют совершенно новые возможности в качестве источников питания для носимых датчиков и других носимых устройств», - говорит соавтор Кенджиро Фукуда из Исследовательского центра RIKEN. В конце концов, их новый солнечный элемент имеет эффективность 7,9 процента. Исследователи сообщают, что при воздействии света мощностью 100 мВт один квадратный сантиметр этого водонепроницаемого эластичного модуля производит 13,8 мА тока и 0,57 В напряжения.
Это немного, но может быть достаточно для чуть большей площади, чтобы снабжать энергией небольшие сенсоры. Нинг Ли и Кристоф Брабек из Университета Эрлангена-Нюрнберга видят это так же: «Мы считаем, что такие моющиеся и портативные солнечные элементы могут даже стать уникальной рыночной возможностью для органических фотогальванических элементов», - пишут они в сопроводительном комментарии.