化学者とデザイナーが太陽電池パネルを織物に織り込む

長年、ファブリックデザイナーのマリアンヌフェアバンクスはソーラー充電式ハンドバッグを製造していました。 彼女の会社であるNoon Solarは、ハイエンドの都市ベースのファッション市場を対象としており、ピーク時には、米国とカナダの30店舗で販売していました。 Noon Solarは2010年に閉店しましたが、2014年に人間生態学の助教授としてウィスコンシン大学マディソン校に入学したFairbanksは、ソーラーデザインの概念にまだ興味を抱いていました。

キャンパスに到着したフェアバンクスは、現在マサチューセッツ大学アマースト大学で有機化学の助教授であるトリシャ・アンドリューを発見しました。 Andrewの専門分野は、低コストで軽量の太陽電池の開発です。 具体的には、彼女は紙の上に有機色素ベースの太陽電池を作成しました。

両者のコラボレーションは、無邪気な電話から始まりました。

「私はTrishに尋ねました」とFairbanks氏は言います。 それが私たちのプロジェクトの始まりです。」

「今日のウェアラブルエレクトロニクスの作成方法は、パッケージングの簡単なプロセスです」とアンドリューは言います。 「FitbitまたはAppleウォッチ。これらはすべて、小さな電子回路を保持するPCB [プリント基板]を備えています。 それはあなたがそのデバイスを「着用」することを可能にしますが、私にとってそれは本当のウェアラブル電子機器ではありません。 それは別の素材にパッチを当てたものにすぎません。」

ソーラーイノベーションに対する情熱を共有することで、ソーラーテキスタイルのデザインを完成させることに取り組んでいます。 フェアバンクスの計画は最終的に完成した生地を栽培することですが、アンドリューはその生地を取り、実際に市場性のある製品を製造したいと考えています。 アンドリューは、加熱されたカーシート用のファブリックパネルや、より大きな衣服に縫い付けられた小さなソーラーパネルを想定しています。

歴史的に、太陽電池パネルはガラスまたはプラスチックでできていました。これは硬く、非常に簡単に破壊できる材料です。 研究者は、柔軟で通気性があり柔軟な太陽電池部品を作成するために、2001年に最初に織物に注目しました。 それ以来、ソーラーファブリックはスタジアムのカバー、カーポート、さらにはウェアラブルアートに組み込まれていますが、アンドリューとフェアバンクスは、ファブリックが他のグループの通気性、強度、密度において優れていると主張しています。 彼らはあらゆるタイプのファブリックでプロセスを利用する方法を考え出しただけでなく、これは科学者とデザイナーの間のコラボレーションであるため、より商業的で消費者に優しい市場でソーラーテキスタイルの範囲を広げる能力も持っています。

「最大の問題は、エンジニアリングと化学の懸念から、テキスタイルは信じられないほど粗いことです」とアンドリューは言います。 「それらは3次元の基板です。 平らではありません。」

彼らの太陽電池は、異なるポリマーの4つのコートを持つ1層のファブリックで構成されています。 最初のコートは、Poly（3, 4-ethylenedioxythiophene）、または「PEDOT」で、Andrewと彼女のポスドク研究助手Lushuai Zhangは、布の導電性を高めるために非常にうまく機能していることを発見しました。 他の3つのコーティングは、セルの光活性層または光吸収剤として機能する青色染料の銅フタロシアニンなどのさまざまな半導体染料です。 アンドリューとフェアバンクスは、最初の2回のコートで繰り返し成功を収めましたが、まだコート3と4の問題を解決しています。

滑らかで光沢のあるガラスやプラスチックとは対照的に、ファブリックは多孔質であるため、特定のポリマーで均一にコーティングするのは少し難しいです。 生地の作り方を考えると、複数の繊維が撚り合わされています。 各ファイバーには、化学の観点から、複数の光スケール（ナノメーター、マイクロメーターなど）を含む、異なるレベルの粗さがあります。

