I årevis lavede stofdesigner Marianne Fairbanks solopladede håndtasker. Hendes firma, Noon Solar, var rettet mod det avancerede, bybaserede modemarked og solgte på sit højeste i 30 butikker i USA og Canada. Mens Noon Solar lukkede sine døre i 2010, var Fairbanks, der tiltrådte University of Wisconsin-Madison i 2014 som adjunkt i skolen for menneskelig økologi, stadig fascineret af konceptet med soldesign.
Da hun ankom på campus, opdagede Fairbanks Trisha Andrew, en lektor i organisk kemi nu ved University of Massachusetts-Amherst. Andrews specialitet er i udvikling af lave solceller til lave omkostninger. Specifikt havde hun skabt en organisk farvestofbaseret solcelle på papir.
Samarbejdet mellem de to begyndte med et uskyldigt telefonopkald.
”Jeg spurgte Trish, ” siger Fairbanks, ”hvis vi kunne anvende hendes idé, som hun havde brugt på papir på et tekstil. Og det var sådan, vores projekt startede. ”
”Den måde, hvorpå dagens bærbare elektronik oprettes, er en simpel emballageproces, ” siger Andrew. ”Et Fitbit eller et Apple-ur - de har alle en PCB [printkort], der indeholder det lille elektroniske kredsløb. Det giver dig mulighed for at "bære" den enhed, men for mig er det ikke rigtig bærbar elektronik. Det er kun noget, der er lappet på et andet materiale. ”
Deres fælles passion for solinnovation har dem nu til at arbejde for at færdiggøre design af et soltekstil. Mens Fairbanks planer i sidste ende er at dyrke et færdigt stof, håber Andrew at tage det stof og faktisk fremstille omsættelige produkter. Andrew ser for sig stofpaneler til opvarmede bilsæder eller endda små solcellepaneler syet i et større tøj.
Trisha Andrew, venstre, og Marianne Fairbanks, højre, har udviklet en vævet sol-tekstilprototype. (Foto af Jeff Miller / UW-Madison) Historisk set er solcellepaneler lavet af glas eller plast - materialer, der er hårde og kan ødelægges temmelig let. Forskere henvendte sig først til tekstiler i 2001 i et forsøg på at skabe en solenergikomponent, der er bøjelig, åndbar og fleksibel. Siden da er solstoffer blevet indarbejdet i stadionovertræk, carport og endda bærbar kunst, men Andrew og Fairbanks hævder, at deres stof er bedre end andre gruppers 'åndbarhed, styrke og densitet. De har ikke kun fundet ud af, hvordan de kan bruge deres proces til enhver type stof, men fordi dette er et samarbejde mellem videnskabsmand og designer, har de også muligheden for at udvide rækkevidden af soltekstiler inden for et mere kommercielt, forbrugervenligt marked.
”Det største problem er, at tekstiler fra et ingeniør- og kemiområdet er, at de er utroligt uslebne, ” siger Andrew. ”De er et tredimensionelt underlag; de er ikke flade. ”
Deres solcelle består af et lag stof, der har fire lag med forskellige polymerer. Den første frakke er Poly (3, 4-ethylendioxythiophen) eller "PEDOT", som Andrew og hendes post-doc forskningsassistent, Lushuai Zhang, opdagede fungerede utroligt godt for at øge et stofs ledningsevne. De andre tre lag er forskellige halvledende farvestoffer, såsom blåfarvet kobberphthalocyanin, der fungerer som de fotoaktive lag eller lysabsorbenter til cellen. Andrew og Fairbanks har opnået gentagen succes med de to første frakker, men arbejder stadig på knebene til frakker tre og fire.
Stoffer i modsætning til glat og skinnende glas eller plast er porøse, hvilket gør jævn belægning af dem med specifikke polymerer en smule vanskelig. Hvis du overvejer, hvordan et stykke stof oprettes, består det af flere fibre, der er snoet sammen. Hver fiber har et andet niveau af ujævnhed, der fra et kemi-synspunkt inkluderer flere lysskalaer (nanometer, mikrometer osv.).
”For faktisk at placere den elektronisk ledende polymer over den overflade, er du nødt til at krydse alle disse forskellige lysskalaer, ” siger Andrew. ”Og det er svært.”
