Jarenlang maakte stoffenontwerpster Marianne Fairbanks handtassen op zonne-energie. Haar bedrijf, Noon Solar, was gericht op de high-end, in de stad gevestigde modemarkt en op het hoogtepunt verkocht in 30 winkels in de Verenigde Staten en Canada. Terwijl Noon Solar in 2010 zijn deuren sloot, was Fairbanks, die in 2014 als universitair docent aan de universiteit van Wisconsin-Madison in dienst trad, nog steeds geïntrigeerd met het concept van zonne-energieontwerp.
Eenmaal aangekomen op de campus, ontdekte Fairbanks Trisha Andrew, een universitair docent organische chemie nu aan de Universiteit van Massachusetts-Amherst. Andrew's specialiteit ligt in het ontwikkelen van goedkope, lichtgewicht zonnecellen. In het bijzonder had ze een organische op kleurstof gebaseerde zonnecel op papier gemaakt.
De samenwerking tussen de twee begon met een onschuldig telefoontje.
'Ik vroeg Trish, ' zegt Fairbanks, 'of we haar idee dat ze op papier had gebruikt, op textiel konden toepassen. En zo is ons project begonnen. "
"De manier waarop hedendaagse draagbare elektronica wordt gemaakt, is een eenvoudig verpakkingsproces", zegt Andrew. “Een Fitbit of een Apple-horloge - ze hebben allemaal een PCB [printplaat], die het kleine elektronische circuit bevat. Hiermee kun je dat apparaat 'dragen', maar voor mij is dat geen echte draagbare elektronica. Dat is alleen iets dat op een ander materiaal is gepatcht. "
Door hun gedeelde passie voor zonne-innovatie werken ze nu aan het voltooien van het ontwerp van een zonnetextiel. Hoewel de plannen van Fairbanks uiteindelijk een afgewerkte stof moeten cultiveren, hoopt Andrew die stof te nemen en daadwerkelijk verkoopbare producten te produceren. Andrew ziet stoffen panelen voor verwarmde autostoelen of zelfs kleine zonnepanelen die in een groter kledingstuk zijn genaaid.
Trisha Andrew, links, en Marianne Fairbanks, rechts, hebben een prototype van geweven zonne-textiel ontwikkeld. (Foto door Jeff Miller / UW-Madison) Historisch gezien zijn zonnepanelen gemaakt van glas of plastic - materialen die hard zijn en vrij gemakkelijk kunnen worden vernietigd. Onderzoekers wendden zich in 2001 voor het eerst tot textiel in een poging om een zonnecomponent te maken die flexibel, ademend en flexibel is. Sindsdien zijn zonnestoffen verwerkt in stadioncovers, carports en zelfs draagbare kunst, maar Andrew en Fairbanks beweren dat hun stof superieur is aan andere groepen wat betreft ademend vermogen, sterkte en dichtheid. Ze hebben niet alleen ontdekt hoe ze hun proces op elk type stof kunnen gebruiken, maar omdat dit een samenwerking is tussen wetenschapper en ontwerper, hebben ze ook de mogelijkheid om de reikwijdte van zonnetextiel te verbreden binnen een meer commerciële, consumentvriendelijke markt.
"Het grootste probleem is dat textiel, afkomstig van een engineering- en chemiebedrijf, is dat ze ongelooflijk ruw zijn", zegt Andrew. “Ze zijn een driedimensionaal substraat; ze zijn niet plat. '
Hun zonnecel bestaat uit één laag stof met vier lagen verschillende polymeren. De eerste laag is Poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen) of "PEDOT", waarvan Andrew en haar post-doc onderzoeksassistent, Lushuai Zhang, ontdekten dat ze ongelooflijk goed werkten om de geleidbaarheid van een stof te verhogen. De andere drie lagen zijn verschillende halfgeleidende kleurstoffen, zoals blauwkleurig koperftalocyanine, die werken als de fotoactieve lagen of lichtabsorbeerders voor de cel. Andrew en Fairbanks hebben herhaaldelijk succes geboekt met de eerste twee jassen, maar werken nog steeds aan de knikken voor jassen drie en vier.
Stoffen, in tegenstelling tot glad en glanzend glas of plastic, zijn poreus, waardoor het gelijkmatig bekleden met specifieke polymeren een beetje lastig is. Als je bedenkt hoe een stuk stof wordt gemaakt, bestaat het uit meerdere in elkaar gedraaide vezels. Elke vezel zal een ander ruwheidsniveau hebben, dat vanuit chemisch oogpunt meerdere lichtschalen omvat (nanometer, micrometer, enz.).
“Om het elektronisch geleidende polymeer over dat oppervlak te krijgen, moet je al deze verschillende lichtschalen doorkruisen”, zegt Andrew. "En dat is moeilijk."