「その表面に電子伝導性ポリマーを実際に配置するためには、これらすべての異なる光スケールを横断する必要があります」とアンドリューは言います。 「それは難しい。」

この問題を回避するために、Andrewは化学蒸着（CVD）を試してみることにしました。これは、通常、金属やプラスチックなどの硬い基板を使用する無機実験専用の手法です。 物質移動特性、またはある点から別の点への質量の移動を支配する一般的な物理法則を活用することにより、使用されるナノ材料は基材の表面を気にしないため、アンドリューはファブリックを含む任意の物質を均一にコーティングできます。 さらに良いことに、彼女は真空内でPEDOTを適用します。

次のステップは、どのファブリックが最適に機能するかを決定することでした。

「シルク、ウール、ナイロンなど、これらすべての異なる素材を持ち込みました」とフェアバンクスは言います。素材はJo-Ann Fabricsの標準サンプルでした。 ファブリックをテストするために、彼らはそれぞれをPEDOTと他の半導体材料でコーティングし、電極クリップとワイヤに引っ掛けました。 彼らは電圧を印加し、各見本の出力電流を測定しました。

「そのうちのいくつかは暖まり、エネルギーを取り、それを熱に変換します。 それらの一部は熱を放出しましたが、はるかに簡単に伝導しました」とフェアバンクスは言います。

「PEDOTの導電率は、基礎となる繊維によって完全に決定されました」とAndrewが付け加えます。 「多孔質のテキスタイルがあれば、銅よりも導電率が高くなりました。 ファジーコットンジャージーやウールフェルトなどの非常にファジーなテキスタイル、または非常に密に織られたテキスタイルがある場合、PEDOTの導電性は本当に悪かったのです。」

Andrewは、最初の実験に基づいて、各ファブリックのさまざまな特性を活用するための手袋のプロトタイプを提案しました。 基本的に、彼らのデザインは、手袋のさまざまな部分を温めるために電気を伝導するために特定の織物を使用しました。 プロトタイプは、熱伝導性が高く熱を吸収するパイナップル繊維と、層間に含まれる熱を保持するためのブレーキとして機能する綿で作られています。 これは、彼らが実際に売りたいと思っているデュオが作成した最初のアイテムです。

「このコラボレーションで本当に魅力的なのは、特にこのグローブを作るために一緒に来たわけではないということです」とフェアバンクスは言います。 これは、元の研究のこれらの反対側の成果の1つにすぎません。」

研究開発のプロセスを通じて、アンドリューとフェアバンクスは、まだ進行中の最初のソーラーテキスタイルアイデアを超えて、個々のファイバーをPEDOTでコーティングし、ピースを織り合わせて動作回路を形成する別のソーラーイノベーションを実験しました。 。 この完全にオリジナルのファブリックは、摩擦電気デバイスのように機能し、機械的な動きを力に変換します。 このデュオは、さまざまな織りパターンの10 x 10インチの見本を作成しました。小さな旗のように振るだけで、約400ミリワットの電力を最も効率的に生成します。

「4フィート4フィートの家の標準的なカーテンを実際に作成した場合、それはスマートフォンを充電するのに十分な電力を超えています」とAndrewは言います。そのレベルの電力を生成します。

アンドリューとフェアバンクスは、これらのアイデアを将来の製品に組み込むことに関心のあるさまざまな業界のいくつかの企業と協力しています。 たとえば、アンドリューは、兵士用のソーラーテントを製造することを目的とした空軍の助成金を持ち、パタゴニアと開発中のアウトドア用品を持っています。

「テキスタイルはポータブルで軽量なので、本当に興奮しています」とフェアバンクスは言います。 「それらは、大きな不格好なソーラーパネルが決してありえない方法で、ハンターのために荒野で、または医療または軍事用途のために野外で展開されることができました。」

フェアバンクスには無限の可能性があります。 彼女によると、ソーラーテキスタイルは傘、日除け、難民の避難所など、数百の将来の用途に使用でき、一方、摩擦電気ファブリックはランニングシャツやテニスシューズなどの運動用品が必要です。それが電力を生成する方法です。

「100％機能して世界に公開できることを嬉しく思います」とフェアバンクスは言います。