For at undgå dette problem besluttede Andrew at prøve Chemical Vapor Deposition (CVD), en teknik, der typisk er forbeholdt uorganiske eksperimenter, der bruger hårde underlag som metaller eller plast. Ved at drage fordel af massetransportegenskaber eller de generelle fysiske love, der regulerer massens bevægelse fra et punkt til et andet, kan Andrew ensartet belægge ethvert vilkårligt stof, inklusive stof, fordi de anvendte nanomaterialer ikke er interesserede i underlagets overflade . Endnu bedre anvender hun PEDOT i et vakuum.
Det næste trin var at bestemme, hvilke stoffer der ville fungere bedst.
”Jeg bragte over silke, uld, nylon - alle disse forskellige underlag, ” siger Fairbanks og bemærkede, at materialerne var standardprøver fra Jo-Ann Fabrics. For at teste tekstilerne belagte de hver enkelt med PEDOT og andre halvledermaterialer, og tilsluttede dem derefter til elektrodeklemmer og ledninger. De anvendte spænding og målte udgangsstrømmen for hver farveprøve.
”Nogle af dem ville varme op og tage energien og oversætte den til varme; nogle af dem udleverede varmen, men alligevel ledes meget lettere, ”siger Fairbanks.
”Ledningsevnen for PEDOT blev fuldstændigt bestemt af de underliggende tekstiler, ” tilføjer Andrew. ”Hvis vi havde et porøst tekstil, fik vi ledningsevne højere end kobberet. Hvis vi havde en meget uklar tekstil, som fuzzy bomuldstrøje eller uldfilt eller meget tæt vævet tekstil, var PEDOTs ledningsevne virkelig dårlig. ”
Baseret på deres indledende eksperimenter foreslog Andrew en handskeprototype for at drage fordel af de forskellige egenskaber ved hvert stof. Grundlæggende anvendte deres design specifikke tekstiler til ledning af elektricitet til opvarmning af forskellige dele af handsken. Prototypen er lavet af ananasfiber, der er meget ledende og absorberer varmen, og bomuld, der fungerer som en bremse for at holde varmen inde i lagene. Dette er den første vare, duoen har skabt, som de håber, at de faktisk markedsfører.
”Hvad der virkelig er fascinerende ved dette samarbejde, ” siger Fairbanks, ”er, at vi ikke var sammen for at skabe denne handske, specifikt. Det var bare en af disse andre sider af den oprindelige forskning. ”
Gennem processen med forskning og udvikling har Andrew og Fairbanks eksperimenteret ud over deres oprindelige soltekstilide, der stadig er et igangværende arbejde, til en anden solinnovation, der involverer belægning af hver enkelt fiber med PEDOT og vævning af brikkerne til dannelse af arbejdskredsløbet . Dette helt originale stof fungerer som en triboelektrisk enhed og oversætter mekanisk bevægelse til magt. Duoen har konstrueret 10-til-10-tommer farveprøver af forskellige vævemønstre, hvor den mest effektive genererer omkring 400 milliwatt strøm ved blot at vifte den rundt som et lille flag.
"Hvis du rent faktisk lavede et standardgardin til et hus, noget 4-ved-4-fod, så er det mere end nok strøm til at oplade din smartphone, " siger Andrew og bemærker, at materialet kun behøver en brise, der kommer gennem vinduet at generere dette niveau af magt.
Andrew og Fairbanks samarbejder med flere virksomheder inden for en række forskellige brancher, der er interesseret i at integrere disse ideer i fremtidige produkter. Andrew har for eksempel en bevilgning af luftvåben, der sigter mod at producere soltelt til soldatbrug og har udendørs udstyr i udvikling med Patagonia.
”Jeg bliver virkelig ophidset, fordi tekstiler er bærbare og lette, ” siger Fairbanks. "De kunne blive indsat i ørkenen for en jæger eller i marken til medicinske eller militære anvendelser på en måde, som store, uklare solcellepaneler aldrig kunne være."
Fairbanks ser et ubegrænset potentiale. Soltekstilet, siger hun, kunne bruges til hundreder af fremtidige anvendelser, herunder paraplyer, markiser og flygtningeskabe, mens triboelektrisk stof kan bruges i husholdningsartikler eller atletikudstyr, såsom løbetrøjer og tennissko - alt hvad der kræver bevægelse siden det er sådan det genererer magt.
”Jeg er spændt på at få den 100 procent til at fungere og ud i verden, ” siger Fairbanks.