Om dit probleem te omzeilen, besloot Andrew Chemical Vapor Deposition (CVD) te proberen, een techniek die doorgaans is gereserveerd voor anorganische experimenten met harde substraten zoals metalen of kunststoffen. Door gebruik te maken van de eigenschappen van massatransport, of de algemene fysische wetten die de verplaatsing van massa van het ene punt naar het andere regelen, kan Andrew elke willekeurige stof, inclusief stof, uniform coaten, omdat de gebruikte nanomaterialen niet schelen over het oppervlak van het substraat . Nog beter, ze past de PEDOT toe in een vacuüm.
De volgende stap was bepalen welke stoffen het beste zouden werken.
"Ik heb zijde, wol, nylon meegenomen - al deze verschillende substraten, " zegt Fairbanks en merkte op dat de materialen standaardmonsters waren van Jo-Ann Fabrics. Om de stoffen te testen, bedekten ze elk met PEDOT en andere halfgeleidermaterialen en haken ze vervolgens vast aan elektrodeklemmen en draden. Ze pasten spanning toe en maten de uitgangsstroom voor elk staal.
“Sommigen van hen zouden opwarmen en de energie opnemen en in warmte vertalen; sommigen van hen gaven de warmte af, maar voerden veel gemakkelijker uit ”, zegt Fairbanks.
"De geleidbaarheid van de PEDOT werd volledig bepaald door het onderliggende textiel, " voegt Andrew toe. “Als we een poreus textiel hadden, kregen we een hogere geleidbaarheid dan het koper. Als we een zeer pluizig textiel hadden, zoals pluizig katoenjersey of wolvilt, of zeer strak geweven textiel, dan was de geleidbaarheid van de PEDOT echt slecht. ”
Op basis van hun eerste experimenten stelde Andrew een prototype van een handschoen voor om te profiteren van de verschillende eigenschappen van elke stof. In wezen gebruikte hun ontwerp specifiek textiel om elektriciteit te geleiden om verschillende delen van de handschoen te verwarmen. Het prototype is gemaakt van ananasvezel, die zeer geleidend is en de warmte absorbeert, en katoen, dat werkt als een rem om de warmte tussen de lagen te houden. Dit is het eerste item dat het duo heeft gemaakt en dat ze hopen te verkopen.
"Wat echt fascinerend is aan deze samenwerking, " zegt Fairbanks, "is dat we niet samen zijn gekomen om deze handschoen specifiek te maken. Het was slechts een van deze andere zijoutputs van het oorspronkelijke onderzoek. ”
Door het proces van onderzoek en ontwikkeling hebben Andrew en Fairbanks geëxperimenteerd voorbij hun oorspronkelijke idee van zonnetextiel, dat nog steeds aan de gang is, naar een andere zonne-innovatie waarbij elke afzonderlijke vezel met PEDOT wordt gecoat en de stukken samen worden geweven om het werkcircuit te vormen . Deze volledig originele stof werkt als een tribo-elektrisch apparaat en vertaalt mechanische beweging in kracht. Het duo heeft stalen van 10 bij 10 inch met verschillende weefpatronen geconstrueerd, waarbij de meest efficiënte ongeveer 400 milliwatt vermogen genereert, door het eenvoudig rond te zwaaien als een kleine vlag.
"Als je eigenlijk een standaardgordijn voor een huis hebt gemaakt, iets van 4 bij 4 voet, dan is dat meer dan voldoende vermogen om je smartphone op te laden, " zegt Andrew, en merkte op dat het materiaal alleen een briesje door het raam zou moeten hebben om dat vermogen te genereren.
Andrew en Fairbanks werken samen met verschillende bedrijven in verschillende industrieën die deze ideeën willen integreren in toekomstige producten. Andrew heeft bijvoorbeeld een luchtmachtbeurs gericht op het produceren van zonnetenten voor soldaatgebruik en heeft buitenuitrusting in ontwikkeling met Patagonië.
"Ik word echt enthousiast, omdat textiel draagbaar en licht is", zegt Fairbanks. "Ze kunnen worden ingezet in de wildernis voor een jager of in het veld voor medische of militaire toepassingen op een manier die grote onhandige zonnepanelen nooit zouden kunnen zijn."
Fairbanks ziet grenzeloos potentieel. Het zonnetextiel, zegt ze, zou kunnen worden gebruikt voor honderden toekomstige toepassingen, waaronder paraplu's, zonneschermen en vluchtelingenopvangplaatsen, terwijl het tribo-elektrische weefsel kan worden gebruikt in huishoudelijke artikelen of sportartikelen, zoals hardloopshirts en tennisschoenen - alles dat beweging vereist sinds dat is hoe het kracht genereert.
"Ik ben verheugd om het voor 100 procent te laten werken en de wereld in te gaan", zegt Fairbanks.
